SpectraScan高通量作物果實品質(zhì)檢測方案
我國幅員遼闊，自然環(huán)境的巨大差異造就了豐富的生物多樣性，不同地域生長的經(jīng)濟作物品種繁多，果實五花八門，品質(zhì)良莠不齊。而果實品質(zhì)的好壞直接影響膳食營養(yǎng)及食品安全，與人類健康密切相關，也是衡量作物經(jīng)濟效益的重要因素。因此，作物果實品質(zhì)的快速、批量分析評價對于衡量作物經(jīng)濟效益，規(guī)避經(jīng)濟損失、優(yōu)化栽培品種及提升作物社會價值具有重要意義。
由易科泰公司自主研發(fā)集成的SpectraScan光譜成像技術作為一種無損、快速的圖像及光譜融合分析技術，可同時獲取研究對象的空間及光譜信息，反映物體的外部特征、表面缺陷、病斑情況及內(nèi)部結構及化學成分，為作物果實品質(zhì)快速、無損、高通量分析檢測提供了新思路。
一、主要技術特點：
2.1 全光譜系列高光譜成像儀
可選波段：400-1000nm、900-1700nm、1000-2500nm、MWIR、LWIR等多種型號
具有高分辨率、高成像速率、靈活的波段選擇和優(yōu)良的信噪比與Binning，由光譜儀和高速科研級面陣單色相機組成，可為用戶高質(zhì)量、低失真的圖像，滿足了最苛刻條件下的規(guī)格要求。
圖1 藍莓成熟度檢測
SpectraScan果實自動傳送系統(tǒng)一舉解決了傳統(tǒng)實驗室成像平臺對于高光譜、紅外熱成像、可見光、環(huán)境因子監(jiān)測等傳感器同步采集的難題，實現(xiàn)了多傳感器兼容、高精度移動控制、光源控制等遠程無線控制功能。專用于科研級實驗室遠程控制及多源數(shù)據(jù)采集應用。
主要特點
SpectraScan野外高通量掃描系統(tǒng)，專為野外原位光譜成像測量設計研發(fā)，通過自動控制平臺擺掃或移動掃描，搭載不同傳感器獲取大范圍內(nèi)高光譜、紅外熱成像、多光譜及RGB數(shù)據(jù)，進行高通量作物果實產(chǎn)量評估及病蟲害宏觀監(jiān)測。本系統(tǒng)有多種方案可供用戶靈活選配。
圖3 金銀木果實產(chǎn)量評估
三、應用案例
3.1 水果表皮甲醛檢測：
福爾馬林作為一種對人體有害的生物采樣化學物質(zhì)，被廣泛應用于孟加拉國，作為魚類、水果、蔬菜等食品的防腐劑。本研究使用sCOMS相機對不同新鮮水果和被福爾馬林污染過的水果進行光譜成像，通過K-NN方法和SVM方法分析實驗數(shù)據(jù)，結果表明，兩種分類算法對福爾馬林污染水果的新鮮水果分類正確率均為70-94%，其中k-NN對每個樣本的正確率均高于SVM 85%以上。紅蘋果、青蘋果和番茄在k-NN和SVM的分類準確率均在90%以上�；谶@種精度，以光譜反射率作為波長特征函數(shù)即能夠成功地應用于果蔬新鮮度檢測及質(zhì)量控制。
3.2 牛油果品質(zhì)檢測
2016年，牛油果的年產(chǎn)量達到550萬噸——由于其膳食價值和健康益處，牛油果的產(chǎn)量在15年內(nèi)幾乎翻了一番。牛油果只有自然成熟后從樹上脫落下來，才能確保其食用價值才是最高。但由于果農(nóng)為賣出好價錢，往往在在采摘季剛開始，果實尚未成熟時期采摘，從而影響水果的食用品質(zhì)和膳食價值。另一方面，在收獲后期采摘成熟過度的水果保質(zhì)期較短，也增加了疾病和紊亂的風險。由于視覺變化不明顯，牛油果的食用品質(zhì)和商業(yè)價值難以預測。然而，SpectraScan果實品質(zhì)分析系統(tǒng)即可通過光譜曲線的變化，檢測和預測肉眼看不到的變化，并建立預測模型應用于水果及其部位的缺陷及皮下斑點檢測。
3.3 櫻桃甜度及成熟度評價
不同成熟階段（Stage）下，櫻桃果實表面的光譜反射特征不同，這是因為果實中的SSC（可溶性固形物含量）和pH值含量有差異。通過以下光譜特征和SSC、pH含量分布圖，可看出在第三階段（Stage3）SSC含量及pH含量均最高，并且SSC與pH的比值最大。說明在該階段櫻桃達到完全成熟期，其體內(nèi)可溶性固形物含量達到峰值，且酸性急劇減小，櫻桃甜度增加。
SSC和pH各自特征波段如下圖（五角星）所示，可通過該特征波段來評價櫻桃可溶性固形物和pH值，從而評價果實成熟度及甜度。
由易科泰公司自主研發(fā)集成的SpectraScan光譜成像技術作為一種無損、快速的圖像及光譜融合分析技術，可同時獲取研究對象的空間及光譜信息，反映物體的外部特征、表面缺陷、病斑情況及內(nèi)部結構及化學成分，為作物果實品質(zhì)快速、無損、高通量分析檢測提供了新思路。
- 超高信噪比和靈敏度
- 專為科研及商業(yè)應用領域設計，滿足實驗室、野外、和工業(yè)應用的嚴苛要求
- 全太陽光光譜范圍，涵蓋可見光、近紅外、短波紅外波段，中、長波紅外可選
- 無縫兼容SpectraScan自動傳送系統(tǒng)，組成多傳感器監(jiān)測方案
- 自動化數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)，可選配軟件及數(shù)據(jù)分析服務器
2.1 全光譜系列高光譜成像儀
可選波段：400-1000nm、900-1700nm、1000-2500nm、MWIR、LWIR等多種型號
具有高分辨率、高成像速率、靈活的波段選擇和優(yōu)良的信噪比與Binning，由光譜儀和高速科研級面陣單色相機組成，可為用戶高質(zhì)量、低失真的圖像，滿足了最苛刻條件下的規(guī)格要求。
圖1 藍莓成熟度檢測
圖2 櫻桃果實表面維C分布情況
2.2 SpectraScan室內(nèi)自動傳送系統(tǒng)SpectraScan果實自動傳送系統(tǒng)一舉解決了傳統(tǒng)實驗室成像平臺對于高光譜、紅外熱成像、可見光、環(huán)境因子監(jiān)測等傳感器同步采集的難題，實現(xiàn)了多傳感器兼容、高精度移動控制、光源控制等遠程無線控制功能。專用于科研級實驗室遠程控制及多源數(shù)據(jù)采集應用。
主要特點
- 本系統(tǒng)采用模塊化設計，可同時搭載多種光譜成像傳感器
- 集成高精度激光測距傳感器，可一鍵獲取相機與成像目標的精確距離，精度可達mm級
- 具備無線遠程控制功能，GUI軟件或遠程協(xié)議控制數(shù)據(jù)采集和平臺高精度移動
- 全部閉環(huán)控制，反復運行20萬次誤差控制0.4MM范圍內(nèi)，滿足科研級的高精度需求
- 友好的PC端GUI軟件界面，用戶可實現(xiàn)遠程操控相機及平臺
- 預留其他傳感器集成方案，可擴展性強，野外方案可選
SpectraScan野外高通量掃描系統(tǒng)，專為野外原位光譜成像測量設計研發(fā)，通過自動控制平臺擺掃或移動掃描，搭載不同傳感器獲取大范圍內(nèi)高光譜、紅外熱成像、多光譜及RGB數(shù)據(jù)，進行高通量作物果實產(chǎn)量評估及病蟲害宏觀監(jiān)測。本系統(tǒng)有多種方案可供用戶靈活選配。
圖3 金銀木果實產(chǎn)量評估
三、應用案例
3.1 水果表皮甲醛檢測：
福爾馬林作為一種對人體有害的生物采樣化學物質(zhì)，被廣泛應用于孟加拉國，作為魚類、水果、蔬菜等食品的防腐劑。本研究使用sCOMS相機對不同新鮮水果和被福爾馬林污染過的水果進行光譜成像，通過K-NN方法和SVM方法分析實驗數(shù)據(jù)，結果表明，兩種分類算法對福爾馬林污染水果的新鮮水果分類正確率均為70-94%，其中k-NN對每個樣本的正確率均高于SVM 85%以上。紅蘋果、青蘋果和番茄在k-NN和SVM的分類準確率均在90%以上�；谶@種精度，以光譜反射率作為波長特征函數(shù)即能夠成功地應用于果蔬新鮮度檢測及質(zhì)量控制。
3.2 牛油果品質(zhì)檢測
2016年，牛油果的年產(chǎn)量達到550萬噸——由于其膳食價值和健康益處，牛油果的產(chǎn)量在15年內(nèi)幾乎翻了一番。牛油果只有自然成熟后從樹上脫落下來，才能確保其食用價值才是最高。但由于果農(nóng)為賣出好價錢，往往在在采摘季剛開始，果實尚未成熟時期采摘，從而影響水果的食用品質(zhì)和膳食價值。另一方面，在收獲后期采摘成熟過度的水果保質(zhì)期較短，也增加了疾病和紊亂的風險。由于視覺變化不明顯，牛油果的食用品質(zhì)和商業(yè)價值難以預測。然而，SpectraScan果實品質(zhì)分析系統(tǒng)即可通過光譜曲線的變化，檢測和預測肉眼看不到的變化，并建立預測模型應用于水果及其部位的缺陷及皮下斑點檢測。
3.3 櫻桃甜度及成熟度評價
不同成熟階段（Stage）下，櫻桃果實表面的光譜反射特征不同，這是因為果實中的SSC（可溶性固形物含量）和pH值含量有差異。通過以下光譜特征和SSC、pH含量分布圖，可看出在第三階段（Stage3）SSC含量及pH含量均最高，并且SSC與pH的比值最大。說明在該階段櫻桃達到完全成熟期，其體內(nèi)可溶性固形物含量達到峰值，且酸性急劇減小，櫻桃甜度增加。
SSC和pH各自特征波段如下圖（五角星）所示，可通過該特征波段來評價櫻桃可溶性固形物和pH值，從而評價果實成熟度及甜度。
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