秦勤

摘 要：目前，農(nóng)產(chǎn)品檢測手段日趨多樣化，新技術(shù)和新方式逐漸引入，其中近年來高光譜技術(shù)和輔助的計算機技術(shù)的發(fā)展速度逐漸增加，高光譜技術(shù)越來越成為農(nóng)產(chǎn)品檢測的核心技術(shù)手段。高光譜成像結(jié)合了圖像分析和光譜分析，圖像信息可以代表農(nóng)產(chǎn)品的外在品質(zhì)和特征。光譜信息可用于檢測農(nóng)產(chǎn)品的內(nèi)部質(zhì)量，可以充分反映農(nóng)產(chǎn)品的內(nèi)外質(zhì)量信息，還可以保證檢測快速、便捷以及準確。

關(guān)鍵詞：高光譜 成像技術(shù) 農(nóng)產(chǎn)品檢測 應(yīng)用

中圖分類號：S123 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2019）04（a）-0155-02

農(nóng)產(chǎn)品是一個國家最重要的產(chǎn)品之一，對于居民生活也是必不可少的。農(nóng)產(chǎn)品的安全與放心對于每個居民來說都至關(guān)重要。目前我國食品安全的檢測手段還停留在較為初級的階段，這些手段準確性較差，較為依靠經(jīng)驗，沒有使用現(xiàn)今的科學(xué)手段所以導(dǎo)致檢驗效果不佳。例如，市場上測定蔬菜的農(nóng)殘，需要對蔬菜進行預(yù)處理，且結(jié)果不穩(wěn)定。近年來，隨著農(nóng)業(yè)科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，高光譜成像技術(shù)已成為農(nóng)產(chǎn)品無損檢測的重要手段，成為一種新興的快速無損檢測方法。通過使用此類無損快速檢測技術(shù)，可以有效地檢測農(nóng)產(chǎn)品及其它食品是否達到食品安全標準，也可以有效補充食品安全監(jiān)管部門現(xiàn)有的快速檢測技術(shù)中的短板。

1 高光譜成像技術(shù)的原理及系統(tǒng)

高光譜成像技術(shù)結(jié)合了光學(xué)、電子、圖像處理和計算機科學(xué)的技術(shù)。利用高光譜技術(shù)可以在保證農(nóng)產(chǎn)品完好的前提下對農(nóng)產(chǎn)品進行充分的檢測。光譜數(shù)據(jù)可用于分析農(nóng)產(chǎn)品的內(nèi)部含量，例如糖含量、酸度、水含量和可溶性固體（SSC）含量。對于水果和蔬菜產(chǎn)品，主要指標是物理性質(zhì)，如形狀和大小、顏色、硬度、缺陷和污染物以及化學(xué)性質(zhì)，如糖含量、酸度、水分和SSC；對于谷物產(chǎn)品，如玉米、大米、小麥等，主要測試其化學(xué)性質(zhì)，如水、淀粉和蛋白質(zhì)；對于肉制品，主要測試其柔軟性和化學(xué)性質(zhì)，如水分和蛋白質(zhì)。

1.1 高光譜成像原理

高光譜成像技術(shù)是一種先進的技術(shù)，它結(jié)合了二維成像技術(shù)和光譜分析技術(shù)，利用多種窄帶電磁波光譜技術(shù)，通過成像獲取物體特征的相關(guān)參數(shù)。它可以在電磁波的紫外、可見、近紅外和紅外區(qū)域獲得一系列非常窄且光譜連續(xù)的圖像數(shù)據(jù)。每個像素包含數(shù)十到數(shù)百個窄帶光譜信息，從而產(chǎn)生連續(xù)和完整的光譜曲線高光譜數(shù)據(jù)可以提取輻射信息，如反射率、吸光度和透射率，可以進一步分析樣品的物理和化學(xué)成分。

1.2 高光譜成像系統(tǒng)

根據(jù)CCD攝像機與光源的位置關(guān)系，高光譜圖像采集方法分為三種：反射、透射和漫透射；根據(jù)高光譜圖像采集的不同方法，高光譜圖像采集方法可分為三種類型：表面掃描、線掃描和點掃描。

在整個高光譜成像技術(shù)中，光譜儀和CCD相機是較為重要的組成部分。光譜儀是一種光學(xué)傳感器，可捕獲大量連續(xù)的窄帶光譜圖像數(shù)據(jù)，允許每個像素具有連續(xù)的光譜數(shù)據(jù)。CCD相機是遙感相機，其使用電荷耦合器件作為光傳感器和光電轉(zhuǎn)換器，并且可以將從物體表面反射或透射的光信號轉(zhuǎn)換為電信號。光源為成像系統(tǒng)提供照明。對于光源來說，近紅外光譜吸收表現(xiàn)最好，因此常用近紅外光譜。

1.3 系統(tǒng)校準和圖像校正

由于圖像采集過程中傳感器的差異和非線性，光源的差異和A/D轉(zhuǎn)換器的靈敏度不足等。需要系統(tǒng)校準以獲得高質(zhì)量的高光譜圖像。高光譜圖像校正包括圖像處理期間的增益、暗電流偏移、可變積分時間等。在圖像校準中，通過對比校準參考圖像與原始圖像，以獲得完整的高光譜圖像。

1.4 圖像數(shù)據(jù)處理方法

高光譜圖像具有高分辨率、多頻帶和冗余信息的特性，因此數(shù)據(jù)處理困難。因此需要對數(shù)據(jù)進行分類，根據(jù)不同種類的數(shù)據(jù)，科學(xué)地選擇合適的處理方法。在高光譜圖像數(shù)據(jù)的處理中，有三個階段：光譜預(yù)處理，數(shù)據(jù)維數(shù)減少和模型建立。高光譜圖像初始質(zhì)量較低，因此必須對圖像進行處理，以提升其質(zhì)量，獲得較為清晰的高光譜圖像，方便后續(xù)的分析。因為高光譜圖像數(shù)據(jù)具有許多維度和大量數(shù)據(jù)，所以必須降低光譜數(shù)據(jù)的維數(shù)。常用的方法有很多種，其中主成分分析（PCA）和獨立成分分析（ICA）較為常見，是分析中的較好選擇。在高光譜數(shù)據(jù)尺寸減小后提取特征帶，并使用特征帶建立數(shù)學(xué)模型。在數(shù)學(xué)模型的建立過程中，采取最小二乘法等方法可以有效地對數(shù)據(jù)進行分析，加強數(shù)據(jù)的有用性，提高信息質(zhì)量。它結(jié)合了三種方法的優(yōu)點，利用回歸分析、主成分分析等數(shù)學(xué)方法進行比較計算，加強了模型的嚴謹性，提高了實驗精度，對數(shù)據(jù)質(zhì)量進行了保證。

1.5 高光譜成像技術(shù)優(yōu)勢

高光譜成像技術(shù)相對于其他的成像技術(shù)的獨特優(yōu)勢是將圖像技術(shù)和光譜信息結(jié)合起來，用“三維數(shù)據(jù)塊”來形象的描述。圖像信息是用來描述該產(chǎn)品的外部特征，比如大小、形狀等外部特征，比如橙子顏色、大小、農(nóng)藥殘留量等相關(guān)屬性。光譜信息原理就是利用不同特征所吸收的光譜不同，所以也能反應(yīng)產(chǎn)品內(nèi)部特征，比如橙子物理特征和化學(xué)成分的差異，是否成熟和變質(zhì)，與其他的橙子存在什么區(qū)別等。這樣就可以將這些肉眼難以發(fā)現(xiàn)的表征，通過高光譜成像技術(shù)直觀的表達出來，進而快速有效的判斷產(chǎn)品質(zhì)量的好與壞，農(nóng)產(chǎn)品的安全與否。

2 高光譜技術(shù)的具體應(yīng)用

高光譜成像技術(shù)也越來越廣泛地應(yīng)用于農(nóng)產(chǎn)品的無損檢測領(lǐng)域。國內(nèi)外研究人員在水果、蔬菜、肉類、谷物等農(nóng)產(chǎn)品無損檢測的質(zhì)量和安全性方面取得了一系列成果。它為廣泛使用農(nóng)產(chǎn)品無損檢測奠定了堅實的基礎(chǔ)。

水果和蔬菜的內(nèi)部質(zhì)量檢測水果和蔬菜內(nèi)部質(zhì)量的無損檢測研究主要是糖含量等指標，國內(nèi)和國外學(xué)者針對此進行了大量研究，總結(jié)了一套合適有用的方法，適應(yīng)大多數(shù)檢驗檢測。果糖含量是水果的一個重要指標，它與水果品質(zhì)的好壞息息相關(guān)，但不損害農(nóng)作物而測試果糖含量較為困難，因此采用高光譜成像方法，對果糖濃度進行測算，這種方法既可以滿足準確度的要求，又不會對農(nóng)作物造成損害，可以保證商品的繼續(xù)流通。著名學(xué)者馬本學(xué)等人利用高光譜成像系統(tǒng)獲得了檀香糖的漫反射光譜圖像，并選擇了500～820nm作為有效波段。通過PLS、SMLR和PCR分別建立皮膚和去皮的哈密瓜糖測試模型。結(jié)果表明，利用PLS方法檢測剝皮哈密瓜的含糖量是可行的，SMLR最適合檢測剝皮哈密瓜的含糖量、校正集與預(yù)測集之間的相關(guān)系數(shù)。RMSEC分別為0.928、0.818和0.458、0.7270，郭俊賢等并進行了蘋果分級和糖預(yù)測研究。根據(jù)文獻所記載的利用高光譜成像方法檢測農(nóng)產(chǎn)品果糖含量的數(shù)學(xué)模型，加以對比計算，得出結(jié)果。研究了同時檢測蘋果表面損傷和糖含量的可行性。首先，對蘋果的第一差分分量圖像和794nm圖像的帶差分圖像進行去噪和劃分，分別為0.93和0.92。通過上述實驗，證明了利用高光譜檢驗，對農(nóng)作物實現(xiàn)無損檢驗的方法可行度很高，并且質(zhì)量較高，使用便利，數(shù)據(jù)準確，優(yōu)于傳統(tǒng)方法，適合推廣使用作為常用的農(nóng)作物檢驗方法。

3 結(jié)語

高光譜圖像將圖像信息與光譜信息相結(jié)合，分析農(nóng)產(chǎn)品的外部質(zhì)量和農(nóng)產(chǎn)品的內(nèi)部質(zhì)量。它有著檢測過程快、成本低，對農(nóng)作物無損傷的優(yōu)點，同傳統(tǒng)方法相比，應(yīng)用前景更廣，值得更進一步的推廣。在我國對于蘋果果糖的實驗中，其也通過了測試，表現(xiàn)出比傳統(tǒng)方式更加方便快捷的特征，提供了信息質(zhì)量更高的檢測結(jié)果，并且該結(jié)果也可以運用于其他農(nóng)作物的檢測之中。它取得的良好的效果，極大地促進了快速檢測技術(shù)的發(fā)展，也有助于解決目前食品安全的難題。

參考文獻

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