便攜式光譜分析儀對葉菜失水程度的無損檢測研究

便攜式光譜分析儀對葉菜失水程度的無損檢測研究

吳 瓊1,2,趙 勇2， 王 成2， 紀(jì)建偉1*

(1.沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)信息與電氣工程學(xué)院，遼寧沈陽 110161；2.北京農(nóng)業(yè)智能裝備技術(shù)研究中心，北京 100097)

摘要利用自行研發(fā)的線性可調(diào)諧濾光片(LVF)便攜式光譜儀對蔬菜失水程度進(jìn)行了無損檢測研究。通過獲取小白菜、菠菜、葉菜生菜、油菜4種葉菜蔬菜葉片，分別在失水0 h、失水12 h、失水24 h、失水48 h的平均光譜曲線圖進(jìn)行對比分析。結(jié)果表明：蔬菜在失水過程中，便攜式LVF光譜儀能有效快速反映其內(nèi)部葉綠素的變化，并通過4種蔬菜葉片在同一個失水時間段下的光譜反射率曲線對比分析，表明利用便攜LVF光譜儀可快速、無損的對葉菜類蔬菜失水程度的判別進(jìn)行定性區(qū)分。與此同時，根據(jù)葉菜蔬菜葉片的光譜曲線構(gòu)建蔬菜葉片葉綠素SPAD含量平均值綜合預(yù)測模型，結(jié)果顯示，葉菜類蔬菜葉片的平均光譜值在新鮮狀態(tài)下的SPAD值建模相關(guān)系數(shù)為0.73，表明利用自行研發(fā)的便攜式LVF光譜儀對葉菜類蔬菜葉片失水程度進(jìn)行定量分析是可行的。

關(guān)鍵詞蔬菜失水；便攜式光譜儀; 線性可調(diào)諧濾光片; 無損檢測

中圖分類號S126;TN911.73;TS201.6

基金項目公益性行業(yè)(農(nóng)業(yè))科研專項(201003008)；國家自然科學(xué)

作者簡介吳瓊(1982- )，女，遼寧遼陽人，講師，博士，從事農(nóng)業(yè)信息化技術(shù)研究。*

收稿日期2015-06-03

Study on Nondestructive Testing of Water Loss Degree of Leafy Vegetables by a Portable Spectrometer

WU Qiong1,2, ZHAO Yong2, WANG Cheng2, JI Jian-wei1*(1. College of Information and Electrification Engineering, Shenyang Agricultural University, Shenyang, Liaoning 110866; 2. Beijing Research Center of Intelligent Equipment for Agriculture, Beijing 100097)

AbstractThe non-destructive testing in the process of the vegetable water loss by the self-developed linear tunable filter (LVF) was preliminary explored. A comparative analysis was conducted for mean spectrum curve respectively for four kinds of leafy vegetable, leaves of pakchoi, spinach, leafy vegetable lettuce and oilseed rape at 0, 12, 24 and 48 h of water loss. It was found that in the water loss process, portable spectrometer, LVF could effectively, rapidly reflect changes of their internal chlorophyll. Additionally, it was found from the comparative analysis on spectral reflectivity cure of four kinds of vegetable leaves at the same water loss period that it was feasible to rapidly and nondestructively conduct qualitative distinction of water loss degree of leafy vegetables by use of portable LVF spectrometer. At the same time, a comprehensive prediction model of mean chlorophyll SPAD content in vegetable leaves was established in terms of spectrum curve of leafy vegetable leaves, and it was found that correlation coefficient R for SPAD value model in terms of mean spectral value of leafy vegetable leaves in fresh status equaled to 0.73, suggesting that it was feasible to conduct a quantitative analysis for water loss degree of leafy vegetable leaves by use of the self-developed portable LVF spectrometer.

Key words Vegetable water loss; Portable spectrometer; LVF; Non-destructive testing

我國是世界上最大的蔬菜、瓜類生產(chǎn)國和消費(fèi)國[1-2]。隨著我國蔬菜產(chǎn)品的總量持續(xù)走高，今后蔬菜產(chǎn)業(yè)的發(fā)展勢必會以出口為主[3-4]。因此，對我國果蔬進(jìn)行工業(yè)化加工及新鮮檢測包裝、農(nóng)藥殘留快速無損技術(shù)識別已經(jīng)迫在眉睫。前人應(yīng)用快速無損檢測技術(shù)對生鮮蔬菜進(jìn)行無損識別的檢測方法中最成功有效的是光學(xué)分析方法,近年來國內(nèi)外專家學(xué)者利用近紅外光譜分析技術(shù)對蔬菜進(jìn)行了大量無損檢測分析研究[5-6]，國外分別采用漫反射和近紅外光譜分析方法對胡蘿卜[7]、甜菜[8-9]、西紅柿[10]等不同果蔬樣品的營養(yǎng)元素建立了近紅外光譜數(shù)據(jù)定量和定性模型，精確率可達(dá)98%以上。國內(nèi)許多專家學(xué)者分別對大白菜[11]、辣椒[12]、西紅柿[13]等蔬菜內(nèi)部可溶性固形物、有機(jī)酸、多種維生素等成分，用近紅外光譜法建立了回歸方程，相關(guān)性可達(dá)99%。另外，國內(nèi)研究人員還對不同品種蔬菜采用傅立葉變換近紅外光譜法對有機(jī)磷農(nóng)藥殘留的鑒別進(jìn)行了系統(tǒng)研究[14]。

在以上的研究中發(fā)現(xiàn)，近紅外光譜分析法對蔬菜的快速無損檢測既可以從測定物質(zhì)(樣品)的吸收或漫反射光譜圖的硬件技術(shù)(儀器本身)出發(fā)研究[15]，也可以利用化學(xué)計量學(xué)及多元校正方法計算測定結(jié)果的軟件技術(shù)[16]進(jìn)行相關(guān)研究。

為了實時、快捷、無損獲取葉菜類蔬菜品質(zhì)變化信息，筆者利用新型線性可調(diào)諧濾光片(LVF)分光技術(shù),自行研發(fā)便攜式葉菜質(zhì)量快速檢測儀對葉菜類蔬菜葉片的新鮮度進(jìn)行無損檢測研究。為研究檢測儀器對于葉菜蔬菜品質(zhì)快速無損穩(wěn)定檢測的可行性，采用LVF光譜儀獲取不同品種的蔬菜在不同失水條件下的光譜信息，對不同品種蔬菜葉片的不同尺度、不同區(qū)域的特征進(jìn)行分析，對在不同失水條件下的葉片營養(yǎng)組分信息情況進(jìn)行診斷，旨在為不同等級蔬菜的快速、無損檢測提供有力的技術(shù)支撐及方法探索。

1材料與方法

1.1樣品準(zhǔn)備與處理選用小白菜、菠菜、葉菜生菜、油菜這4種常見蔬菜的葉片在室內(nèi)進(jìn)行實驗。每種蔬菜取具有代表性的6片菜葉，然后在常溫下放置使其失水，分別在失水0 h，失水12 h，失水24 h，失水48 h的4個時間段，進(jìn)行可見光-近紅外光譜信息采集，其中失水0 h即對采集來的新鮮蔬菜立即測量。在采集4種蔬菜葉片的光譜信息時，每個葉片要分葉基、葉中、葉尖3個部位各采集3次，之后提取光譜反射率取平均值，采集蔬菜葉片的光譜信息的同時，采用SPAD-502葉綠素儀測量蔬菜葉片的相對葉綠素值。

1.2便攜式光譜儀系統(tǒng)該研究采用的便攜式葉菜質(zhì)量快速檢測儀是由北京農(nóng)業(yè)信息技術(shù)研究中心生物儀器部自行研制，該系統(tǒng)采用新型的線性可調(diào)諧濾光片(LVF)分光技術(shù),選取線性可調(diào)諧濾光片為分光單元,硬件系統(tǒng)單元采用線陣CMOS探測器,在驅(qū)動單元脈沖信號的作用下完成光電轉(zhuǎn)換、存儲和轉(zhuǎn)移等功能,并采用USB數(shù)據(jù)采集板對光電信號進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換，光學(xué)系統(tǒng)緊湊、無移動部件，且體積小、超便捷的優(yōu)勢非常適合于對蔬菜品質(zhì)進(jìn)行快速、無損檢測。LVF光譜儀的主要性能參數(shù)見表1。

表1　LVF光譜儀的主要性能參數(shù)

1.3蔬菜葉片光譜信息的采集和處理該研究選擇晚上19：00以后在密閉實驗室進(jìn)行，保證室內(nèi)暗室環(huán)境，避免日光燈及其他光源干擾，LVF光譜儀采用鹵鎢燈照射采集數(shù)據(jù)前先進(jìn)行白板定標(biāo)，選取標(biāo)準(zhǔn)反射白板作為參考。將鹵鎢燈光源與反射白板以一定角度固定好位置,使得光源的光經(jīng)過白板后可以反射進(jìn)入光譜儀探頭中。再對4組不同失水時間段下的4個品種蔬菜葉片葉基、葉中、葉尖3個部位進(jìn)行光譜信息采集，每個品種測量6片葉，每片葉子分別對葉基、葉中、葉尖3個部位各采集3次。樣品到光譜儀探測頭的垂直高度為6 cm，在鹵鎢燈光源照射下，設(shè)置好采集軟件的各個參數(shù)，首先測量白板反射鹵鎢燈光源的參考光譜,注意調(diào)整積分時間不要讓其光譜曲線出現(xiàn)飽和狀態(tài)，便攜式LVF光譜儀室內(nèi)采集設(shè)置的積分時間為1 000 μs。實驗裝置如圖1所示。

圖1　蔬菜菜葉實驗裝置

反射率計算方法：分別對每種蔬菜單葉的葉基、葉中、葉尖3個部位各采集3次，首先采集到的是原始光強(qiáng)度值,再與白板定標(biāo)后，需將其轉(zhuǎn)換為反射率進(jìn)行分析。計算目標(biāo)物的光譜反射率采用下式計算：

R=I/I0×100%

(1)

式中，R表示葉菜蔬菜葉片的高光譜反射率值;I表示葉菜蔬菜葉片反射光的電流數(shù)值;I0表示白板反射光的電流數(shù)值。

1.4葉片葉綠素相對含量測定葉綠素儀SPAD(Soil plant analysis development)-502通過測量葉片在650 和940 nm2種波長光學(xué)濃度差方式來確定葉片當(dāng)前葉綠素的相對數(shù)量[17]，用來診斷作物葉綠素相對含量狀況具有快速、簡便和無損的特點[18]。在該研究實驗中，每種蔬菜各選取6片葉，每片葉從葉基到葉尖，使用葉綠素含量測定儀SPAD-502，測量4種蔬菜葉片的葉綠素相對含量或“綠色程度”。在測量光譜的蔬菜單葉葉基、葉中、葉尖3個部位對應(yīng)位置測量單葉葉綠素的相對值，分別在葉基、葉中、葉尖各測試3次，取平均值，計算SPAD值。

2結(jié)果與分析

2.1同一品種蔬菜葉片不同失水條件下LVF平均光譜反射率曲線對比分析`采集小白菜、菠菜、葉菜生菜、油菜4個品種的蔬菜葉片分別在失水0 h、失水12 h、失水24 h、失水48 h的LVF光譜信息，提取同一時段下每個品種蔬菜葉片區(qū)域的原始平均光強(qiáng)值，并將其轉(zhuǎn)換成反射率，計算出不同失水時間段下蔬菜葉片的平均光譜值，結(jié)果見圖2。從圖2可以看出：在截取的經(jīng)驗波段650～950 nm范圍內(nèi)，小白菜、菠菜、葉菜生菜、油菜4個品種的葉菜蔬菜樣品由于葉片內(nèi)都含有葉綠素成分，其各自的平均光譜反射率值曲線變化規(guī)律基本相似。在650～700 nm波段，都呈現(xiàn)了紅邊波谷趨勢；在700～780 nm波段，4種葉菜類蔬菜樣品的葉綠素平均光譜反射值在紅波段的強(qiáng)吸收到近紅外波段多次散射形成的高反射平臺，即紅邊波峰現(xiàn)象明顯，這是植被營養(yǎng)、長勢、水分等的有效指示性特征，得到了廣泛的應(yīng)用與證實[19]。由此可以說明此次實驗的準(zhǔn)確性及有效性。4種葉菜蔬菜葉片的平均光譜反射率曲線隨著失水時間的增加變化，小白菜、菠菜、葉菜生菜由于水分的散失，葉片葉綠素沉降，葉片反射光譜的能力減弱，因此紅邊波谷的葉綠素平均光譜反射率逐漸遞減降低。而油菜葉片隨著水分的散失，由于體內(nèi)還含有油類因子等其他成分因素的存在，葉綠素的反射光譜在失水12 h和失水24 h時會有所反彈，在最終失水48 h時葉片萎蔫葉綠素徹底沉降后，光譜平均反射率有規(guī)律的降低。另外，在這4種葉菜樣品失水處理的光譜反射率的采集過程中，菠菜葉片的失水現(xiàn)象是最快速明顯的，在其采集檢測的葉片平均光譜反射率值的對比發(fā)現(xiàn)，如圖2b所示，菠菜的葉片在4個失水時間段內(nèi)，光譜反射率變化的差異明顯，而在實驗過程中，通過肉眼及樣品葉片的SPAD值測量檢測對比觀察時，同樣印證了這一現(xiàn)象。其次是葉菜生菜、油菜的葉片光譜反射率的失水程度依次遞減，小白菜的葉片失水程度相比較其他3種葉菜樣品來說是最緩慢的。

圖2　4種葉菜蔬菜葉片不同失水時間段下的光譜曲線對比

2.2不同品種蔬菜葉片同一失水條件下的LVF平均光譜反射率曲線對比分析提取小白菜、菠菜、葉菜生菜、油菜分別在失水0 h、失水12 h、失水24 h、失水48 h 4個處理時間點的LVF平均光譜曲線進(jìn)行對比分析，結(jié)果見圖3。由圖3可知，在700～750 nm波段，葉綠素在紅波段的強(qiáng)吸收形成的高反射平臺即紅邊波段，葉菜生菜葉片的紅邊反射率值是最高的，其次隨著蔬菜葉片失水程度的加深，油菜葉片的光譜反射率值不降反升，而菠菜葉片的光譜反射率值隨著失水程度的加深，變化最明顯。結(jié)合在780～850 nm波段的近紅外區(qū)間范圍分析，效果會更明顯。該波段范圍內(nèi)能夠清楚解釋葉片結(jié)構(gòu)的光譜反射率特性，該波段反射率平臺又稱為“反射率紅肩”，其光譜發(fā)射率的強(qiáng)度取決于葉片內(nèi)部的結(jié)構(gòu)。由橫向?qū)Ρ确治龅慕Y(jié)果可知，葉菜生菜的紅谷反射率是最高的，這是由于光譜反射率強(qiáng)度取決于葉片內(nèi)部結(jié)構(gòu)，特別是葉肉與細(xì)胞間隙的相對厚度，細(xì)胞層越多的蔬菜葉片，光譜反射率越高，葉菜生菜的葉片相對其他3種蔬菜葉片的輪廓是最大的，因此其光譜反射率差異最明顯，反射率值最高。其次，隨著失水時間的加劇，油菜由于葉片細(xì)胞內(nèi)含有油性因子的成分，其葉片成分差異顯著，因此油菜葉片的LVF平均光譜反射率隨著失水程度的加深，光譜反射率值增高。而如圖3 d，在失水48 h后，4種葉菜蔬菜葉片，菠菜的失水效果是最快速的，葉綠素值沉降最快，因此在失水48 h，菠菜葉片的光譜反射率值降低最明顯。進(jìn)而說明，采用自行研發(fā)的LVF便攜式葉菜品質(zhì)快速檢測儀對蔬菜葉片新鮮度的無損檢測識別效果是非常顯著的。上述分析結(jié)果表明，利用自行研發(fā)的LVF便攜式光譜儀可以準(zhǔn)確地對葉菜類樣品失水程度進(jìn)行有效的定性分析。

圖3　不同失水程度4種蔬菜葉片平均光譜反射率對比

2.3構(gòu)建蔬菜葉片葉綠素SPAD含量平均值綜合預(yù)測模型分別在失水0 h、失水12 h、失水24 h、失水48 h4個時間段里，對小白菜、菠菜、葉菜生菜、油菜4種蔬菜葉片的SPAD值取平均值進(jìn)行對比分析，結(jié)果見表2。由表2可知，4種蔬菜葉片葉綠素SPAD值均在失水12～24 h的時間段內(nèi)，葉片逐漸失水萎蔫，所測得的葉片平均SPAD值隨著失水時間的增加、葉片內(nèi)的葉綠素逐漸沉降，葉片顏色逐漸加深而葉綠素SPAD值逐漸增大。其中葉菜生菜的葉片由于葉片寬大，葉片細(xì)胞褶皺多，失水效果緩慢，SPAD值變化差異不明顯；菠菜的葉片失水效果是最明顯的，在失水48 h之后，菠菜葉片已經(jīng)完全隨著水分的缺失變干枯，其體內(nèi)葉綠素含量降到最低。而油菜在失水0 h、失水12 h、失水24 h、失水48 h的4個失水時間段內(nèi)，葉片葉綠素趨勢變化特征呈遞增趨勢最為明顯，均隨著水分的缺失而濃度增加，葉片平均SPAD值增大的值最顯著，其葉綠素含量要比小白菜、菠菜、葉菜生菜的葉片平均SPAD值要高，原因在于油菜在失水48 h后，葉片開始萎蔫發(fā)黃，而不是像小白菜和菠菜葉片干枯呈墨綠色的狀態(tài)，油菜的葉片要比其他3種葉菜蔬菜葉片肥厚，并且油菜葉片細(xì)胞含有的油性基因成分也許對水分的缺失及葉綠素的變化有影響。以上4種葉菜蔬菜的葉片葉綠素相對含量的SPAD平均值研究分析與上述利用光譜曲線對4種蔬菜葉片的失水效果分析的結(jié)果基本一致。

表2　4種蔬菜葉片平均SPAD值

由于以上4種蔬菜葉片光譜曲線特征相似，且每個品種葉片檢測樣品數(shù)量較少，隨著失水程度的加劇，小白菜、菠菜葉片干枯效果明顯，影響后期建模準(zhǔn)確性。因此，該研究綜合了小白菜、菠菜、葉菜生菜、油菜4種蔬菜葉片在新鮮狀態(tài)下的平均光譜值與相對應(yīng)的SPAD平均值，共對72個樣品數(shù)據(jù)采用偏最小二乘法(PIS)建立SPAD綜合預(yù)測模型，結(jié)果見圖4。建模結(jié)果顯示：葉菜類蔬菜葉片的平均光譜值在新鮮狀態(tài)下的SPAD值建模相關(guān)系數(shù)R=0.73；校正標(biāo)準(zhǔn)差SEC=10.71;預(yù)測標(biāo)準(zhǔn)差RPD=1.50;相對百分值RSEP=29.84%。由此可知，利用自行研發(fā)的便攜式葉菜質(zhì)量快速光譜檢測儀實現(xiàn)對葉菜蔬菜葉片新鮮度的無損、快速檢測識別具有可行性，且從建立樣本的數(shù)量上評判，用平均光譜數(shù)據(jù)建立的預(yù)測蔬菜葉片葉綠素組分信息的模型，既減少了樣本數(shù)據(jù)的冗余重疊，又可以取得理想中的模型效果。進(jìn)而說明，利用自行研發(fā)的LVF便攜式光譜儀可以準(zhǔn)確地對葉菜類樣品新鮮度進(jìn)行有效的定量分析。

圖4　蔬菜葉片與SPAD值PLS建模結(jié)果

2.4高光譜成像儀與LVF光譜儀平均光譜曲線對比分析該研究同時利用由北京農(nóng)業(yè)信息技術(shù)研究中心與中國科技大學(xué)聯(lián)合研制的推掃式成像光譜儀(pushbroom imaging spectrometer,PIS) 分別對小白菜、菠菜、油菜的葉片在室內(nèi)同環(huán)境實驗條件下進(jìn)行對照數(shù)據(jù)采集，成像光譜儀系統(tǒng)已委托中科院安徽光機(jī)所進(jìn)行定標(biāo)和測試,確定該系統(tǒng)的穩(wěn)定性及準(zhǔn)確性[20]。以油菜為例，在原始狀態(tài)失水0小時狀態(tài)下，分別提取油菜葉片在LVF便攜式光譜儀及推掃式成像光譜儀下的葉片平均光譜反射率曲線，進(jìn)行對比分析，結(jié)果見圖5。由圖5可知，便攜式LVF光譜儀的油菜葉片平均光譜曲線要比成像光譜儀提取的油菜葉片光譜曲線反射率高，這是由于儀器設(shè)置的高度及參數(shù)所形成的，便攜式LVF光譜儀由于自身體積的微小及輕便易拿，采集對象幾乎是點對點近距離采集，而成像光譜儀由于儀器本身的重量及實驗平臺搭建的耗力，因此LVF成像光譜儀大大降低了外界及儀器本身所帶來的信號噪聲的干擾，數(shù)據(jù)相對準(zhǔn)確明顯，這是LVF便攜光譜儀優(yōu)于成像光譜儀的特點。另外，在650～750 nm波長范圍內(nèi)，2種檢測儀器都能夠有效地檢測出葉菜蔬菜葉片的葉綠素平均光譜曲線特征，形成葉綠素特征吸收谷，并在750～850 nm波長范圍內(nèi)，形成較明顯的高反射平臺即紅肩區(qū)，但在900 nm附近，LVF便攜光譜儀有漂移現(xiàn)象出現(xiàn)，形成尖銳的三角波峰狀，而成像光譜儀信號平穩(wěn)良好。對比可知，在作物葉綠素的特征區(qū)域范圍內(nèi)，LVF便攜式光譜儀能夠有效地識別檢測葉菜蔬菜的葉片失水等級狀態(tài)，但需進(jìn)一步修正設(shè)備參數(shù)，優(yōu)化算法，解決該研究研發(fā)的LVF便攜光譜儀的漂移現(xiàn)象。

圖5　油菜葉片失水0 h的非成像光譜儀LVF與成像光譜儀光譜曲線對比

3結(jié)論與展望

該研究選取小白菜、菠菜、葉菜生菜、油菜等4種葉菜蔬菜葉片，分別在失水0 h、失水12 h、失水24 h、失水48 h的條件下對其平均光譜曲線圖進(jìn)行對比分析，結(jié)果表明，蔬菜在失水過程中，自行研發(fā)的LVF便攜式光譜儀能有效快速反映其內(nèi)部葉綠素的變化。通過4種蔬菜葉片在同一個失水時間段下的光譜反射率曲線對比分析可知，利用便攜LVF光譜儀可快速、無損地對葉菜類蔬菜失水程度的判別進(jìn)行定性區(qū)分。與此同時，通過對葉菜蔬菜葉片的光譜曲線構(gòu)建蔬菜葉片葉綠素SPAD含量平均值綜合預(yù)測模型，結(jié)果顯示：葉菜類蔬菜葉片的平均光譜值在新鮮狀態(tài)下的SPAD值建模相關(guān)系數(shù)R=0.73。表明利用自行研發(fā)的LVF便攜式光譜儀可以準(zhǔn)確地對葉菜類樣品新鮮度進(jìn)行有效的定量分析。

該研究自行研發(fā)的LVF便攜式光譜儀在900 nm附近存在信號漂移現(xiàn)象，需要進(jìn)一步優(yōu)化調(diào)整設(shè)備參數(shù)，以備深入研究葉菜蔬菜葉片失水程度與農(nóng)藥殘留的相關(guān)性分析。蔬菜中農(nóng)藥殘留的衰減規(guī)律是“折半、折半、再折半”，新鮮蔬菜如果放置3 d，基本能夠去除農(nóng)藥殘留的60%以上。因此，分析蔬菜葉片的失水程度與農(nóng)藥殘留的相關(guān)性，找到二者之間的平衡點，是今后值得探索的問題。

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