高光譜成像技術(shù)在桑椹品質(zhì)無損檢測的應(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、貨架期長短以及市場表現(xiàn)等。因此客觀全面的評估水果的品質(zhì)就成了采摘和銷售之前必要的內(nèi)容。隨著計算機(jī)技術(shù)和信息技術(shù)的發(fā)展，高光譜無損檢測技術(shù)變得越來越成熟，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)對其進(jìn)行品質(zhì)檢測的研究還較少。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

外部品質(zhì)是桑椹品質(zhì)優(yōu)良與否的直觀體現(xiàn)，對桑椹的外部品質(zhì)的評價通常是通過對顏色、硬度、紋理、尺寸、形狀以及表面缺陷等指標(biāo)進(jìn)行評估，傳統(tǒng)的評價往往根據(jù)個人經(jīng)驗進(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，使得評價結(jié)果容易出現(xiàn)偏差和錯誤。而高光譜成像技術(shù)則能很好地解決這一問題，并且許多的研究已經(jīng)在不同的水果上展開。http://www.lisenoptics.cn/

通過搜尋資料發(fā)現(xiàn)，應(yīng)用高光譜成像技術(shù)對桑椹外部品質(zhì)的研究尚未開展，但其他水果的研究較多，例如某學(xué)者對兩個品種蘋果表面的的損傷進(jìn)行了研究，結(jié)果表明在波長為1000~1340nm時，高光譜成像技術(shù)可以檢測出兩種蘋果表面的損傷，并且檢測的準(zhǔn)確性分別介于62%~88%和59%~94%之間。該學(xué)者通過高光譜成像技術(shù)對藍(lán)莓的愈傷進(jìn)行了研究，通過采用支持向量機(jī)成功地將愈傷組織和健康組織區(qū)分開來，并且準(zhǔn)確性達(dá)到了90%以上。此外也有研究對水果表面的農(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)對棗類水果蟲害損傷進(jìn)行了研究，通過檢測棗的有損表皮和無損表皮，成功地將兩者區(qū)分開來，區(qū)分總精度達(dá)到了97%以上。

利用高光譜成像對番茄表面的農(nóng)藥殘留進(jìn)行了研究，其通過對噴灑不同濃度農(nóng)藥的番茄進(jìn)行光譜采集，而后通過對圖譜處理和分析，不僅選出了特征波長而且利用特征波長建立的識別模型可以對經(jīng)過不同濃度農(nóng)藥噴灑的番茄表面進(jìn)行了識別，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，直接說明高光譜成像技術(shù)在農(nóng)藥殘留檢測方面具有一定的應(yīng)用性。

除此以外，應(yīng)用高光譜成像技術(shù)對水果的凍傷、腐爛、缺陷等也有相應(yīng)的研究，而且這類檢測精度通常在80%以上，證明了高光譜成像技術(shù)在水果外觀品質(zhì)檢測上的巨大潛力。以上所提的幾種外觀檢測類型，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，對于圖像處理和分割有一定的困難性，但隨著計算機(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)對桑椹外觀品質(zhì)進(jìn)行檢測和研究會逐漸變?yōu)榭赡堋?/p>

2桑椹內(nèi)部品質(zhì)檢測

目前應(yīng)用高光譜成像技術(shù)對桑椹品質(zhì)的研究主要集中在內(nèi)部品質(zhì)的無損檢測上，通常檢測以下幾項內(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，如通過將化學(xué)計量學(xué)方法和高光譜成像技術(shù)進(jìn)行結(jié)合對桑椹中的總可溶性固形物進(jìn)行了研究，采集了310個桑椹的高光譜信息，然后用糖度計對其可溶性固形物進(jìn)行測定，通過相應(yīng)的變量選擇方法得到特征波長，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)。

在對桑椹的內(nèi)部品質(zhì)進(jìn)行無損檢測的研究中，專家學(xué)者對可溶性固形物進(jìn)行了研究，通過不同的變量選擇方法和和建模方法，對桑椹中的可溶性固形物進(jìn)行了預(yù)測，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)對桑椹中的可溶性固形物和pH具有很好的檢測效果。另外還利用高光譜成像系統(tǒng)中的兩種CCD探測器對桑椹中的總花青素含量和抗氧化活性進(jìn)行了快速無損檢測，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，如對草莓、蘋果、桃子水分含量、總的可溶性固形物、硬度等的檢測。通過學(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)無損檢測中廣闊前景。

3總結(jié)與展望

基于高光譜成像技術(shù)對于桑椹品質(zhì)進(jìn)行快速無損檢測，已經(jīng)成為當(dāng)前無損檢測技術(shù)中研究最多的一項技術(shù)，通過此項技術(shù)不僅可以進(jìn)行品質(zhì)的無損檢測，而且還可以用來確定最優(yōu)采摘時機(jī)，指導(dǎo)定價以及分級銷售，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)行對桑椹進(jìn)行無損檢測還存在一些不足：首先是利用高光成像技術(shù)對桑椹品質(zhì)進(jìn)行無損檢測存在檢測指標(biāo)過于單一的問題，未能形成一套全面的無損檢測模型和體系，因此只能對單一指標(biāo)進(jìn)行評價，不能從整體確認(rèn)桑椹品質(zhì)的優(yōu)劣，這也說明全面系統(tǒng)地對桑椹進(jìn)行品質(zhì)檢測是以后研究的熱點方向。

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)的無損檢測，其準(zhǔn)確性較低，造成模型實用性不高，因此對于如何提高模型的準(zhǔn)確性和實用性也是當(dāng)前需要重點研究的內(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)的處理過程中占有重要的地位，有時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、簡單的高光譜成像系統(tǒng)對于實際生產(chǎn)更加實用。以上幾個問題是以后研究的重點內(nèi)容和方向，相信隨著信息技術(shù)的快速發(fā)展和計算機(jī)技術(shù)的日益成熟，會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)無損檢測上具有較大的發(fā)展?jié)摿Γ嘈挪痪玫膶頃蔀橐环N重要的無損檢測手段。

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審核編輯：湯梓紅