【行业应用】可见光-近红外高光谱成像技术快速助力监测冬枣成熟度

试验中使用的冬枣样本来自中国陕西大荔县的一个商业果园。由经验丰富的种植者根据果实的外观、质地和风味挑选出没有任何碰伤、病虫害或缺陷的中熟和成熟果实。所有样品都用聚乙烯袋包装，并用冰箱和冰袋运送到山东农业大学采后工程实验室（泰安）。擦拭后的果实在室温（温度：18± 0.5°C，湿度：90%）下贮藏在可膨胀聚苯乙烯泡沫塑料箱中。从2020年采收的400个中熟冬枣和400个成熟冬枣作为建立预测模型的校准群体，从2021年采收的200个样本作为外部验证群体（每个成熟阶段 100个）。这些样品被随机分为四组，每两天取出一组（n=100）进行光谱和SSC测量。

本研究中使用的高光谱成像系统由江苏科技有限公司生产。该系统由一台高光谱光谱仪（GaiaField-V10E）、一个成像镜头（HSIA-OL23）、一套200W 卤素光源（HSIA-LS-T-200W）、一块标准白色板（HSIA-CT-150×150）、一个三脚架和一台装有高光谱数据采集软件的专用计算机（SpecView）组成。高光谱仪的光谱范围为400~1000nm，光谱分辨率为2.8nm，入射狭缝宽度为30μm。成像镜头为CCD摄像机，分辨率为1394 × 1040像素。

在扫描每个样品之前，高光谱成像系统应开启并预热约30分钟，以获得稳定的光环境。为了捕捉清晰而不失真图像，相机曝光时间定为0.12秒，成像距离设定为距离样品27.6厘米。为消除暗电流和光照不均对图像的影响，使用黑白参考图像对原始图像进行校正。白色参考图像是通过扫描聚四氟乙烯板获得的，黑暗参考图像是通过用不透明的盖子盖住镜头获得的。从校正后的高光谱图像中选择整个冬枣作为一个感兴趣区（ROI）。

高光谱图像采集完成后，立即使用数字折射仪（PAL-1）测量冬枣的SSC值。用不锈钢水果刀将冬枣切成块，放入手动榨汁机（B-115 6 YZQ001）中榨汁。然后用 1 毫米的筛子过滤，将果汁滴入折射仪的棱镜板上，在液晶显示屏上显示出SSC值。每颗冬枣测量三次，取三次测量的平均值作为SSC参考值。

在本研究中，采用SPXY方法将2020年采收的400个中熟和 400个成熟冬枣样本按3:1的比例进行分割，每个成熟度水平产生 300个校准集样本和100个交叉验证集样本。此外，来自2021年收成的100个中熟冬枣样本和100个成熟冬枣样本构成外部验证集。

将图像中每个像素的反射率作为自变量代入校准模型 SPA-SVR，根据保质期创建中熟冬枣和成熟冬枣的预测图像，以直观显示 SSC的空间分布（图2）。SSC（Y）与有效波长光谱反射率（X）之间的线性方程定义如下:

如图2所示，根据色标，颜色从蓝色到红色不等，SSC值越高，红色越浓。总体而言，与中熟红枣相比，成熟红枣的预测SSC值更高，红色像素更多。从图2a中可以看出，在0d时，中熟冬枣的预测图像在中心区域显示为浅黄色，SSC值约为 20%，在边缘区域显示为青色，SSC值约为14%。随着保质期的延长，中心区域的黄色逐渐向边缘扩散。4d时，中心区域出现红色，此时SSC约为 25%，边缘区域的青色被黄色取代。6d时，中心区域的红色像素减少，表明 SSC下降。在图2b中，0d成熟果实的中心区域为红色，此时 SSC约为28%，SSC从内向外逐渐变小。2d和4d时，中心区域仍以红色为主，没有太大变化。6d时，中心区域以黄色为主，表明SSC有所减少。SSC的总体趋势与参考值的变化一致。绘图结果表明，在不同的货架期，每种水果的SSC都有显著的空间变化，这有助于通过可视化进行无损分级。

为了直观地显示和解释光谱数据以及任何可能的样本关系，对冬枣进行了主成分分析（PCA）。图3a是中熟冬枣在货架期的 PCA 散点图，从中可以看出，前两个主成分（PC）解释了98% 的信息（PC1=86 %，PC2=12%）。据观察，随着保质期的延长，样品之间的分离更加明显。保存0天、2天和4天的样品之间有一些重叠，但保存6天的冬枣则完全分开。3b显示了成熟冬枣在保质期内的 PCA散点图。前两个PC占变异的98%，PC1的Z大变异率为79%，其次是PC2，解释了总变异率的 19%。冬枣样品之间在保质期内存在明显的聚类现象，只有存放2d和4d的样品之间有少量重叠。因此，有必要建立一个有监督的模型来分析保质期。

为了准确确定保质期，根据SPA选择的有效波长建立了LIBSVM分类模型。图4显示了确定保质期模型的交叉验证结果。8个保存2d的中熟样品被误判为保存0d，1个保存4d的中熟样品被误判为保存0d。至于成熟冬枣，共有6个样本被错误识别，其中大部分发生在保质期的2至4d之间，总准确率为94%。此外，LIBSVM 模型在外部验证集上也取得了良好的货架期分析性能（图5），对中熟和成熟样品的准确率分别为89%和91%。总之，LIBSVM 模型在确定冬枣保质期方面的表现令人满意。

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图4

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图5