高光譜相機對芒果內部品質的檢測應用

芒果作為一種世界性的水果之一，其品質的好壞直接關系到市場需求和消費者的滿意度。而芒果外表看似完整無損，但可能在內部存在一些問題，如腐爛、軟化、空心、脆性等，這些問題如果沒有得到及時發現，可能會對芒果銷售造成不良影響。因此，芒果內部品質的快速檢測顯得十分重要。而基于高光譜技術的芒果內部品質檢測是近年來備受矚目的一種有效方法。

近年來我國芒果總產量保持穩步增長的態勢，從2005年的74.15萬噸增長至2014年的143.66萬噸，同時我國已成為世界芒果收獲面積第二大國家我國芒果生產情況如圖1所示（數據源于網絡）。

從芒果產量和種植收獲面積來看，中國已然成為了一個芒果生產大國，但這并不說明中國就是一個芒果生產強國。在實際發展中，我國芒果產業存在著諸如產業化和商品化程度低、標準化水平不足和采后處理水平不高等問題。據了解，目前我國大部分地區的芒果在采收后只是通過簡單的人工分級(如圖2所示)就直接進入市場進行銷售，這樣低效率且品質分級不精準的產后分級處理方式極大地制約了芒果產業的商品化和產業化。

高光譜技術是一種實現光譜成像的技術手段，可以對物體進行全光譜掃描，獲取不同波長的光譜信息。在芒果品質檢測中，高光譜技術可以通過對芒果光譜數據的分析，結合化學計量分析和模式識別方法，對芒果的內部品質進行有效的檢測和評估。由于高光譜技術可以快速獲取物體表面信息，同時避免了傳統檢測方法中存在的繁瑣、時間長等問題，因此被廣泛應用于芒果內部品質檢測中。

圖2

本研究應用了400-1000nm的高光譜相機，可采用杭州彩譜科技有限公司產品FS13進行相關研究。光譜范圍在400-1000nm，波長分辨率優于2.5nm，可達1200個光譜通道。采集速度全譜段可達128FPS，波段選擇后最高3300Hz（支持多區域波段選擇）。

圖4

本文選取芒果品種當中市面上最常見的"臺農一號"作為實驗樣品(圖5可見)。"臺農一號"是芒果市場上需求**，也是民間最廣為人知的品種，其主要分布區域在廣西、廣東、海南、華南地區。選擇外表無明顯缺陷和損傷的“臺農一號”芒果一共45個，其中隨機挑選30個作為校正集樣品，15個為驗證集樣品，將它們分別編號后置于5攝氏度的冰箱中貯藏。研究應盡量縮短芒果從采摘到檢測中間的時間以保證檢測數據的科學性和準確性，同時在試驗前要保證芒果樣品溫度與周圍環境溫度一致，避免因溫度不同而造成最終模型的誤差。

圖5

在進行試驗前將芒果從冷藏柜放置于室內至溫度與室溫相同，用半濕潤的細膩毛巾擦拭芒果表皮，擦去表面的泥土，以免表皮污垢對實驗數據造成影響。選取芒果果體赤道部位正反中心兩個點作為光譜儀器檢測部位，按照順序對芒果進行標號，注意要在光譜儀檢測部位外不影響實驗的果皮上標上進行標號，1號樣品正面標上A1,反面標上B1,2號樣品正面標上A2,反面標上B2,以此類推如圖6所示。

圖6

通過光譜儀對芒果進行近紅外光譜數據測定后，以縱列為樣品編號，行列為每個樣品在不同波長所對應的漫反射率的值，將光譜數據保存至Excel表格內，方便后期對數據進行導入和處理。由于光譜儀器在檢測時本身容易產生噪聲影響光譜圖像，在前端和尾端波長范圍內產生了一些震蕩性較大的噪聲，把這些無效的波段去除之后，截取520～770nm波長范圍內的光譜數據進行分析。在檢測過程中發現有3個存在明顯檢測異常的樣品，將這3個異常樣品剔除后得到芒果校正樣品集29個，光譜數據58組；芒果驗證樣品集13個，光譜數據26組。將校正樣品集光譜數據導入專業光譜數據分析軟件內得到光譜數據原始圖像如圖7所示，其中橫坐標為波長數，縱坐標為漫反射率。

圖7

高光譜技術對芒果的檢測主要應用于兩個方面：首先是對芒果內部空心的檢測。芒果內部的空心現象會導致芒果口感不好、膨脹變形等問題，往往在外表看不出有明顯異常。而利用高光譜技術，可以通過分析芒果的各種光譜信息，獲取芒果內部空心的情況，進而進行針對性的處理。其次是對芒果內部腐爛和軟化部位的檢測。腐爛和軟化是影響貯存期和口感的主要因素，因此檢測并且快速處理這些問題對芒果生產至關重要。高光譜技術可以通過對芒果各部位的光譜數據進行分析，快速準確的判斷芒果內部腐爛和軟化的情況，從而指導產品的貯存、運輸和銷售。

總體看來，基于高光譜技術的芒果內部品質檢測已經獲得了較為廣泛的應用，它打破了傳統破壞性檢測方法的局限性，不僅可以提高檢測速度、準確性和有利性，同時可以降低芒果生產的成本，并且減少了對芒果的污染和損害。未來，該技術還會得到不斷的改進和提高，成為芒果生產和銷售中不可或缺的技術手段。