應(yīng)用案例

（無(wú)人機(jī)機(jī)載高光譜成像系統(tǒng)）

2022-05-12

高光譜成像的紅提總酸與硬度的預(yù)測(cè)及其分布可視化

0引言

葡萄是世界四大水果之一，紅提葡萄又名紅地球葡萄，原產(chǎn)于美國(guó)，是美國(guó)加利福尼亞州立大學(xué)研究人員通過(guò)雜交實(shí)驗(yàn)培育而成的一個(gè)葡萄品種，自 1986 年引入我國(guó)以來(lái)，在我國(guó)廣泛種植。紅提因含有較豐富的維生素、礦物質(zhì)、氨基酸等，成為我國(guó)鮮食葡萄的主要品種之一。紅提果實(shí)飽滿，鮮食可口，營(yíng)養(yǎng)價(jià)值高，深受人們的喜愛(ài)。隨著消費(fèi)者購(gòu)買能力的提升，紅提的內(nèi)部品質(zhì)成為決定銷售的決定性因素，直接影響著商品的價(jià)值。

總酸和硬度一直是反映水果成熟度的重要指標(biāo)。總酸是水果的重要品質(zhì)之一，決定了果實(shí)的風(fēng)味，是消費(fèi)者進(jìn)行購(gòu)買時(shí)的重要參考，也是反映水果成熟狀態(tài)的重要指標(biāo)。總酸含量是葡萄品質(zhì)和風(fēng)味形成的關(guān)鍵物質(zhì)，同時(shí)也影響著葡萄酒的結(jié)構(gòu)性和清爽性，此外，葡萄酒中的果香也是由葡萄內(nèi)部的酸在發(fā)酵過(guò)程中參與酯化反應(yīng)而產(chǎn)生。水果的硬度是判斷其成熟狀態(tài)和腐爛程度的一個(gè)重要指標(biāo)，它決定了水果的耐貯性和成熟度，采后紅提果實(shí)質(zhì)地不斷發(fā)生變化，內(nèi)部組織變軟，風(fēng)味變差，特別是在長(zhǎng)距離運(yùn)輸過(guò)程中，擠壓易造成果粒機(jī)械損傷，嚴(yán)重影響紅提的感官性能、品質(zhì)和商品價(jià)值。因此檢測(cè)紅提的總酸和硬度具有重要意義。

1材料與方法

1.1 材料

本文提及的實(shí)驗(yàn)材料均為處于生長(zhǎng)期的紅提果粒樣本。在武漢小宛葡萄園選取 10 棵紅提植株并編號(hào)用來(lái)研究紅提硬度和總酸的變化。由紅提開(kāi)花時(shí)間確定實(shí)驗(yàn)周期為從紅提開(kāi)花后生長(zhǎng)發(fā)育的第61 d 持續(xù)到第 116 d，每隔 5 d 進(jìn)行 1 次采樣，每次采集實(shí)驗(yàn)樣本為 10 串紅提，共采樣 12 次，在每串的上部、中部、下部，各挑選 2 粒（每串共 6 粒紅提）大小相近的完整紅提果粒共 720 個(gè)，各選取360 個(gè)紅提果粒作為紅提總酸和硬度的實(shí)驗(yàn)樣本。為了保證實(shí)驗(yàn)效果，樣本于實(shí)驗(yàn)當(dāng)天采摘，采摘后將紅提樣本進(jìn)行編號(hào)，需將編號(hào)后的樣本立即放入溫度設(shè)置為（22±1）℃，相對(duì)濕度為 65%的恒溫恒濕箱中保存 12 小時(shí)。

1.2 高光譜圖像采集與校正

本實(shí)驗(yàn)中高光譜成像系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)置為：相機(jī)曝光時(shí)間為 0.15 s，平臺(tái)移動(dòng)速度為 1.7 mm/s，移動(dòng)范圍為 0~245 mm，樣本平臺(tái)與鏡頭的距離為 420 mm。高光譜成像系統(tǒng)在實(shí)驗(yàn)前應(yīng)進(jìn)行預(yù)熱，本實(shí)驗(yàn)設(shè)定預(yù)熱時(shí)間為 30 min。受暗電流及 CCD 相機(jī)芯片不穩(wěn)定的影響，高光譜系統(tǒng)采集到的圖像會(huì)帶有一定噪聲，為保證實(shí)驗(yàn)精度還需提取對(duì)高光譜圖像進(jìn)行黑白校正。黑白校正過(guò)程如下：

 ①將標(biāo)準(zhǔn)白板（聚四氟乙烯長(zhǎng)方形白板）放在圖像信息采集平臺(tái)上，獲得白板的圖像信息 IW； 

②蓋上相機(jī)蓋，獲得全黑圖像的圖像信息 ID， 

③將紅提樣本放在采集平臺(tái)上獲得原始高光譜漫反射圖像信息 IR。 

根據(jù)公式（1）得到校正后樣本的圖像信息 R：

1.3 紅提硬度和總酸的測(cè)定

總酸測(cè)定：將通過(guò)擠壓裝置得到的果汁，參照 GB/T 12456-2008《食品中總酸的測(cè)定》方法，計(jì)算總酸的公式如 2 所示：

式中：c 為 Na OH 標(biāo)準(zhǔn)溶液濃度/（mol/L）；V 為樣品滴定時(shí)消耗 Na OH 溶液的體積/m L；V0 為空白試驗(yàn)消耗的 Na OH 溶液體積/m L；K 為換算系數(shù)（紅提中主要為酒石酸，K 取 0.075）；m 為樣品質(zhì)量/g。 

硬度測(cè)定：將進(jìn)行光譜檢測(cè)后的紅提樣品橫向放置在質(zhì)構(gòu)儀的試驗(yàn)臺(tái)上，用 P100/R 探頭，設(shè)置測(cè)前速度為 2.0 mm/s，測(cè)試速度為 1.0 mm/s，測(cè)后速度為 2.0 mm/s，起始力設(shè)置為 0.05 N，壓縮距離為 8.0  mm，對(duì)紅提果粒進(jìn)行橫向壓縮，壓縮部位為紅提的中部位置。在進(jìn)行壓縮時(shí)，隨著位移的增大，果粒受到的壓力顯著增大，當(dāng)壓縮到一定的位置時(shí)，果實(shí)在較大的壓力下會(huì)出現(xiàn)脆斷，壓力迅速減小，試驗(yàn)選取在整個(gè)壓縮過(guò)程中果粒所能承受的壓力作為評(píng)判果實(shí)硬度的指標(biāo)。

2 數(shù)據(jù)處理

2.1 紅提單個(gè)果粒光譜數(shù)據(jù)提取

高光譜的數(shù)據(jù)采集在自制的帶孔載物平板上進(jìn)行，因自制的載物平板上可以同時(shí)放置 15 粒紅提果粒，需要分別對(duì)單粒圖像作為感興趣區(qū)域（Region Of Interest，ROI）進(jìn)行分割，然后提取單粒紅提的光譜信息進(jìn)行研究。在某軟件上對(duì)高光譜圖像進(jìn)行處理，選擇圖像中整粒紅提的圖像作為 ROI，每粒紅提分三種不同的放置模式（果柄側(cè)朝上、果柄側(cè)朝下，橫放）分別采集單粒紅提的三次高光譜信息，平均光譜為上述三種放置模式獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行平均，因之前的研究已經(jīng)表明平均光譜的效果明顯好于其他的放置模式，本研究直接提取感興趣區(qū)域的平均光譜作為原始光譜進(jìn)行分析研究。

分析時(shí)剔除因噪聲、外界光照等因素的影響，本文選取 450  nm~1000  nm（含有 439 個(gè)波長(zhǎng)點(diǎn)）的波長(zhǎng)點(diǎn)進(jìn)行建模。在進(jìn)行感興趣區(qū)域提取時(shí)，由前期的研究結(jié)果可知，背景與紅提果粒區(qū)域的反射率在 726.6 nm 處差值較大，因此選取 726.6 nm 處的灰度圖像進(jìn)行果粒區(qū)域的提取，首先采用 Otsu閾值分割方法獲得二值圖像，然后利用中值濾波和腐蝕運(yùn)算，得到二值圖像并將該二值圖像作為掩膜模板對(duì)灰度圖像進(jìn)行掩膜操作，最后依次將每個(gè)果粒分割出來(lái)，依次提取高光譜圖像中單個(gè)紅提果粒的平均光譜信息。

2.2 光譜數(shù)據(jù)預(yù)處理

因外界環(huán)境、儀器噪聲的影響，使得采集的原始光譜包含較多的無(wú)用信息和噪聲，影響后期模型的建立和穩(wěn)定性。選擇合理的光譜預(yù)處理方法可有效的消除冗余信息，提高模型的穩(wěn)定性和精度，因此，在進(jìn)行建模前進(jìn)行光譜的預(yù)處理是相當(dāng)重要的。本研究建模前*行光譜預(yù)處理，能有效的消除由于儀器噪音、暗電流等因素的影響，通常為了保證模型的準(zhǔn)確性，研究中采用的光譜預(yù)處理方法包括：標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)變量變換（Standard  Normal  Variable  transformation，SNV）、卷積平滑處理法（Savit Zky-Golay，SG）等，并針對(duì)不同的研究指標(biāo)確定一種適合的光譜預(yù)處理方法。

3紅提果粒總酸與硬度的分布

3.1 果粒總酸分布可視化

利用高光譜圖像采集系統(tǒng)，分別采集生長(zhǎng)期紅提果粒的高光譜圖像信息，采集的高光譜原始圖像如圖 1(a)所示，該圖像中包含 15 粒紅提果粒。選取其中的一次高光譜采集圖像，首先分割出每粒紅提的圖像。利 用 Matlab  2017a 編 程 提 取 高 光 譜 圖 像 中 每 一 個(gè) 像 素 點(diǎn) 的 光 譜 信 息 ， 根 據(jù)MSC-CARS-SPA-PLSR 模型計(jì)算出各個(gè)像素點(diǎn)的紅提果粒總酸分布圖，如圖 1(b)所示。圖中藍(lán)色代表總酸的值 0（g/kg），紅色代表總酸的值 3（g/kg），從藍(lán)色到紅色代表總酸逐漸上升。通過(guò)可視化可以清晰的明確紅提總酸的分布規(guī)律，由圖 1(b)可知，1、2、10、11、12、13 號(hào)紅提果粒為深紅色，果實(shí)相對(duì)成熟，通過(guò)總酸的偽彩色圖像可視化分布可知紅色像素點(diǎn)相對(duì)較少，表明總酸的含量較低，3、4、5、6 號(hào)紅提果粒顏色較綠，果實(shí)相對(duì)不成熟，通過(guò)總酸的偽彩色圖像可視化分布可知紅色像素點(diǎn)相對(duì)較多，表明總酸的含量較高，總酸含量較高，表明隨著果粒的逐漸成熟，總酸的含量降低，與實(shí)際的化學(xué)實(shí)驗(yàn)結(jié)果相一致，從而證明了紅提果粒總酸可視化的正確性。對(duì)單個(gè)的果粒進(jìn)行分析，紅提中間位置的總酸含量相對(duì)較高，可能與內(nèi)部的紅提果核有關(guān)，表皮附近的總酸含量相對(duì)較少。

3.2 果粒總酸分布可視化

利用高光譜圖像采集系統(tǒng)，分別采集生長(zhǎng)期紅提果粒的高光譜圖像信息，選取其中的一次高光譜采集圖像，首先分割出每粒紅提的圖像，利用 Matlab 2017a 編程提取高光譜圖像中每一個(gè)像素點(diǎn)的光譜信息，根據(jù) SG-CARS-PLSR 模型計(jì)算出各個(gè)像素點(diǎn)的紅提果粒硬度分布圖，如圖 1(c)所示。圖中藍(lán)色代表硬度的值 5 N，紅色代表硬度的值為 30 N，從藍(lán)色到紅色代表硬度逐漸上升。通過(guò)可視化可以清晰的明確紅提硬度的分布規(guī)律，由圖 1(c)可知，1、2、11、12 號(hào)紅提果粒為深紅色，果實(shí)相對(duì)成熟，通過(guò)硬度的偽彩色圖像可視化分布可知紅色像素點(diǎn)相對(duì)較少，表明硬度的含量較低，3、4、5、9、15 號(hào)紅提果粒顏色較綠，果實(shí)相對(duì)不成熟，通過(guò)硬度的偽彩色圖像可視化分布可知紅色像素點(diǎn)相對(duì)較多，表明硬度的含量較高，硬度較高，6 號(hào)紅提果粒雖然顏色較輕，但果實(shí)較軟，因此的硬度值較低；表明隨著果粒的逐漸成熟，硬度降低，與實(shí)際的化學(xué)實(shí)驗(yàn)結(jié)果相一致，從而證明了紅提果粒硬度可視化的正確性。對(duì)每個(gè)紅提果粒進(jìn)行分析可知，在 6、7、11、12 號(hào)紅提果粒中紅提果柄側(cè)及中間位置的紅色區(qū)域面積相對(duì)果柄另外一側(cè)較多，表明果柄側(cè)及中間位置硬度含量相對(duì)較高，也與實(shí)際情況中果柄側(cè)顏色相對(duì)較青相一致。

（a）高光譜原始圖像

（b）總酸分布可視化圖

（c）硬度分布可視化圖

圖 1  紅提果粒總酸和硬度的分布可視化圖

4 結(jié)論

本文以高光譜成像技術(shù)為主要技術(shù)手段，以生長(zhǎng)期的紅提果粒為研究對(duì)象，采集紅提果粒高光譜信息構(gòu)建了紅提果粒總酸和硬度檢測(cè)模型，通過(guò)比較分析，得到了紅提果粒總酸和硬度的預(yù)測(cè)模型，并通過(guò)偽彩色圖像實(shí)現(xiàn)紅提果粒總酸和硬度的可視化分布。主要結(jié)論如下：

 （1）紅提果粒總酸的模型是通過(guò)二次波段提取的方法，紅提果粒硬度的模型是通過(guò)一次波段提取的方法。 

（2）對(duì)生長(zhǎng)期內(nèi)的紅提果粒進(jìn)行建模分析，深入分析不同檢測(cè)方法對(duì)各指標(biāo)的預(yù)測(cè)優(yōu)劣，得到的預(yù)測(cè)模型：總酸的檢測(cè)模型為 MSC-CARS-SPA-PLSR 模型，其預(yù)測(cè)集相關(guān)系數(shù) Rp 和均方根誤差 RMSEP 分別為 0.9851、1.3482，RPD 為 5.6642；硬度的檢測(cè)模型為 SG-CARS-PLSR模型，其預(yù)測(cè)集相關(guān)系數(shù) Rp 和均方根誤差 RMSEP 分別為 0.9291、7.9354，RPD 為 2.5108。

 （3）分別利用 MSC-CARS-SPA-PLSR、SG-CARS-PLSR 預(yù)測(cè)模型計(jì)算出高光譜圖像中每個(gè)像素點(diǎn)的紅提果粒的總酸和硬度值，結(jié)合偽彩色圖像處理技術(shù)得到可視化分布圖，結(jié)果表明采用高光譜成像技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)紅提果粒總酸和硬度的分布可視化，為直觀監(jiān)測(cè)紅提果粒生長(zhǎng)狀態(tài)及成熟度判別提供可靠的理論依據(jù)。

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萊森光學(xué)-iSpecField系列地物光譜儀主要技術(shù)特點(diǎn)

2 光譜范圍250-1100nm/250-1700nm/250-2500nm，固定全息光柵一次性快速掃描分光

2 2048像素面陣BT-CCD，256/512像元InGaAs，高像素雙路探測(cè)器同步測(cè)量，光譜精度高、分辨率高

2 主機(jī)與工業(yè)級(jí)觸控顯示手柄探頭一體化結(jié)構(gòu)，野外測(cè)量無(wú)需額外電腦，操作靈活

2 最短積分時(shí)間30微秒，測(cè)量動(dòng)態(tài)范圍大，7吋高清觸控顯示遠(yuǎn)程觸發(fā)一鍵測(cè)量

2 內(nèi)置＞800萬(wàn)像素自動(dòng)對(duì)焦攝像頭（相機(jī)）、GPS、激光指示器、內(nèi)置光學(xué)快門控制

2 GPS定位、地物圖像、角度測(cè)量、距離測(cè)量、空氣溫濕度測(cè)量與光譜實(shí)時(shí)對(duì)應(yīng)同步

2 SpecAnalysis專用地物分析軟件，兼容ENVI、TSG、Arcgis等第三方工具軟件，嵌入了USGS數(shù)據(jù)庫(kù)和NDVI等13個(gè)植被指數(shù)

2 豐富測(cè)量光學(xué)配件：標(biāo)準(zhǔn)白板/灰板、葉片透射夾、礦物土壤專用探頭、式光纖探頭、室內(nèi)太陽(yáng)光源、視場(chǎng)角鏡頭、BRDF測(cè)量附件、透反射實(shí)驗(yàn)室支架裝置、遠(yuǎn)程觸發(fā)器等可滿足野外和實(shí)驗(yàn)室測(cè)量需求，可實(shí)現(xiàn)透射反射率、輻照度、輻亮度等測(cè)試

2 大容量電池，續(xù)航時(shí)間4-5小時(shí)，供電電池模塊可拆卸，可配置備用電池模塊，滿足長(zhǎng)時(shí)間野外測(cè)量

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