果蔬品质检测：高光谱成像技术解析

一、引言

在现代农业背景下，果蔬品质检测不仅是农业生产的重要环节，更是保障食品安全和消费者健康的关键。随着科技的进步，高光谱成像技术作为一种新型的无损检测技术，正逐渐在果蔬品质检测领域展现出其独特的优势。该技术能够同时获取果蔬的光谱信息和图像信息，从而实现对果蔬内外品质的全面、精准评估。本文将深入探讨高光谱成像技术在果蔬品质检测中的应用，以期为该领域的研究和实践提供有益的参考。

二、高光谱成像技术概述

1. 高光谱成像技术定义

高光谱成像技术是一种结合了光谱学和成像学的先进技术，它能够获取目标物体在不同光谱波段下的图像信息。这些图像信息不仅包含了物体的空间信息，还包含了丰富的光谱信息，有助于更深入地了解物体的内在性质和状态。

2. 高光谱成像技术的工作原理

高光谱成像技术通过高光谱相机捕捉目标物体在不同光谱波段下的反射或透射光，然后将这些光信号转换为数字信号，形成高光谱图像。通过对这些图像的分析和处理，可以提取出与目标物体品质相关的各种信息。

3. 高光谱成像技术与传统成像技术的区别

与传统成像技术相比，高光谱成像技术具有更高的光谱分辨率和更多的波段选择。这意味着它能够获取更丰富的信息，更准确地反映目标物体的真实状态。此外，高光谱成像技术还具有无损、快速、非接触等优点，使得它在果蔬品质检测等领域具有广泛的应用前景。

三、高光谱成像技术在果蔬品质检测中的应用

1. 检测果蔬表面缺陷

果蔬表面缺陷是影响其外观品质和商业价值的重要因素。高光谱成像技术可以通过捕捉果蔬表面的光谱反射信息，准确识别出表面缺陷的位置和类型。例如，在苹果表面瑕疵检测中，利用高光谱成像技术可以清晰地区分出正常果皮与瑕疵部分的差异，为果农和消费者提供准确的品质信息。

2. 评估果蔬内部品质

除了表面缺陷外，果蔬的内部品质也是消费者关注的重点。高光谱成像技术可以穿透果蔬的外皮，获取其内部的光谱信息，从而评估其内部品质。以西瓜成熟度评估为例，通过高光谱成像技术可以分析西瓜内部的光谱特征，判断其成熟度和口感等品质指标。

3. 监测果蔬生长过程

高光谱成像技术还可以应用于果蔬生长过程的监测中。通过定期获取果蔬的高光谱图像，可以分析其生长过程中的营养状况、病虫害发生情况等信息。例如，在番茄生长过程中，利用高光谱成像技术可以实时监测其叶片的光谱变化，判断其是否缺乏某种营养元素或受到病虫害的侵袭。

四、高光谱成像技术在果蔬品质的检测研究

本文应用了400-1000nm的高光谱相机，可采用广东赛斯拜克科技有限公司产品FS13进行相关研究。光谱范围在400-1000nm，波长分辨率优于2.5nm，可达1200个光谱通道。采集速度全谱段可达128FPS，波段选择后最高3300Hz（支持多区域波段选择）。

新鲜度是反映果蔬品质的重要指标。刚采摘的果蔬通常需经过储存、运输，最终到达消费者，该过程将影响其新鲜度品质。一般而言，人们对果蔬新鲜度的主观判断是不准确的。有人利用高光谱成像技术对蔬菜的新鲜度检测进行了探索。分别在失水0、10、24、48小时状态下，利用成像光谱仪采集了小白菜、菠菜、油菜、娃娃菜等四种蔬菜叶片的光谱图像并进行对比分析。其中，小白菜叶片在不同失水时间下的高光谱图像与机器视觉图像的对比分析如下图所示。从中可以看出，随着时间的变化两幅图中的叶片状态均有明显变化，但机器视觉图像只能看出失水状态，而高光谱图像通过分析光谱信息的变化发现，叶片在失水过程中其外观形态及内部叶绿素均有变化，叶绿素相对含量值预测模型的相关系数r=0.76,说明高光谱技术可以有效辨别蔬菜叶片的新鲜度。

腐烂是果蔬在贮藏、运输过程中最常见的一种现象，不仅影响果蔬的内外部品质甚至会导致食品安全问题。对桃子根霉菌进行了深入研究，采用在400-1000 nm波段采集桃子360°全方位的高光谱数据(如下图所示),然后通过统计方法和图像分割算法得到三个单波长图像(709 nm,807 nm和874 nm),可以明显区分出边缘、健全和腐烂部位。实验中将腐烂部位按照尺寸大小分为3级，在对健全部位、轻微腐烂、中等腐烂以及严重腐烂的建模预测中，轻微腐烂的预测准确率为66.29%,其他三个的预测准确率均在95%以上，而对健全和腐烂两种级别的预测准确率

随着生活水平的提高，人们对健康食品的品质要求日益增强。传统的检测方法因操作复杂和破坏性而不适用于现代需求。高光谱成像技术，融合了机器视觉、光谱和图像处理，能准确、快速且无损地检测农产品品质，操作简单，在果蔬品质检测中得到广泛应用。随着技术的不断进步，高光谱成像技术在农产品和食品安全领域的应用前景将更加广阔。