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利用高光譜成像技術(shù)對水果農(nóng)藥殘留檢測研究

2017-08-10 12:11:55 來源：

基于高光譜成像技術(shù)的水果農(nóng)藥殘留檢測研究
——四川雙利合譜科技有限公司
一、引言
隨著人們生活水平的提高，消費(fèi)者越來越關(guān)注果蔬的品質(zhì)安全問題。如水果表面農(nóng)藥的殘留等不僅會造成果蔬的腐爛，而且會嚴(yán)重影響消費(fèi)者的身體健康。因此農(nóng)藥殘留的快速有效檢測是非常有實(shí)際價(jià)值的。雖然水果的農(nóng)業(yè)殘留區(qū)域和正常區(qū)域在外部特征上呈現(xiàn)出*的相似性，但是農(nóng)藥殘留部位發(fā)生一定的變化，這種變化可以通過特定波長下的光譜表現(xiàn)出來。
高光譜圖像技術(shù)結(jié)合了光譜分析和圖像處理的技術(shù)優(yōu)勢，對研究對象的內(nèi)外部品質(zhì)特征進(jìn)行檢測分析，趙杰文等利用高光譜圖像技術(shù)檢測水果輕微損傷，準(zhǔn)確率為88.57 %；Jasper G .Tallada等分別應(yīng)用高光譜圖像技術(shù)對不同成熟度的草莓表面損傷、蘋果的表面缺陷及芒果的成熟度檢測進(jìn)行了試驗(yàn)研究。王玉田等運(yùn)用熒光光譜檢測出水果表面殘留的農(nóng)藥；胡淑芬等運(yùn)用激光技術(shù)對水果表面農(nóng)藥殘留進(jìn)行了試驗(yàn)研究；薛龍等針對水果表面農(nóng)藥殘留，以滴有較高濃度的臍橙為研究對象，利用光譜范圍425-725 nm的高光譜圖像系統(tǒng)進(jìn)行檢測，發(fā)現(xiàn)對較高濃度的農(nóng)藥殘留檢測效果較好。本文采用高光譜圖像技術(shù)檢測水果的農(nóng)藥殘留區(qū)域，以實(shí)現(xiàn)農(nóng)藥殘留區(qū)域共同識別的目的。
二、 試驗(yàn)材料與方法
2.1 實(shí)驗(yàn)材料
本研究以蘋果為研究對象，分析蘋果的農(nóng)藥殘留區(qū)域。其中農(nóng)藥人工涂在蘋果上。
2.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備
高光譜成像數(shù)據(jù)采集采用四川雙利合譜科技有限公司的 GaiaSorter高光譜分選儀系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要由高光譜成像儀(V10E)、CCD 相機(jī)、光源、暗箱、計(jì)算機(jī)組成，結(jié)構(gòu)圖與實(shí)景圖如圖1。實(shí)驗(yàn)儀器參數(shù)設(shè)置如表1。

表1 GaiaSorter 高光譜分選儀系統(tǒng)參數(shù)

序號	項(xiàng)目	參數(shù)
1	光譜掃描范圍/nm	350~1000
2	光譜分辨率/nm	2.8
3	采集間隔/nm	1.9
4	光譜通道數(shù)	520

圖 1 GaiaSorter 高光譜分選儀結(jié)構(gòu)圖與實(shí)景圖
2.3  圖像處理分析
采用SpecView和ENVI/IDL對高光譜數(shù)據(jù)的預(yù)處理及分析，預(yù)處理中的鏡像變換、黑白幀校準(zhǔn)在SpecView中進(jìn)行；其他數(shù)據(jù)的分析在ENVI/IDL中進(jìn)行。
三、結(jié)果與討論
3.1  蘋果農(nóng)藥殘留區(qū)域和正常區(qū)域的光譜分析
    取蘋果農(nóng)藥殘留區(qū)域與正常區(qū)域各200個(gè)像元，分別獲取這200個(gè)像元的光譜反射率，并求取這200個(gè)像元的反射率均值，如圖2所示，其中，紅色代表蘋果的腐爛區(qū)域光譜區(qū)域的光譜反射率，藍(lán)色代表正常區(qū)域的光譜反射率，綠色代表農(nóng)藥殘留區(qū)域的光譜反射率。從圖中可知，在400-100 nm范圍內(nèi)，農(nóng)藥殘留區(qū)域的光譜反射率*大，其次是正常區(qū)域，*后是腐爛區(qū)域的光譜反射率。研究發(fā)現(xiàn)這三個(gè)區(qū)域在610 nm處有一峰值，在650 nm處有一吸收谷，在650-680 nm區(qū)間有一陡坡，由于三個(gè)區(qū)域均有以上特征，所以可以認(rèn)為這也是蘋果特有的特征位置。

圖2 蘋果腐爛區(qū)域、農(nóng)藥殘留區(qū)域與正常區(qū)域的光譜反射率
3 蘋果腐爛區(qū)域、農(nóng)藥殘留區(qū)域的提取
對經(jīng)過鏡像變換、黑白幀校準(zhǔn)的高光譜圖像，根據(jù)蘋果與背景區(qū)域的光譜差異，利用ENVI/IDL軟件的波段運(yùn)算建立腌膜，獲取純蘋果圖像，對蘋果圖像做主成分分析，根據(jù)獲取的主成分圖像，選取能較好區(qū)分腐爛區(qū)域、農(nóng)藥殘留區(qū)域和正常區(qū)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(qū)域和農(nóng)藥殘留區(qū)域，如圖4所示。大的部分為腐爛區(qū)域，小的為農(nóng)藥殘留區(qū)域。

圖 4 蘋果腐爛區(qū)域與農(nóng)業(yè)殘留區(qū)域提取流程圖
3.5 討論
高光譜成像技術(shù)應(yīng)用于水果表面損傷、農(nóng)藥殘留已體現(xiàn)出其“圖譜合一”的優(yōu)越性。水果輕微損傷和農(nóng)藥的微量殘留往往發(fā)生在表皮之下，和正常區(qū)域的顏色相差不大，肉眼難以識別。隨著時(shí)間的推移，損傷區(qū)域會逐漸褐變，*后導(dǎo)致整個(gè)水果腐爛，甚至影響其他果實(shí)，而少量的農(nóng)藥則會滲透進(jìn)入果實(shí)中，消費(fèi)者吃了會導(dǎo)致中毒。本研究結(jié)果表明，運(yùn)用高光譜成像技術(shù)，運(yùn)用主成分分析、腌膜等方法等，可以有效地提取水果損傷與農(nóng)藥殘留區(qū)域，從而達(dá)到快速檢測的目的。

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