高光谱在水果无损检测的研究进展
摘要：水果早期病虫害、内部机械性损伤、蛋白质含量、含水率以及品种识别和遗传育种等现代农业检测需求日益繁多，以蓝莓为例，蓝莓学名越橘,深蓝色浆果,原产于美国,国内主要分布于东北和西南地区。蓝莓因富含花青素、维生素,具有极高的营养保健价值,成为深受人们喜爱的水果之一。但蓝莓采摘后因运输损伤、碰撞等易染病害,影响蓝莓品质，对蓝莓的早期病害、内部机械损伤等检测是蓝莓采后分选的一个重要环节。为了能够快速、无损地检测水果的各项品质指标,采用近红外光谱高光谱对水果进行检测。本文着重以蓝莓检测为例对国内外高光谱应用于水果无损检测方面的研究成果和进展进行分析探究，提出利用高光谱成像技术检测的优势所在和发展前景，为后续发展探索提供参考。
关键词：近红外高光谱成像；水果；无损检测；蓝莓
1 引言
品质问题在各行各业中都是举足轻重的，在食品行业更是如此。水果品质检测例如水果早期病虫害或水果表面农药残留等不仅干系到果农的经济收益还与人们购买和食用水果的安全问题密切相关。再言之，水果中富含很多人体所需营养成分，是人们生活中必不可少的营养来源，例如蓝莓，蓝莓果实酸甜适宜，风味比较独特，并且营养价值丰富，主要的保健作用有: (1)降低胆固醇，预防心脑管疾病的发生;(2)抵抗并铲除自由基，预防癌症。此外蓝莓还能够用于治疗腹泻和由于VC的缺少而导致的坏血病等。因此水果的品质检测对其生产至关重要，传统的检测技术通常为理化分析检测或人工肉眼检测。前者检测时间长,且具有破坏性。后者检测效率低、误差大。这两者都难以满足水果在线检测的要求。破坏性及低效的标准检测方法,使研究水果无损检测技术实现水果的在线实时分拣、提高水果行业自动化水平和生产效益刻不容缓，近几年利用高光谱成像技术对食品进行无损检测的研究快速发展，具有很好的研究意义。
高光谱成像技术，其作为一种新型的光谱测量方法,比传统的光谱测量技术有着显著的优势,可同时获取被测试样的光谱信息及空间信息,且测量数据包含的信息量庞大,能更加准确地反映被测试样的整体性质。高光谱成像技术结合有效的化学计量学方法,可以对试样进行快速、无损分析,而且有利于深入研究试样，高光谱成像技术也具有同时获取高分辨率图像和光谱信息的特点,因此近年来在无损检测领域得到较广泛的应用。其中,高光谱反射成像技术由于系统架构较为简单,应用也最为广泛。但由于其结构的复杂性以及对其测量机理研究的匮乏,在各个领域的应用都很少。
针对这一问题, 本文系统地介绍近红外高光谱成像系统的测量原理、方式、数据结构及数据处理方法,并通过介绍该项技术在水果检测尤其是蓝莓各项指标检测中的应用实例,对其应用特点、范围及发展现状进行综述。
2 高光谱的发展
1983年，世界上第一台成像光谱仪AIS-1在美国研制成功，并在矿物填图、植被生化特征等方面取得了成功，显示出了高光谱遥感的魅力在此后，许多国家都先后研制航空成像光谱仪。如今美国已经研制了三代高光谱成像光谱仪，经过20世纪80年代与90年代的发展，一系列高光谱成像系统在国际上被研制成功并在航天航空平台上获得了广泛应用。到20世纪90年代后，在高光谱遥感应用上一系列重要的技术问题，如高光谱成像信息的定标，定量问题，以及成像光谱图像信息可视化及多维表达问题，图像与光谱的变换和光谱信息的提取、大量数据信息的处理、光谱的匹配和光谱的识别、分类等问题得到了基本解决之后，高光谱遥感一方面将由实验研究阶段逐步转向实际应用阶段，并且技术发展方面由以航空系统为主开始转向于航空和航天高光谱分辨率遥感系统相结合的阶段。至今为止国际上已有许多种航空成像光谱仪处于运行状态，在实验研究以及信息的商业化方面发挥着重要作用。同时基于高光谱成像在近外光谱区域检测食品糖度，病害及农药残留等应用也被众多研究学者带入大众视野。
上世纪80年代初、中期，在国家科技攻关项目和863计划的支持下，我国亦开展了高光谱成像技术的独立发展计划。我国高光谱仪的发展，经历了从多波段到成像光谱扫描，从光学机械扫描到面阵推扫的发展过程。根据我国的使用情况先后开发出了满足海洋环境监测和森林探火的需求的以红外和紫外波段以及以中波和长波红外为主体的航空专用扫描仪，在此以后我国又自行研制了更为先进的推帚式成像光谱仪(PHI) 和实用型模块化成像光谱仪(OMIS)等并得到国内外的多次应用，这些新的成像光谱系统不仅在地质和固体地球领域研究中发挥巨大的作用，在生物地球化学效应、农作物和植被的精细分类、城市地物甚至建筑材料的分类和识别方面也都有很好的结果。新的高光谱成像仪由中科院长春精密机械与物理研究所以及上海技术物理研究所共同研制的，是目前我国空间分辨率和光谱综合指标最高的空间光谱成像设备，在空间分辨率、波段范围，数目以及地物分类等方面达到国际同类遥感器先进水平。
新时期计算机及光谱技术得到快速发展，高光谱成像技术以其自身准确性、实用性在各个行业广泛应用，成为农产品检测重要方式之一。高光谱图像是样品在一系列光波波长下的光学图像，波长包括从紫外到近红外及波长更长的区域，能够得到既多且窄的光谱波段，拥有极高的光谱分辨率。高光谱图像既包含图像信息也包含光谱信息，图像信息反映样本品质特征，如大小、形状等，光谱信息反映样本内部的物理结构和化学成分信息，可有效应用于物质检测。高光谱成像分析技术具有测定速率快、样品前处理简单及测定时不需任何化学试剂等优势，已经被广泛应用于食品的分析和检验。
高光谱成像集成了两种流行的技术，即光谱学和计算机视觉，以显示光谱和图像同时提供食品信息。如此丰富信息技术为各种信息的应用提供了广阔的平台，化学计量学算法和多元数据分析揭示食品的质量和安全参数。此外，这个平台可以通过引入不同的方法来拓宽光谱剖面，即近红外光谱、拉曼光谱和荧光光谱，且初步证实了该方法在食品安全方面的有效性。高光谱技术是一种很有前途的技术，应该扩展到食品安全领域并发挥更大的作用[1]。
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