基於高光譜成像技術的水果損傷與農藥殘留檢測研究

基於高光譜成像技術的水果損傷與農藥殘留檢測研究

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shuiguodesunshangjishuiguobiaomiannongyaodecanliudengbujinhuizaochengguoshudefulan，erqiehuiyanzhongyingxiangxiaofeizhedeshentijiankang。yincishuiguosunshangyunongyaocanliudekuaisuyouxiaojianceshifeichangyoushijijiazhide。suiranshuiguodesunshang、農nong業ye殘can留liu區qu域yu和he正zheng常chang區qu域yu在zai外wai部bu特te征zheng上shang呈cheng現xian出chu極ji大da的de相xiang似si性xing，但dan是shi損sun傷shang區qu域yu和he農nong藥yao殘can留liu部bu位wei發fa生sheng一yi定ding的de變bian化hua
，這zhe種zhong變bian化hua可ke以yi通tong過guo特te定ding波bo長chang下xia的de光guang譜pu表biao現xian出chu來lai。

gaoguangputuxiangjishujieheleguangpufenxihetuxiangchulidejishuyoushi，duiyanjiuduixiangdeneiwaibupinzhitezhengjinxingjiancefenxi
，zhaojiewendengliyonggaoguangputuxiangjishujianceshuiguoqingweisunshang，zhunquelvwei88.57 %；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麵損傷、蘋果的表麵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麵殘留的農藥
；胡淑芬等運用激光技術對水果表麵農藥殘留進行了試驗研究；薛龍等針對水果表麵農藥殘留，以滴有較高濃度的臍橙為研究對象，利用光譜範圍425-725 nm的(de)高(gao)光(guang)譜(pu)圖(tu)像(xiang)係(xi)統(tong)進(jin)行(xing)檢(jian)測(ce)，發(fa)現(xian)對(dui)較(jiao)高(gao)濃(nong)度(du)的(de)農(nong)藥(yao)殘(can)留(liu)檢(jian)測(ce)效(xiao)果(guo)較(jiao)好(hao)。本(ben)文(wen)采(cai)用(yong)高(gao)光(guang)譜(pu)圖(tu)像(xiang)技(ji)術(shu)檢(jian)測(ce)不(bu)同(tong)水(shui)果(guo)的(de)損(sun)傷(shang)區(qu)域(yu)和(he)農(nong)藥(yao)殘(can)留(liu)區(qu)域(yu)，以(yi)實(shi)現(xian)損(sun)傷(shang)區(qu)域(yu)和(he)農(nong)藥(yao)殘(can)留(liu)區(qu)域(yu)共(gong)同(tong)識(shi)別(bie)的(de)目(mu)的(de)。

2.1  實驗材料

本ben研yan究jiu以yi蘋ping果guo和he貢gong梨li為wei研yan究jiu對dui象xiang
，分fen析xi蘋ping果guo的de腐fu爛lan區qu域yu和he農nong藥yao殘can留liu區qu域yu
，同tong時shi分fen析xi貢gong梨li的de損sun傷shang區qu域yu。其qi中zhong貢gong梨li的de損sun傷shang區qu域yu由you人ren工gong模mo擬ni形xing成cheng，蘋ping果guo的de腐fu爛lan區qu域yu是shi天tian然ran形xing成cheng的de，農nong藥yao人ren工gong塗tu在zai蘋ping果guo上shang。

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高光譜分選儀係統。該係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 高光譜分選儀係統參數

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、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，並求取這200個像元的反射率均值，如圖2所(suo)示(shi)，其(qi)中(zhong)，紅(hong)色(se)代(dai)表(biao)蘋(ping)果(guo)的(de)腐(fu)爛(lan)區(qu)域(yu)光(guang)譜(pu)區(qu)域(yu)的(de)光(guang)譜(pu)反(fan)射(she)率(lv)
，藍(lan)色(se)代(dai)表(biao)正(zheng)常(chang)區(qu)域(yu)的(de)光(guang)譜(pu)反(fan)射(she)率(lv)，綠(lv)色(se)代(dai)表(biao)農(nong)藥(yao)殘(can)留(liu)區(qu)域(yu)的(de)光(guang)譜(pu)反(fan)射(she)率(lv)。從(cong)圖(tu)中(zhong)可(ke)知(zhi)，在(zai)400-100 nm範圍內
，農藥殘留區域的光譜反射率最大，其次是正常區域，最後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處有一吸收穀

，在650-680 nm區間有一陡坡，由於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，並求取這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範圍內，損傷區域的光譜反射率高於正常區域。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處有一吸收穀，在650-680 nm區間有一陡坡，由於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，其他波段範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醃膜
，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軟件中的最大似然法，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  討論

    高光譜成像技術應用於水果表麵損傷
、農藥殘留已體現出其“圖譜合一”的(de)優(you)越(yue)性(xing)。水(shui)果(guo)輕(qing)微(wei)損(sun)傷(shang)和(he)農(nong)藥(yao)的(de)微(wei)量(liang)殘(can)留(liu)往(wang)往(wang)發(fa)生(sheng)在(zai)表(biao)皮(pi)之(zhi)下(xia)
，和(he)正(zheng)常(chang)區(qu)域(yu)的(de)顏(yan)色(se)相(xiang)差(cha)不(bu)大(da)，肉(rou)眼(yan)難(nan)以(yi)識(shi)別(bie)。隨(sui)著(zhe)時(shi)間(jian)的(de)推(tui)移(yi)，損(sun)傷(shang)區(qu)域(yu)會(hui)逐(zhu)漸(jian)褐(he)變(bian)
，最(zui)後(hou)導(dao)致(zhi)整(zheng)個(ge)水(shui)果(guo)腐(fu)爛(lan)
，甚(shen)至(zhi)影(ying)響(xiang)其(qi)他(ta)果(guo)實(shi)，而(er)少(shao)量(liang)的(de)農(nong)藥(yao)則(ze)會(hui)滲(shen)透(tou)進(jin)入(ru)果(guo)實(shi)中(zhong)，消(xiao)費(fei)者(zhe)吃(chi)了(le)會(hui)導(dao)致(zhi)中(zhong)毒(du)。本(ben)研(yan)究(jiu)結(jie)果(guo)表(biao)明(ming)，運(yun)用(yong)高(gao)光(guang)譜(pu)成(cheng)像(xiang)技(ji)術(shu)
，運(yun)用(yong)主(zhu)成(cheng)分(fen)分(fen)析(xi)
、醃膜等方法等，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。