高光譜成像技術(shù)在桑椹品質(zhì)無(wú)損檢測(cè)的應(yīng)用

0引言

水果品質(zhì)的好壞，通常是由其內(nèi)外品質(zhì)共同決定的。內(nèi)外品質(zhì)也決定著桑椹的成熟度、貨架期長(zhǎng)短以及市場(chǎng)表現(xiàn)等。因此客觀全面的評(píng)估水果的品質(zhì)就成了采摘和銷售之前必要的內(nèi)容。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和信息技術(shù)的發(fā)展，高光譜無(wú)損檢測(cè)技術(shù)變得越來(lái)越成熟，以往破壞性的傳統(tǒng)化學(xué)方法也正在被高光譜成像技術(shù)逐漸所取代。桑椹作為一種比較“小眾化”的水果，由于易發(fā)生軟化腐爛，因此應(yīng)用高光譜技術(shù)對(duì)其進(jìn)行品質(zhì)檢測(cè)的研究還較少。但為了更好的了解高光譜在桑椹品質(zhì)檢測(cè)中的研究方向，本部分將介紹高光譜在桑椹和其他水果的上的應(yīng)用，為桑椹以后的研究提供參考方向。

1桑椹外部品質(zhì)檢測(cè)

外部品質(zhì)是桑椹品質(zhì)優(yōu)良與否的直觀體現(xiàn)，對(duì)桑椹的外部品質(zhì)的評(píng)價(jià)通常是通過(guò)對(duì)顏色、硬度、紋理、尺寸、形狀以及表面缺陷等指標(biāo)進(jìn)行評(píng)估，傳統(tǒng)的評(píng)價(jià)往往根據(jù)個(gè)人經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行，因此主觀性較強(qiáng)，且不同品種的水果具有不同的外觀特性，使得評(píng)價(jià)結(jié)果容易出現(xiàn)偏差和錯(cuò)誤。而高光譜成像技術(shù)則能很好地解決這一問(wèn)題，并且許多的研究已經(jīng)在不同的水果上展開。http://www.lisenoptics.cn/

通過(guò)搜尋資料發(fā)現(xiàn)，應(yīng)用高光譜成像技術(shù)對(duì)桑椹外部品質(zhì)的研究尚未開展，但其他水果的研究較多，例如某學(xué)者對(duì)兩個(gè)品種蘋果表面的的損傷進(jìn)行了研究，結(jié)果表明在波長(zhǎng)為1000~1340nm時(shí)，高光譜成像技術(shù)可以檢測(cè)出兩種蘋果表面的損傷，并且檢測(cè)的準(zhǔn)確性分別介于62%~88%和59%~94%之間。該學(xué)者通過(guò)高光譜成像技術(shù)對(duì)藍(lán)莓的愈傷進(jìn)行了研究，通過(guò)采用支持向量機(jī)成功地將愈傷組織和健康組織區(qū)分開來(lái)，并且準(zhǔn)確性達(dá)到了90%以上。此外也有研究對(duì)水果表面的農(nóng)藥殘留和蟲害進(jìn)行了研究，利用反射高光譜成像系統(tǒng)對(duì)棗類水果蟲害損傷進(jìn)行了研究，通過(guò)檢測(cè)棗的有損表皮和無(wú)損表皮，成功地將兩者區(qū)分開來(lái)，區(qū)分總精度達(dá)到了97%以上。

利用高光譜成像對(duì)番茄表面的農(nóng)藥殘留進(jìn)行了研究，其通過(guò)對(duì)噴灑不同濃度農(nóng)藥的番茄進(jìn)行光譜采集，而后通過(guò)對(duì)圖譜處理和分析，不僅選出了特征波長(zhǎng)而且利用特征波長(zhǎng)建立的識(shí)別模型可以對(duì)經(jīng)過(guò)不同濃度農(nóng)藥噴灑的番茄表面進(jìn)行了識(shí)別，結(jié)果展示高濃度的的農(nóng)藥殘留檢出率為100%，而低濃度檢出率為0，直接說(shuō)明高光譜成像技術(shù)在農(nóng)藥殘留檢測(cè)方面具有一定的應(yīng)用性。

除此以外，應(yīng)用高光譜成像技術(shù)對(duì)水果的凍傷、腐爛、缺陷等也有相應(yīng)的研究，而且這類檢測(cè)精度通常在80%以上，證明了高光譜成像技術(shù)在水果外觀品質(zhì)檢測(cè)上的巨大潛力。以上所提的幾種外觀檢測(cè)類型，在桑椹上的研究還較少，可能的原因是，桑椹體積小且表面凹凸不平，對(duì)于圖像處理和分割有一定的困難性，但隨著計(jì)算機(jī)信息技術(shù)的進(jìn)步和圖像處理技術(shù)的發(fā)展，應(yīng)用高光譜成像技術(shù)對(duì)桑椹外觀品質(zhì)進(jìn)行檢測(cè)和研究會(huì)逐漸變?yōu)榭赡堋?/p>

2桑椹內(nèi)部品質(zhì)檢測(cè)

目前應(yīng)用高光譜成像技術(shù)對(duì)桑椹品質(zhì)的研究主要集中在內(nèi)部品質(zhì)的無(wú)損檢測(cè)上，通常檢測(cè)以下幾項(xiàng)內(nèi)容：可溶性固形物、水分含量、酸度、干物質(zhì)含量、可滴定酸等。目前在桑椹中可溶性固形物的研究較多，如通過(guò)將化學(xué)計(jì)量學(xué)方法和高光譜成像技術(shù)進(jìn)行結(jié)合對(duì)桑椹中的總可溶性固形物進(jìn)行了研究，采集了310個(gè)桑椹的高光譜信息，然后用糖度計(jì)對(duì)其可溶性固形物進(jìn)行測(cè)定，通過(guò)相應(yīng)的變量選擇方法得到特征波長(zhǎng)，最后應(yīng)用偏最小二乘法和支持向量機(jī)兩種建模方法對(duì)樣品中的可溶性固形物進(jìn)行了研究，成功地將其分布進(jìn)行了可視化呈現(xiàn)。

在對(duì)桑椹的內(nèi)部品質(zhì)進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)的研究中，專家學(xué)者對(duì)可溶性固形物進(jìn)行了研究，通過(guò)不同的變量選擇方法和和建模方法，對(duì)桑椹中的可溶性固形物進(jìn)行了預(yù)測(cè)，綜合比較選出了最優(yōu)組合，相關(guān)系數(shù)達(dá)到了0.700；除此以外我們還對(duì)pH進(jìn)行了研究，其相關(guān)系數(shù)達(dá)到了0.900，結(jié)果顯示高光譜有成像技術(shù)對(duì)桑椹中的可溶性固形物和pH具有很好的檢測(cè)效果。另外還利用高光譜成像系統(tǒng)中的兩種CCD探測(cè)器對(duì)桑椹中的總花青素含量和抗氧化活性進(jìn)行了快速無(wú)損檢測(cè)，相關(guān)的系數(shù)也分別達(dá)到了0.959和0.995。由于當(dāng)前桑椹的研究還較少，桑椹的許多內(nèi)部品質(zhì)指標(biāo)尚未應(yīng)用高光譜成像技術(shù)進(jìn)行研究，而在其他水果中已經(jīng)進(jìn)行許多相關(guān)內(nèi)部指標(biāo)的檢測(cè)，如對(duì)草莓、蘋果、桃子水分含量、總的可溶性固形物、硬度等的檢測(cè)。通過(guò)學(xué)習(xí)和借鑒高光譜成像技術(shù)在其他水果內(nèi)部品質(zhì)中的應(yīng)用，可以為以后桑椹的研究奠定基礎(chǔ)和研究方向，另外從這些研究中可以看出高光譜成像技術(shù)在桑椹品質(zhì)無(wú)損檢測(cè)中廣闊前景。

3總結(jié)與展望

基于高光譜成像技術(shù)對(duì)于桑椹品質(zhì)進(jìn)行快速無(wú)損檢測(cè)，已經(jīng)成為當(dāng)前無(wú)損檢測(cè)技術(shù)中研究最多的一項(xiàng)技術(shù)，通過(guò)此項(xiàng)技術(shù)不僅可以進(jìn)行品質(zhì)的無(wú)損檢測(cè)，而且還可以用來(lái)確定最優(yōu)采摘時(shí)機(jī)，指導(dǎo)定價(jià)以及分級(jí)銷售，從而提高桑椹的經(jīng)濟(jì)效益。但應(yīng)用高光譜成像技術(shù)進(jìn)行對(duì)桑椹進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)還存在一些不足：首先是利用高光成像技術(shù)對(duì)桑椹品質(zhì)進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)存在檢測(cè)指標(biāo)過(guò)于單一的問(wèn)題，未能形成一套全面的無(wú)損檢測(cè)模型和體系，因此只能對(duì)單一指標(biāo)進(jìn)行評(píng)價(jià)，不能從整體確認(rèn)桑椹品質(zhì)的優(yōu)劣，這也說(shuō)明全面系統(tǒng)地對(duì)桑椹進(jìn)行品質(zhì)檢測(cè)是以后研究的熱點(diǎn)方向。

其次是利用高光譜成像技術(shù)進(jìn)行的某些品質(zhì)指標(biāo)的無(wú)損檢測(cè)，其準(zhǔn)確性較低，造成模型實(shí)用性不高，因此對(duì)于如何提高模型的準(zhǔn)確性和實(shí)用性也是當(dāng)前需要重點(diǎn)研究的內(nèi)容。再次是當(dāng)前的一些光譜預(yù)處理方法，數(shù)據(jù)挖掘方法、圖像處理方法以及建模方法不夠豐富，雖然相應(yīng)的化學(xué)計(jì)量學(xué)方法已有十幾種，但由于高光譜圖像所具有的高維度性、冗余性以及圖譜合一性，使得數(shù)學(xué)算法在光譜數(shù)據(jù)的處理過(guò)程中占有重要的地位，有時(shí)甚至決定著模型的復(fù)雜度和準(zhǔn)確性，因此開發(fā)盡量多的新數(shù)學(xué)算法，對(duì)于推廣和應(yīng)用高光譜成像技術(shù)具有重要意義。

最后是高光譜設(shè)備采集信息較為緩慢，且高光譜成像儀價(jià)格昂貴，不利于大范圍的推廣和應(yīng)用，因此開發(fā)輕便、快速、簡(jiǎn)單的高光譜成像系統(tǒng)對(duì)于實(shí)際生產(chǎn)更加實(shí)用。以上幾個(gè)問(wèn)題是以后研究的重點(diǎn)內(nèi)容和方向，相信隨著信息技術(shù)的快速發(fā)展和計(jì)算機(jī)技術(shù)的日益成熟，會(huì)極大地提高高光譜成像技術(shù)的適用性。因此高光譜成像技術(shù)在桑椹等農(nóng)產(chǎn)品的品質(zhì)無(wú)損檢測(cè)上具有較大的發(fā)展?jié)摿?，相信不久的將?lái)會(huì)成為一種重要的無(wú)損檢測(cè)手段。

萊森光學(xué)（深圳）有限公司是一家提供光機(jī)電一體化集成解決方案的高科技公司，我們專注于光譜傳感和光電應(yīng)用系統(tǒng)的研發(fā)、生產(chǎn)和銷售。

審核編輯：湯梓紅