高光譜相機(jī)對(duì)芒果內(nèi)部品質(zhì)的檢測(cè)應(yīng)用

芒果作為一種世界性的水果之一，其品質(zhì)的好壞直接關(guān)系到市場(chǎng)需求和消費(fèi)者的滿(mǎn)意度。而芒果外表看似完整無(wú)損，但可能在內(nèi)部存在一些問(wèn)題，如腐爛、軟化、空心、脆性等，這些問(wèn)題如果沒(méi)有得到及時(shí)發(fā)現(xiàn)，可能會(huì)對(duì)芒果銷(xiāo)售造成不良影響。因此，芒果內(nèi)部品質(zhì)的快速檢測(cè)顯得十分重要。而基于高光譜技術(shù)的芒果內(nèi)部品質(zhì)檢測(cè)是近年來(lái)備受矚目的一種有效方法。

近年來(lái)我國(guó)芒果總產(chǎn)量保持穩(wěn)步增長(zhǎng)的態(tài)勢(shì)，從2005年的74.15萬(wàn)噸增長(zhǎng)至2014年的143.66萬(wàn)噸，同時(shí)我國(guó)已成為世界芒果收獲面積第二大國(guó)家我國(guó)芒果生產(chǎn)情況如圖1所示（數(shù)據(jù)源于網(wǎng)絡(luò)）。

從芒果產(chǎn)量和種植收獲面積來(lái)看，中國(guó)已然成為了一個(gè)芒果生產(chǎn)大國(guó)，但這并不說(shuō)明中國(guó)就是一個(gè)芒果生產(chǎn)強(qiáng)國(guó)。在實(shí)際發(fā)展中，我國(guó)芒果產(chǎn)業(yè)存在著諸如產(chǎn)業(yè)化和商品化程度低、標(biāo)準(zhǔn)化水平不足和采后處理水平不高等問(wèn)題。據(jù)了解，目前我國(guó)大部分地區(qū)的芒果在采收后只是通過(guò)簡(jiǎn)單的人工分級(jí)(如圖2所示)就直接進(jìn)入市場(chǎng)進(jìn)行銷(xiāo)售，這樣低效率且品質(zhì)分級(jí)不精準(zhǔn)的產(chǎn)后分級(jí)處理方式極大地制約了芒果產(chǎn)業(yè)的商品化和產(chǎn)業(yè)化。

高光譜技術(shù)是一種實(shí)現(xiàn)光譜成像的技術(shù)手段，可以對(duì)物體進(jìn)行全光譜掃描，獲取不同波長(zhǎng)的光譜信息。在芒果品質(zhì)檢測(cè)中，高光譜技術(shù)可以通過(guò)對(duì)芒果光譜數(shù)據(jù)的分析，結(jié)合化學(xué)計(jì)量分析和模式識(shí)別方法，對(duì)芒果的內(nèi)部品質(zhì)進(jìn)行有效的檢測(cè)和評(píng)估。由于高光譜技術(shù)可以快速獲取物體表面信息，同時(shí)避免了傳統(tǒng)檢測(cè)方法中存在的繁瑣、時(shí)間長(zhǎng)等問(wèn)題，因此被廣泛應(yīng)用于芒果內(nèi)部品質(zhì)檢測(cè)中。

圖2

本研究應(yīng)用了400-1000nm的高光譜相機(jī)，可采用杭州彩譜科技有限公司產(chǎn)品FS13進(jìn)行相關(guān)研究。光譜范圍在400-1000nm，波長(zhǎng)分辨率優(yōu)于2.5nm，可達(dá)1200個(gè)光譜通道。采集速度全譜段可達(dá)128FPS，波段選擇后最高3300Hz（支持多區(qū)域波段選擇）。

圖4

本文選取芒果品種當(dāng)中市面上最常見(jiàn)的"臺(tái)農(nóng)一號(hào)"作為實(shí)驗(yàn)樣品(圖5可見(jiàn))。"臺(tái)農(nóng)一號(hào)"是芒果市場(chǎng)上需求**，也是民間最廣為人知的品種，其主要分布區(qū)域在廣西、廣東、海南、華南地區(qū)。選擇外表無(wú)明顯缺陷和損傷的“臺(tái)農(nóng)一號(hào)”芒果一共45個(gè)，其中隨機(jī)挑選30個(gè)作為校正集樣品，15個(gè)為驗(yàn)證集樣品，將它們分別編號(hào)后置于5攝氏度的冰箱中貯藏。研究應(yīng)盡量縮短芒果從采摘到檢測(cè)中間的時(shí)間以保證檢測(cè)數(shù)據(jù)的科學(xué)性和準(zhǔn)確性，同時(shí)在試驗(yàn)前要保證芒果樣品溫度與周?chē)h(huán)境溫度一致，避免因溫度不同而造成最終模型的誤差。

圖5

在進(jìn)行試驗(yàn)前將芒果從冷藏柜放置于室內(nèi)至溫度與室溫相同，用半濕潤(rùn)的細(xì)膩毛巾擦拭芒果表皮，擦去表面的泥土，以免表皮污垢對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)造成影響。選取芒果果體赤道部位正反中心兩個(gè)點(diǎn)作為光譜儀器檢測(cè)部位，按照順序?qū)γ⒐M(jìn)行標(biāo)號(hào)，注意要在光譜儀檢測(cè)部位外不影響實(shí)驗(yàn)的果皮上標(biāo)上進(jìn)行標(biāo)號(hào)，1號(hào)樣品正面標(biāo)上A1,反面標(biāo)上B1,2號(hào)樣品正面標(biāo)上A2,反面標(biāo)上B2,以此類(lèi)推如圖6所示。

圖6

通過(guò)光譜儀對(duì)芒果進(jìn)行近紅外光譜數(shù)據(jù)測(cè)定后，以縱列為樣品編號(hào)，行列為每個(gè)樣品在不同波長(zhǎng)所對(duì)應(yīng)的漫反射率的值，將光譜數(shù)據(jù)保存至Excel表格內(nèi)，方便后期對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行導(dǎo)入和處理。由于光譜儀器在檢測(cè)時(shí)本身容易產(chǎn)生噪聲影響光譜圖像，在前端和尾端波長(zhǎng)范圍內(nèi)產(chǎn)生了一些震蕩性較大的噪聲，把這些無(wú)效的波段去除之后，截取520～770nm波長(zhǎng)范圍內(nèi)的光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。在檢測(cè)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)有3個(gè)存在明顯檢測(cè)異常的樣品，將這3個(gè)異常樣品剔除后得到芒果校正樣品集29個(gè)，光譜數(shù)據(jù)58組；芒果驗(yàn)證樣品集13個(gè)，光譜數(shù)據(jù)26組。將校正樣品集光譜數(shù)據(jù)導(dǎo)入專(zhuān)業(yè)光譜數(shù)據(jù)分析軟件內(nèi)得到光譜數(shù)據(jù)原始圖像如圖7所示，其中橫坐標(biāo)為波長(zhǎng)數(shù)，縱坐標(biāo)為漫反射率。

圖7

高光譜技術(shù)對(duì)芒果的檢測(cè)主要應(yīng)用于兩個(gè)方面：首先是對(duì)芒果內(nèi)部空心的檢測(cè)。芒果內(nèi)部的空心現(xiàn)象會(huì)導(dǎo)致芒果口感不好、膨脹變形等問(wèn)題，往往在外表看不出有明顯異常。而利用高光譜技術(shù)，可以通過(guò)分析芒果的各種光譜信息，獲取芒果內(nèi)部空心的情況，進(jìn)而進(jìn)行針對(duì)性的處理。其次是對(duì)芒果內(nèi)部腐爛和軟化部位的檢測(cè)。腐爛和軟化是影響貯存期和口感的主要因素，因此檢測(cè)并且快速處理這些問(wèn)題對(duì)芒果生產(chǎn)至關(guān)重要。高光譜技術(shù)可以通過(guò)對(duì)芒果各部位的光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，快速準(zhǔn)確的判斷芒果內(nèi)部腐爛和軟化的情況，從而指導(dǎo)產(chǎn)品的貯存、運(yùn)輸和銷(xiāo)售。

總體看來(lái)，基于高光譜技術(shù)的芒果內(nèi)部品質(zhì)檢測(cè)已經(jīng)獲得了較為廣泛的應(yīng)用，它打破了傳統(tǒng)破壞性檢測(cè)方法的局限性，不僅可以提高檢測(cè)速度、準(zhǔn)確性和有利性，同時(shí)可以降低芒果生產(chǎn)的成本，并且減少了對(duì)芒果的污染和損害。未來(lái)，該技術(shù)還會(huì)得到不斷的改進(jìn)和提高，成為芒果生產(chǎn)和銷(xiāo)售中不可或缺的技術(shù)手段。