高光谱成像技术在果蔬品质与安全无损检测中的原理及应用

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1、第３４卷，第１０期２０１４年１０月光谱学与光谱分析ＳｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙａｎｄＳｐｅｃｔｒａｌＡｎａｌｙｓｉｓＶｏｌ．３４，Ｎｏ．１０，ｐｐ２７４３－２７５１Ｏｃｔｏｂｅｒ，２０１４高光谱成像技术在果蔬品质与安全无损检测中的原理及应用张保华１，２，李江波２，樊书祥２，黄文倩２＊，张驰２，王庆艳２，肖广东２１．上海交通大学机械系统与振动国家重点实验室，上海２００２４０２．北京市农林科学院，北京农业智能装备技术研究中心，北京１０００９７摘要水果和蔬菜的品质与安全是消费者最为关心的问题。传统的化学检测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

2、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。高光谱成像技术融合了传统的成像和光谱技术的优点，可以同时获取被检测物体的空间信息和光谱信息，因此该技术既可以像检测物体的外部品质，又可以像光谱技术一样检测物体的内部品质和品质安全。目前，已经有大量的基于高光谱成像技术检测水果和蔬菜品质与安全的研究性论文发表，为了深入了解高光谱成像技术的检测原理并跟踪国内外最新的研究进展，综述了高光谱成像技术在水果和蔬菜外部品质、内部品质和品质安全检测中的原理、发展和应用。另外，还简要介绍和讨论了高光谱成像系统的构成、常用的数据分析方法、发展趋势及面临的挑战。关键词高光谱成像技术；

3、水果；蔬菜；品质；安全；无损检测中图分类号：ＴＰ３９１．４文献标识码：ＡＤＯＩ：１０．３９６４／ｊ．ｉｓｓｎ．１０００－０５９３（２０１４）１０－２７４３－０９像技术和光谱技术的优点［４］，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。目前已经有很多利用高光谱成像技术检测水果和蔬菜品质与安全的研究性论文发表，为了深入了解高光谱成像技术的检测原理并跟踪国内外的最新研究进展，综述了高光谱成像技术在水果和蔬菜外部品质、内部品质和品质安全无损检测方面的基本原理、最

4、新的发展和应用案例；同时，也简要介绍了高光谱成像系统的基本结构和常用的高光谱图像处理分析方法；最后，讨论了高光谱成像技术在水果和蔬菜品质与安全无损检测方面的发展趋势和面临的挑战。引言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［１］，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［２］；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

5、他营养元素的含量［１］，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高光谱成像系统１系统的主要构成图１为一个典型的高光谱成像系统

6、结构示意图，系统主要由面阵相机、分光设备、光源、传输机构、及计算机软硬件等五部分构成。光源是高光谱成像系统的一个重要部分，它为整个成像１．１收稿日期：２０１４－０５－２５，修订日期：２０１４－０７－２６基金项目：国家自然科学基金青年基金项目（３１３０１２３６）和国家科技支撑计划课题（２０１４ＢＡＤ２１Ｂ０１）资助作者简介：张保华，１９８６年生，上海交通大学机械与动力工程学院博士研究生ｅ－ｍａｉｌ：ｚｈａｎｇｂａｏｈｕａ＠ｓｊｔｕ．ｅｄｕ．ｃｎ＊通讯联系人ｅ－ｍａｉｌ：ｈｕａｎｇｗｑ＠ｎｅｒｃｉｔａ．ｏｒｇ．ｃｎ光谱学与光谱分析第３４卷２７４４采集数据，针对特定的应用进

7、行图像和光谱数据的处理与分析，同时还可以为高光谱图像提供存储空间。高光谱图像获取的方式根据高光谱图像采集和形成方式的不同，高光谱图像的获取方式可以分为点扫描、线扫描和面扫描三种方式［５］。三种扫描方式的示意图如图２所示。点扫描方式［图２（ａ）］每次只能获取一个像素点的光谱，为获取高光谱图像频繁的移动光谱相机或检测对象，不利于快速检测，因此点扫描方式常用于微观对象的检测。线扫描方式［图２（ｂ）］每次可以获取扫描线上所有点的光谱，因此该方式特别适合于传送带上方的物体的动态检测，因此该方式是水果和蔬菜品质检测时最为常用的图像获取方式。点扫描和线扫描方式是在