短波紅外高光譜對廢料自動分類識別

1.引言

      過去幾十年，科學(xué)技術(shù)的巨大進(jìn)步與經(jīng)濟(jì)社會的快速發(fā)展，使得各種工業(yè)制品的需求與產(chǎn)量均有了巨大的增長。我國的塑料產(chǎn)業(yè)經(jīng)過幾十年的高速發(fā)展，產(chǎn)業(yè)規(guī)模逐年擴(kuò)大，產(chǎn)能產(chǎn)量不斷增加，目前己經(jīng)成為與水泥、木材和鋼材同等重要的基礎(chǔ)性產(chǎn)業(yè)。

      塑料因其具有質(zhì)輕、不易腐蝕、化學(xué)性能穩(wěn)定、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛用于電子電氣、汽車、建筑以及農(nóng)業(yè)等各個領(lǐng)域，從衣食住行到工業(yè)應(yīng)用隨處可見，極大的方便了人們的生產(chǎn)生活。但是隨著塑料制品的產(chǎn)量和消耗量不斷遞增，每年都會產(chǎn)生大量的塑料固體垃圾。目前，國內(nèi)廢舊塑料的處理方法主要為焚燒和填埋，對我們類以生存的生態(tài)環(huán)境造成了嚴(yán)重的污染;同時(shí)塑料的回收再利用率偏低，造成了極大的資源浪費(fèi)。

      因此，制定合適的廢舊塑料資源回收利用策略是實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)社會健康可持續(xù)發(fā)展的迫切需求，而建立一種快速、可靠的塑料識別分類模型對廢混合塑料的回收再利用具有重要意義。近紅外高光譜圖像技術(shù)( near-infrared hyperspectral imaging，NIR-HIS) 是一種圖像技術(shù)與光譜技術(shù)相結(jié)合的三維信息獲取技術(shù)，包括二維的位置信息和一維的光譜信息，廣泛應(yīng)用于多種物質(zhì)的快速無損檢測。

      近年來，NIR-HIS應(yīng)用于塑料識別領(lǐng)域的研究越來越多。Silvia Serrant 等用 NIR-HIS 獲取聚烯烴樣本的光譜數(shù)據(jù)，用主成分分析法降低維度，選擇特征波長，利用偏最小二乘判別分析法對聚乙烯和聚丙烯進(jìn)行分類，結(jié)果顯示，該流程可用于從生活垃圾中回收聚乙烯和聚丙烯制品過程中的質(zhì)量和過程控制；Tachwali等提出、開發(fā)和測試了一套自動塑料瓶分類系統(tǒng)，該系統(tǒng)根據(jù)塑料瓶的化學(xué)組成和顏色對其進(jìn)行分類。使用近紅外光譜反射率來識別瓶子的化學(xué)成分，CCD相機(jī)結(jié)合偏最小二乘判別分析與樹分類器來檢測瓶子的顏色。結(jié)果表明，近紅外光譜反射率的平均值和傾角波長可以作為特征對不同化學(xué)組成的塑料瓶進(jìn)行分類，分類的準(zhǔn)確率達(dá)到了94.14。

      由此可見，國內(nèi)外關(guān)于近紅外光譜識別塑料的研究雖然取得了很大的成果，將近紅外光譜技術(shù)與多元數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析方法結(jié)合起來可以實(shí)現(xiàn)對常見塑料的識別分類，但主要還停留在實(shí)驗(yàn)室階段。因此建立快速、可靠、能用于工業(yè)化推廣的廢舊混合塑料識別分類模型對廢舊混合塑料的回收再利用具有重要意義。

2. 研究材料與方法

2.1 樣本的種類與來源

      本文所使用的塑料樣本主要來源于生活中常見的塑料制品、廢舊家電以及電子產(chǎn)品拆解后得到的各種塑料。在進(jìn)行光譜采集之前將塑料樣本表面的污垢擦除，然后對其表面進(jìn)行清洗。

2.2 實(shí)驗(yàn)儀器及其參數(shù)

      儀器使用江蘇雙利合譜科技有限公司的GaiaSorter-N25E，波長范圍為1000-2500 nm，光譜分辨率為12 nm，圖像分辨率為384*288 pixel，光譜儀幀數(shù)為400 fps。采集數(shù)據(jù)時(shí)，光源使用2個200 W的鹵鎢燈，鏡頭距樣品的高度為60cm,曝光時(shí)間為20ms，測試平臺移動速度為2cm/s。圖1 為樣本測試示意圖。

圖1  紅外高光譜測試系統(tǒng)示意圖

2.3 圖像預(yù)處理

      對采集的高光譜圖像進(jìn)行黑白幀校正可消除光源、系統(tǒng)背景等對樣本光譜造成的影響。對黑白幀校正后的反射率數(shù)據(jù)進(jìn)行Savitzky-Golay濾波可去除光譜噪聲；對SG濾波后的光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)變量（SNV）可消除乘性效應(yīng)。

2.4 垃圾的分類判別

     運(yùn)用支持向量機(jī)（SVM）對經(jīng)過預(yù)處理的圖像進(jìn)行垃圾分類判別。

3. 結(jié)果與分析

3.1 樣本的RGB圖

       實(shí)驗(yàn)中使用的材料是金屬部件，玻璃瓶子，紙板和紙張樣品，以及塑料樣品幾種類型，即PET、HDPE、PVC、LDPE、PP和PS。每一種材料其顏色和形狀均不一致，目的是檢測模型的穩(wěn)定性。

圖2  垃圾分類的幾組樣本數(shù)據(jù)

3.2 實(shí)驗(yàn)儀器及其參數(shù)

       以PET和LDPE兩種塑料為例，圖3為這兩種材料預(yù)處理前和預(yù)處理后的光譜曲線，從圖中可知，經(jīng)過預(yù)處理后，兩種材料的區(qū)分度更加顯著。

圖3 PET and LDPE的光譜 (a) 預(yù)處理前,  (b) 預(yù)處理后

3.3 分類結(jié)果

      圖4為利用支持向量機(jī)對經(jīng)預(yù)處理后的圖像進(jìn)行的分類結(jié)果。圖a和圖b的 分類精度分別是 93.01% and 96.65%。圖c和圖d的分類精度是93.52%和96.90%。玻璃瓶的分類效果不理想是因?yàn)槠涞耐该魈匦约扮R面反射的緣故。 

圖4 垃圾分類結(jié)果示意圖

4. 結(jié)果與討論

     利用SWIR-N225E高光譜成像系統(tǒng)掃描不同的垃圾廢料，如塑料，紙張，玻璃和金屬，提出自動分類的步驟。 不同類型的塑料類型，即PET、HDPE、PVC、LDPE、PP、PS，不同類型的紙，即紙和紙板，以及金屬和玻璃等能實(shí)現(xiàn)很好的區(qū)分。本文的研究成果可為建立快速、可靠、能用于工業(yè)化推廣的廢舊混合塑料識別分類對廢舊混合塑料的回收提供技術(shù)支撐。