SpectraScan高通(tong)量作物果(guo)實(shi)品質(zhi)檢測方(fang)案(an)

我(wo)國幅員(yuan)遼(liao)闊，自然環境的巨大差(cha)異造就了(le)豐富(fu)的生物(wu)多樣性，不(bu)同地域(yu)生長的經濟(ji)作物(wu)品種繁多(duo)，果(guo)實(shi)五(wu)花八(ba)門，品質(zhi)良(liang)莠(you)不(bu)齊(qi)。而(er)果(guo)實(shi)品質(zhi)的好(hao)壞直接影響膳(shan)食營養(yang)及(ji)食品安全(quan)，與人(ren)類(lei)健康密切(qie)相關，也(ye)是(shi)衡(heng)量作物經濟(ji)效益(yi)的(de)重(zhong)要(yao)因(yin)素(su)。因(yin)此，作(zuo)物(wu)果(guo)實(shi)品質(zhi)的快(kuai)速(su)、批(pi)量分析評價(jia)對(dui)於衡(heng)量作物經濟(ji)效益(yi)，規避(bi)經濟(ji)損失(shi)、優(you)化栽(zai)培品種及(ji)提(ti)升作物(wu)社(she)會(hui)價值(zhi)具有(you)重(zhong)要(yao)意義(yi)。

由(you)易(yi)科泰(tai)公司自主研(yan)發集成的(de)SpectraScan光(guang)譜成像(xiang)技術(shu)作(zuo)為壹(yi)種無(wu)損、快(kuai)速(su)的圖像及光(guang)譜融(rong)合(he)分析技術(shu)，可同時獲取研究對(dui)象的(de)空(kong)間(jian)及(ji)光(guang)譜信(xin)息(xi)，反映物(wu)體的(de)外(wai)部特征(zheng)、表(biao)面(mian)缺(que)陷(xian)、病(bing)斑情(qing)況(kuang)及內部結(jie)構(gou)及化學(xue)成分(fen)，為作(zuo)物(wu)果(guo)實(shi)品質(zhi)快速(su)、無損、高通(tong)量分析檢測提(ti)供(gong)了新思路(lu)。

壹、主要(yao)技(ji)術(shu)特點：

超(chao)高信(xin)噪比(bi)和(he)靈(ling)敏(min)度
專為科研(yan)及商(shang)業應用(yong)領域(yu)設計(ji)，滿(man)足(zu)實(shi)驗(yan)室、野外(wai)、和工業(ye)應用(yong)的(de)嚴(yan)苛要求
全太(tai)陽光(guang)光(guang)譜範(fan)圍(wei)，涵(han)蓋可見光(guang)、近(jin)紅(hong)外(wai)、短波(bo)紅(hong)外(wai)波段(duan)，中(zhong)、長波紅(hong)外(wai)可選
無(wu)縫(feng)兼(jian)容(rong)SpectraScan自動(dong)傳送(song)系(xi)統(tong)，組成多(duo)傳感器監測方(fang)案(an)
自動(dong)化數(shu)據采(cai)集分(fen)析系(xi)統(tong)，可選配(pei)軟(ruan)件及數據分(fen)析服務器

二、系(xi)統(tong)配置：

2.1 全光(guang)譜系(xi)列(lie)高光(guang)譜成像(xiang)儀

可選波(bo)段(duan)：400-1000nm、900-1700nm、1000-2500nm、MWIR、LWIR等(deng)多種型號

具有(you)高分(fen)辨(bian)率(lv)、高成像(xiang)速(su)率(lv)、靈(ling)活(huo)的波(bo)段(duan)選(xuan)擇(ze)和優(you)良(liang)的信(xin)噪比(bi)與(yu)Binning，由(you)光(guang)譜儀(yi)和高速(su)科研(yan)級面(mian)陣(zhen)單色相機組成，可為用(yong)戶(hu)高質(zhi)量、低失真(zhen)的(de)圖像，滿(man)足(zu)了(le)非(fei)常(chang)苛(ke)刻條件下的規格(ge)要求。

圖1 藍莓(mei)成熟(shu)度檢測

圖(tu)2 櫻(ying)桃果(guo)實(shi)表(biao)面(mian)維(wei)C分(fen)布(bu)情(qing)況(kuang)

2.2 SpectraScan室內自動(dong)傳送(song)系(xi)統(tong)

SpectraScan果(guo)實(shi)自動(dong)傳送(song)系(xi)統(tong)壹舉(ju)解(jie)決(jue)了傳(chuan)統(tong)實(shi)驗(yan)室成像(xiang)平臺對(dui)於高光(guang)譜、紅(hong)外(wai)熱(re)成像(xiang)、可見光(guang)、環境因(yin)子(zi)監測等(deng)傳感器同步采(cai)集的(de)難題(ti)，實(shi)現(xian)了多傳(chuan)感器兼(jian)容(rong)、高精(jing)度移動(dong)控制、光(guang)源控(kong)制等(deng)遠程(cheng)無(wu)線(xian)控制功能(neng)。於科研(yan)級實(shi)驗(yan)室遠程控制及多(duo)源數(shu)據采(cai)集應用(yong)。

主要(yao)特點

本(ben)系(xi)統(tong)采(cai)用(yong)模(mo)塊化設計(ji)，可同時搭載(zai)多種光(guang)譜成像(xiang)傳感器
集成高精(jing)度激光(guang)測距(ju)傳(chuan)感器，可壹鍵(jian)獲(huo)取相機與成像(xiang)目(mu)標(biao)的(de)精(jing)確(que)距(ju)離(li)，精(jing)度可達(da)mm級(ji)
具備(bei)無(wu)線(xian)遠程(cheng)控制功能(neng)，GUI軟(ruan)件或遠程協(xie)議控制數據采(cai)集和(he)平臺高精(jing)度移動(dong)
全部(bu)閉環控制，反復運行20萬(wan)次誤(wu)差(cha)控制0.4MM範(fan)圍(wei)內，滿足(zu)科研(yan)級的高精(jing)度需求
友好(hao)的PC端GUI軟件界面(mian)，用(yong)戶(hu)可實(shi)現(xian)遠程操(cao)控相機及平臺
預留(liu)其他傳感器集成方(fang)案，可擴展(zhan)性(xing)強(qiang)，野外(wai)方案(an)可選

2.3 SpectraScan野外(wai)高通(tong)量掃描(miao)系(xi)統(tong)

SpectraScan野外(wai)高通(tong)量掃描(miao)系(xi)統(tong)，專為野外(wai)原位(wei)光(guang)譜成像(xiang)測量設計(ji)研(yan)發，通過(guo)自動(dong)控制平臺擺(bai)掃或(huo)移動(dong)掃描(miao)，搭(da)載不(bu)同傳感器獲取大範(fan)圍(wei)內高光(guang)譜、紅(hong)外(wai)熱(re)成像(xiang)、多光(guang)譜及(ji)RGB數據，進行高通(tong)量作物果(guo)實(shi)產(chan)量評估及病(bing)蟲(chong)害(hai)宏觀(guan)監測。本(ben)系(xi)統(tong)有(you)多(duo)種方(fang)案(an)可供(gong)用(yong)戶(hu)靈活(huo)選配(pei)。

圖3 金銀(yin)木果(guo)實(shi)產(chan)量評估

三(san)、應用(yong)案(an)例(li)

3.1 水果(guo)表(biao)皮甲(jia)醛(quan)檢測：

福爾馬林作為壹(yi)種對(dui)人(ren)體(ti)有(you)害(hai)的生(sheng)物采(cai)樣化學(xue)物質(zhi)，被廣(guang)泛應用(yong)於孟加拉國，作為(wei)魚(yu)類(lei)、水果(guo)、蔬(shu)菜等(deng)食品的防腐(fu)劑(ji)。本(ben)研究使(shi)用(yong)sCOMS相機對不(bu)同新鮮水果(guo)和(he)被(bei)福爾馬林汙染過(guo)的(de)水果(guo)進行光(guang)譜成像(xiang)，通過(guo)K-NN方(fang)法(fa)和(he)SVM方法分析實(shi)驗(yan)數(shu)據，結(jie)果(guo)表(biao)明，兩(liang)種分(fen)類(lei)算法(fa)對福爾馬林汙染水果(guo)的(de)新鮮水果(guo)分(fen)類(lei)正(zheng)確率(lv)均(jun)為(wei)70-94%，其(qi)中(zhong)k-NN對(dui)每個樣本(ben)的正(zheng)確率(lv)均(jun)高於SVM 85%以上(shang)。紅(hong)蘋果(guo)、青(qing)蘋(ping)果(guo)和(he)番(fan)茄(qie)在(zai)k-NN和SVM的(de)分(fen)類(lei)準確率(lv)均(jun)在(zai)90%以上(shang)。基於這種精(jing)度，以光(guang)譜反射率(lv)作(zuo)為(wei)波(bo)長特征(zheng)函(han)數即能(neng)夠(gou)成功(gong)地應用(yong)於果(guo)蔬(shu)新鮮度檢測及(ji)質(zhi)量控制。

3.2 牛油果(guo)品質(zhi)檢測

2016年(nian)，牛(niu)油果(guo)的(de)年(nian)產(chan)量達(da)到(dao)550萬(wan)噸(dun)——由(you)於其膳食價(jia)值(zhi)和(he)健(jian)康益(yi)處(chu)，牛油果(guo)的(de)產(chan)量在(zai)15年內幾乎(hu)翻(fan)了壹(yi)番。牛油果(guo)只(zhi)有(you)自然成熟(shu)後從(cong)樹(shu)上(shang)脫落(luo)下來(lai)，才能(neng)確(que)保其食用(yong)價(jia)值(zhi)才(cai)是(shi)高。但(dan)由(you)於果(guo)農(nong)為(wei)賣(mai)出好(hao)價錢(qian)，往往在(zai)在(zai)采(cai)摘季剛(gang)開始(shi)，果(guo)實(shi)尚未成熟(shu)時期采(cai)摘，從(cong)而(er)影響水果(guo)的(de)食用(yong)品質(zhi)和膳(shan)食價(jia)值(zhi)。另壹(yi)方面(mian)，在(zai)收獲後期(qi)采(cai)摘成熟(shu)過(guo)度的水果(guo)保質(zhi)期較(jiao)短(duan)，也(ye)增(zeng)加了疾病(bing)和紊亂的風(feng)險。由於視覺(jiao)變(bian)化不(bu)明(ming)顯，牛油果(guo)的(de)食用(yong)品質(zhi)和商(shang)業價(jia)值(zhi)難以(yi)預測。然而，SpectraScan果(guo)實(shi)品質(zhi)分析(xi)系(xi)統(tong)即可通過(guo)光(guang)譜曲(qu)線(xian)的變(bian)化，檢(jian)測和(he)預測肉(rou)眼(yan)看(kan)不(bu)到(dao)的(de)變(bian)化，並(bing)建(jian)立(li)預測模(mo)型應用(yong)於水果(guo)及(ji)其(qi)部(bu)位(wei)的缺(que)陷(xian)及皮下斑點檢測。

3.3 櫻(ying)桃甜(tian)度及成熟(shu)度評價(jia)

不(bu)同成熟(shu)階(jie)段(duan)（Stage）下，櫻(ying)桃果(guo)實(shi)表(biao)面(mian)的光(guang)譜反射特征(zheng)不(bu)同，這是(shi)因(yin)為果(guo)實(shi)中(zhong)的(de)SSC（可溶性(xing)固(gu)形(xing)物含量）和pH值(zhi)含量有(you)差(cha)異。通過(guo)以(yi)下光(guang)譜特征(zheng)和(he)SSC、pH含量分布圖，可看出(chu)在(zai)第三(san)階(jie)段(duan)（Stage3）SSC含量及pH含量均(jun)非(fei)常(chang)高，並(bing)且SSC與(yu)pH的(de)比(bi)值(zhi)大。說(shuo)明在(zai)該階(jie)段(duan)櫻(ying)桃達(da)到(dao)*成熟(shu)期(qi)，其(qi)體內可溶性(xing)固(gu)形(xing)物含量達(da)到(dao)峰值(zhi)，且酸(suan)性(xing)急劇(ju)減小(xiao)，櫻(ying)桃甜(tian)度增加(jia)。

SSC和pH各(ge)自特征(zheng)波(bo)段(duan)如(ru)下圖（五(wu)角星）所示(shi)，可通過(guo)該(gai)特征(zheng)波(bo)段(duan)來(lai)評價(jia)櫻(ying)桃可溶性(xing)固(gu)形(xing)物和(he)pH值(zhi)，從(cong)而(er)評(ping)價(jia)果(guo)實(shi)成熟(shu)度及甜(tian)度。