高光谱成像仪在蔬菜品质与安全无损检测中的应用

随着人们生活水平的不断提高，蔬菜的品质和安全性得到了全社会持续不断的高度关注。传统化学方法是一种费时费力的破坏性检测方法，不利于品质和安全性的快速无损检测。随着成像和光谱技术的快速发展，高光谱成像仪已经广泛应用于农产品品质与安全的快速无损检测中，是农产品品质与安全检测科学有效的工具。本文介绍了高光谱成像仪在蔬菜品质与安全无损检测中的应用，感兴趣的朋友可以了解一下！

蔬菜品质与安全检测的重要性：

水果和蔬菜是生活中不可或缺的食物，它们可以提供人类所需的维生素、纤维素、无机盐和各种微量元素。水果和蔬菜的品质与安全一直是社会关注的热点问题。水果和蔬菜的外部品质主要根据它们的颜色、纹理、尺寸、形状和表面的缺陷进行评估，外部品质是它们最直观的品质特征，直接影响它们的市场价格和消费者的购买欲望；内部品质主要取决于它们的糖度、酸度、硬度、可溶性固形物含量、淀粉含量、水分和成熟度及其他营养元素的含量，内部品质是它们的价值的体现；品质安全主要通过对动物粪便等外来物污染、各种病害、品质劣变、细菌感染和农药残留进行检测评估，它关系到消费者的饮食安全和健康，是水果和蔬菜最为重要的品质特征。

目前水果和蔬菜的品质与安全主要是通过传统的化学方法进行检测的，化学方法是一种费时费力的破坏性检测技术。随着成像和光谱技术的快速发展，高光谱成像技术已经广泛应用于农产品品质与安全的快速无损检测中，大量的成功案例也已经证明了高光谱成像技术是食品和农产品品质与安全检测的科学有效工具。高光谱成像技术融合了传统的成像技术和光谱技术的优点，获取的高光谱图像具有“图谱合一”的特点，即同时含有图像信息和光谱信息。图像信息可以用来检测水果和蔬菜的外部品质，而光谱信息则可以用来检测它们的内部品质和安全性。

高光谱成像仪在蔬菜品质与安全无损检测中的应用：

高光谱成像仪融合了传统的成像技术和光谱技术的优点，既可以像传统的成像技术一样获取被检测物体的空间信息，又可以像光谱技术一样获取光谱信息。其在蔬菜品质与安全无损检测中的应用主要体现在以下两个方面：

1.用于蔬菜外部品质检测

外部品质是蔬菜最重要的感官品质，是蔬菜品质最直接的反映。蔬菜的外部品质主要通过其颜色、纹理、尺寸、形状和表面缺陷进行评估。目前传统的机器视觉技术已经实现了上述外观品质特征的自动检测，但是对于大部分特征不明显的缺陷，例如损伤、腐烂、冻伤等，缺陷区域的颜色、纹理等信息和正常区域处的高度相似，基于RGB彩色相机的传统机器视觉无能为力。高光谱成像技术的多波长图像优点弥补了传统成像技术的缺点，近年来被越来越多的应用于农产品表面缺陷的检测中。

腐烂是水果和蔬菜在存储、运输过程中的最严重的常见缺陷。腐烂不仅影响水果蔬菜的美观，还会使它们的内部品质发生变化，甚至导致食品安全问题。对于青霉菌引起的柑橘腐烂，传统的检测方法是在紫外光源的照射下人工完成。

研究者试图通过搭建高光谱成像系统和各种线性非线性分类方法找到腐烂柑橘的自动检测方法。他们利用相关分析、互信息、逐步分析和基于线性判别分析的遗传算法挑选了适合检测的特征波长。然后基于分类回归树（CART）和线性判别分析（LDA）等像素分类方法实现了腐烂区域在特征波长图像上的分割。试验结果表明利用搭建的高光谱机器视觉平台和特征波长图像能够检测青霉菌引起的腐烂。

2.用于蔬菜内部品质的检测

内部品质是水果和蔬菜的营养价值的衡量依据。一般来讲，内部品质主要通过检测水果和蔬菜的糖度、酸度、硬度、可溶性固形物含量、淀粉含量、水分和成熟度等指标进行评估。传统的检测方法是通过物理化学等破坏性的检测手段进行测量，传统方法费时费力，且只适合同批次农产品的抽检。高光谱成像技术可以实现农产品的化学成像，这也使水果和蔬菜的内部品质快速无损检测成为可能。

可溶性固形物含量（SSC）是指水果和蔬菜中所有溶解于水的化合物的总称，包括糖、酸、维生素、矿物质等。利用高光谱成像技术无损检测水果和蔬菜中可溶性固形物含量是近年来内部品质检测的研究热点。研究人员利用高光谱成像系统采集苹果的高光谱图像，然后通过测量苹果的吸收系数和约化散射系数来预测苹果的硬度和可溶性固形物含量。研究发现苹果的吸收系数和约化散射系数与硬度和SSC含量都相关，其中吸收系数与硬度和SSC含量的相关性较高。可溶性固形物含量预测的相关系数为0.864，该研究表明高光谱成像技术是测量水果光学特性的一种有效手段，可用于水果内部品质的无损检测。

3.用于蔬菜品质安全的检测

食品安全关系到消费者的饮食安全和健康，因此得到全社会持续性的高度关注。同内部品质检测一样，食品安全的检测目前仍是以传统的化学方法为主。品质安全主要通过检测水果和蔬菜的动物粪便等外来物污染、各种病害、品质劣变、细菌感染和农药残留等指标进行评估。大量的成功应用案例证明了高光谱成像技术在水果和蔬菜品质安全检测方面的可行性和有效性，高光谱成像技术作为一种新的科学有效的检测工具在未来食品安全检测中也将扮演更加重要的角色。

动物粪便往往含有各种病菌、细菌，被动物粪便污染的水果和蔬菜对人类的健康是一种潜在的威胁。因此及时检出并清洗或剔除被粪便等污染物污染的水果蔬菜是有必要的。研究人员通过搭建了一个高光谱反射和荧光成像系统用于在线检测苹果的缺陷和粪便污染。利用所搭建的线扫描高光谱成像系统结合商业的苹果分选生产线能以每秒钟三个以上的速度在线检测苹果的粪便污染和缺陷。实验结果表明，利用荧光成像系统和简单的波长比算法可以获得 100%的检测正确率。蔬菜中的粪便污染物会引起人类患上食源性传染疾病。为了快速自动地检测菠菜叶表面的粪便污染，研究人员搭建了线扫描高光谱荧光成像系统，并利用主成份分析（PCA）实现了菠菜表面粪便污染区域的提取。实验结果表明利用所搭建的高光谱成像系统可以实现菠菜叶表面粪便污染的检测。

高光谱成像仪融合了传统的成像技术和光谱技术的优点，所产生的图像是一个“图谱合一”的三维数据立方体，高光谱图像的多波长特点弥补了传统成像技术的弱点。大量的成功应用案例已经证明了高光谱成像技术是果蔬外部品质、内部品质和品质安全检测的科学有效工具。

高光谱成像仪在蔬菜品质与安全无损检测面临的挑战：

由于受高光谱图像获取和处理速度的影响，目前高光谱成像技术主要用于农产品品质与安全无损检测的基础性研究，挑选出相关应用的特征波长后搭建多光谱检测平台实现快速在线检测，直接利用高光谱成像技术在线或实时的检测应用则较为少见。为了实现果蔬品质与安全的快速无损检测，高光谱成像技术还面临着以下几个挑战。

首先是高光谱相机较为昂贵，这增加了商业化在线检测与分选生产线的研发成本，不利于高光谱成像技术在水果和蔬菜品质与安全检测中的推广和应用；

其次是高光谱图像数据获取时间和分析处理时间较长，不利于高光谱成像系统的在线或实时检测果蔬的品质和安全；

第三是高光谱图像存在较大的数据冗余，针对不同果蔬、不同品质和安全的检测应用，适合检测任务的特征波长不同，为了减少高光谱数据的获取和处理时间消耗，常常需要针对特定的应用挑选特征波长。

尽管如此，随着计算机技术和信息技术的发展，高光谱成像技术作为一种科学有效的无损检测工具将在食品和农产品质量与安全检测方面发挥更大的作用。