基于高光譜成像技術的水果損傷與農藥殘留檢測研究

基于高光譜成像技術的水果損傷與農藥殘留檢測研究

                                           ——四川雙利合譜科技有限公司

一、 基于高光譜成像技術的水果損傷與農藥殘留檢測研究-引言

隨著人們生活水平的提高，消費者越來越關注果蔬的品質安全問題。如水果的損傷及水果表面農藥的殘留等不僅會造成果蔬的腐爛，而且會嚴重影響消費者的身體健康。因此水果損傷與農藥殘留的快速有效檢測是非常有實際價值的。雖然水果的損傷、農業殘留區域和正常區域在外部特征上呈現出極大的相似性，但是損傷區域和農藥殘留部位發生一定的變化，這種變化可以通過特定波長下的光譜表現出來。

高光譜圖像技術結合了光譜分析和圖像處理的技術優勢，對研究對象的內外部品質特征進行檢測分析，趙杰文等利用高光譜圖像技術檢測水果輕微損傷，準確率為88.57 %；Jasper G .Tallada等分別應用高光譜圖像技術對不同成熟度的草莓表面損傷、蘋果的表面缺陷及芒果的成熟度檢測進行了試驗研究。王玉田等運用熒光光譜檢測出水果表面殘留的農藥；胡淑芬等運用激光技術對水果表面農藥殘留進行了試驗研究；薛龍等針對水果表面農藥殘留，以滴有較高濃度的臍橙為研究對象，利用光譜范圍425-725 nm的高光譜圖像系統進行檢測，發現對較高濃度的農藥殘留檢測效果較好。本文采用高光譜圖像技術檢測不同水果的損傷區域和農藥殘留區域，以實現損傷區域和農藥殘留區域共同識別的目的。

二、 基于高光譜成像技術的水果損傷與農藥殘留檢測研究-試驗材料與方法

2.1  實驗材料

本研究以蘋果和貢梨為研究對象，分析蘋果的腐爛區域和農藥殘留區域，同時分析貢梨的損傷區域。其中貢梨的損傷區域由人工模擬形成，蘋果的腐爛區域是天然形成的，農藥人工涂在蘋果上。

2.2  實驗設備

高光譜成像數據采集采用四川雙利合譜科技有限公司的 GaiaSorter高光譜分選儀系統。該系統主要由高光譜成像儀(V10E)、CCD 相機、光源、暗箱、計算機組成，結構圖與實景圖如圖1。實驗儀器參數設置如表1。

表1   GaiaSorter 高光譜分選儀系統參數

圖 1  GaiaSorter 高光譜分選儀結構圖與實景圖

2.3  圖像處理分析

采用SpecView和ENVI/IDL對高光譜數據的預處理及分析，預處理中的鏡像變換、黑白幀校準在SpecView中進行；其他數據的分析在ENVI/IDL中進行。

三、基于高光譜成像技術的水果損傷與農藥殘留檢測研究-結果與討論

3.1  蘋果腐爛區域、農藥殘留區域和正常區域的光譜分析

    取蘋果腐爛區域、農藥殘留區域與正常區域各200個像元，分別獲取這200個像元的光譜反射率，并求取這200個像元的反射率均值，如圖2所示，其中，紅色代表蘋果的腐爛區域光譜區域的光譜反射率，藍色代表正常區域的光譜反射率，綠色代表農藥殘留區域的光譜反射率。從圖中可知，在400-100 nm范圍內，農藥殘留區域的光譜反射率*大，其次是正常區域，*后是腐爛區域的光譜反射率。研究發現這三個區域在610 nm處有一峰值，在650 nm處有一吸收谷，在650-680 nm區間有一陡坡，由于三個區域均有以上特征，所以可以認為這也是蘋果特有的特征位置。

圖2  蘋果腐爛區域、農藥殘留區域與正常區域的光譜反射率

3.2  貢梨損傷區域和正常區域的光譜分析

取貢梨損傷區域與正常區域各200個像元，分別獲取這200個像元的光譜反射率，并求取這200個像元的反射率均值，如圖3所示，其中，紅色代表紅色的損傷區域光譜區域的光譜反射率，綠色代表正常區域的光譜反射率。從圖中可知，在400-100 nm范圍內，損傷區域的光譜反射率高于正常區域。從光譜曲線變化可知，這兩個區域在540 nm處有一峰值，在650 nm處有一吸收谷，在650-680 nm區間有一陡坡，由于2個區域均有以上特征，所以可以認為這也是蘋果特有的特征位置。比較圖1和圖2可知，除峰值位置不同，其他波段范圍蘋果與貢梨的光譜曲線變化規律相似。

圖3  貢梨損傷區域與正常區域的光譜反射率

3.3  蘋果腐爛區域、農藥殘留區域的提取

對經過鏡像變換、黑白幀校準的高光譜圖像，根據蘋果與背景區域的光譜差異，利用ENVI/IDL軟件的波段運算建立腌膜，獲取純蘋果圖像，對蘋果圖像做主成分分析，根據獲取的主成分圖像，選取能較好區分腐爛區域、農藥殘留區域和正常區域的主成分圖像（PC2），通過閾值分割的方法分別獲取蘋果腐爛區域和農藥殘留區域，如圖4所示。大的部分為腐爛區域，小的為農藥殘留區域。   

圖 4 蘋果腐爛區域與農業殘留區域提取流程圖

3.4  貢梨損傷區域的提取

對經過鏡像變換、黑白幀校準的高光譜圖像，根據貢梨與背景區域的光譜差異，利用ENVI/IDL軟件中的*大似然法，獲取純貢梨圖像，對貢梨的圖像做主成分分析，根據獲取的主成分圖像，選取能較好區分貢梨損傷區域、和正常區域的主成分圖像（PC5），通過閾值分割的方法獲取貢梨的損傷區域，如圖5所示。

圖 5 貢梨損傷區域提取流程圖

3.5  基于高光譜成像技術的水果損傷與農藥殘留檢測研究-討論

    高光譜成像技術應用于水果表面損傷、農藥殘留已體現出其“圖譜合一”的優越性。水果輕微損傷和農藥的微量殘留往往發生在表皮之下，和正常區域的顏色相差不大，肉眼難以識別。隨著時間的推移，損傷區域會逐漸褐變，*后導致整個水果腐爛，甚至影響其他果實，而少量的農藥則會滲透進入果實中，消費者吃了會導致中毒。本研究結果表明，運用高光譜成像技術，運用主成分分析、腌膜等方法等，可以有效地提取水果損傷與農藥殘留區域，從而達到快速檢測的目的。