目前大多數(shù)研究者利用高光譜成像儀檢測果類品質(zhì)、糖度、酸度等時，僅對單一品種或者某一類水果進(jìn)行研究，所構(gòu)建的模型有一定的極限性。針對這種情況，本研究提出了以不同品種的西瓜、甜瓜為研究對象，利用可見光/近紅外成像高光譜技術(shù)分析不同糖度的西瓜、甜瓜的光譜差異及西瓜、甜瓜糖度在可見光/近紅外波段范圍的響應(yīng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，不同品種不同糖度的西瓜，其光譜曲線變化趨勢相似，在650 -800 nm處，隨著糖度升高其光譜反射率呈增加的趨勢，在570 - 650 nm 區(qū)間反射率呈直線上升；不同品種不同糖度的甜瓜，其光譜曲線變化趨勢相似，隨著糖度的升高反射率呈上升趨勢，在550 ?-580 nm區(qū)間反射率上升較快，形成陡坡；不同品種的西瓜其糖度在可見光/近紅外波段相關(guān)性較高的波段主要集中在650 - 700 nm之間，不同品種的甜瓜其糖度在可見光/近紅外波段相關(guān)性較高的波段則主要集中在670 - 690 nm之間，而綜合西瓜、甜瓜兩種水果，其糖度在可見光/近紅外波段相關(guān)性較高的集中在630 - 650 nm，其中相關(guān)系數(shù)最高的是639.3 nm處，其相關(guān)系數(shù)為0.951；利用獨(dú)立的建模與檢驗(yàn)數(shù)據(jù)，運(yùn)用639.3 nm處的反射率構(gòu)建監(jiān)測模型，并對該模型進(jìn)行檢驗(yàn)，其建模R2為0.904，檢驗(yàn)R2為0.847，斜率Slope為0.905，截距為0.867，相對均方根誤差RRMSE為6.78%。研究表明應(yīng)用成像高光譜技術(shù)檢測西甜瓜糖度具有可行性，為進(jìn)一步研究不同水果糖度高精度模型奠定基礎(chǔ)。

0 ?引言

西瓜、甜瓜含糖量較高，營養(yǎng)豐富，深受消費(fèi)者的喜愛。糖度是影響西甜瓜營養(yǎng)與風(fēng)味的主要因素，既可表征成熟度，又可體現(xiàn)其品質(zhì)[1]。傳統(tǒng)的品質(zhì)化學(xué)檢測方法是一種費(fèi)時費(fèi)力的破壞性檢測技術(shù)，隨著成像和光譜技術(shù)的快速發(fā)展，高光譜成像技術(shù)（Hyperspectral imaging）已經(jīng)廣泛應(yīng)用于農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)的快速無損檢測[2]。高光譜成像技術(shù)融合了傳統(tǒng)的成像和光譜技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，可以同時獲取被檢測物體的空間信息和光譜信息，因此該技術(shù)既可以檢測物體的外部品質(zhì)，也可以檢測物體的內(nèi)部品質(zhì)如水果的糖度、堅(jiān)實(shí)度、酸度等[3-10]。

董一威等[11]以紅富士蘋果為研究對象，應(yīng)用自行搭建的CCD近紅外光譜系統(tǒng)檢測蘋果的糖酸度，研究結(jié)果表明在630 nm-1030 nm范圍內(nèi)，可實(shí)現(xiàn)對蘋果糖度、酸度的無損檢測研究；金同銘等[12]利用近紅外光譜法檢測蘋果中蔗糖、葡萄糖、果糖三種組分，篩選出914 nm、950 nm、897 nm分別代表蔗糖、葡萄糖和果糖的第一特征波長；趙麗麗等[13]運(yùn)用近紅外光譜儀獲取蘋果和番茄的光譜，并建立蘋果糖度、硬度及番茄的紅素的數(shù)學(xué)模型，所有模型的相關(guān)系數(shù)均在0.8以上，證明利用紅外區(qū)域光譜可進(jìn)行果品類品質(zhì)的檢測；田海清等[14]利用透射光譜儀獲取蜜瓜的光譜信息，運(yùn)用經(jīng)典最小二乘法、逐步多元線性回歸、主成分分析、偏最小二乘法等方法構(gòu)建模型并檢驗(yàn)，結(jié)果表明PLS法的建模與預(yù)測結(jié)果較好；Polder 等[15]利用可見光(波長范圍為396-736 nm)高光譜成像系統(tǒng)對西紅柿的成熟度進(jìn)行判別研究；Lu[16]利用高光譜成像系統(tǒng)研究了蘋果的堅(jiān)實(shí)度；Masry 等[17]采用波長范圍為400-1000 nm 的近紅外高光譜成像技術(shù)檢測了草莓內(nèi)部含水量和可溶性固形物含量。趙杰文等[18]采集了蘋果的高光譜圖像（685-900nm），研究發(fā)現(xiàn)利用PLS回歸模型預(yù)測糖度的優(yōu)波長為704.48-805.26nm，預(yù)測的相關(guān)系數(shù)為0.907；馬本學(xué)等[1]利用漫反射高光譜成像技術(shù)研究了網(wǎng)紋類甜瓜糖度的無損檢測方法。

然而，大多數(shù)研究者利用光譜儀檢測果類品質(zhì)、糖度、酸度等時，僅針對單一品種或者某一類水果進(jìn)行研究，很少有研究者利用多類水果或多品種水果進(jìn)行研究分析其不同糖度、酸度的光譜差異及特征響應(yīng)波段范圍。因此本研究以無籽/有籽西瓜、青色/黃色甜瓜為研究對象，利用可見/近紅外高光譜成像技術(shù)，探索不同種類西甜瓜不同糖度光譜差異及特征響應(yīng)波段范圍，為探索不同水果糖度高精度檢測模型奠定基礎(chǔ)。

1 ?材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)材料2015年9月取自大興龐各莊實(shí)驗(yàn)基地。包括不同類型西甜瓜品種（有籽西瓜、無籽西瓜）；甜瓜（青皮甜瓜、黃皮甜瓜）。進(jìn)行瓜瓤的光譜采集和含糖量測定。

1.2 高光譜圖像采集

高光譜圖像數(shù)據(jù)采集采用廣東賽斯拜克廠家的高光譜成像儀。該系統(tǒng)主要由CCD相機(jī)、鹵素?zé)艄庠?、暗箱、?jì)算機(jī)組成，如圖1。實(shí)驗(yàn)儀器參數(shù)設(shè)置如表1。

?圖1 高光譜成像儀

在進(jìn)行高光譜圖像采集時，需要設(shè)置相機(jī)曝光時間，平臺移動速度以及物鏡之間的距離。這 3 個參數(shù)相互影響，圖像調(diào)節(jié)的目的是使采集的圖像大小合適，清晰，不變形失真。經(jīng)過反復(fù)嘗試，物鏡高度設(shè)置為 26 cm，曝光時間設(shè)置為10ms，平臺移動速度設(shè)置為 4.3 mm/s。圖像采集軟件采用廣東賽斯拜克廠家提供的高光譜成像系統(tǒng)采集軟件完成。圖像處理采用軟件進(jìn)行處理。在進(jìn)行圖像處理之前，先要對采集的光譜圖像進(jìn)行圖像校正，圖像校正公式如下：

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式中，Rref?是校正過的圖像，DNraw?是原始圖像，DNwhite為白板校正圖像，DNdark?是黑板校正圖像。

1.3 ?糖度測定與光譜反射率的獲取

西瓜、甜瓜樣本光譜數(shù)據(jù)采集后，為避免光照對糖度造成一定的變化，因此在微光條件下，在西瓜、甜瓜樣品上分別作五處標(biāo)志，并立即用PR-101數(shù)字式折射儀(AtagoCo, Ltd. , Tokyo, Japan)對標(biāo)志部位進(jìn)行糖度測量，分切取約1 5 mm×10 mm×5 mm中部內(nèi)緣果肉擠出汁液滴到折光儀鏡面上，覆蓋住底部，測量其糖度并記錄。

1.4 ?光譜獲取

試驗(yàn)得到光譜含有由儀器和試驗(yàn)條件等引起的噪聲，對這些噪聲的處理有助于減少噪聲對光譜分析的影響，突出光譜的有效信息。Savitzky-Golay (SG)平滑算法可以有效消減光譜數(shù)據(jù)中的隨機(jī)噪聲，消噪效果受平滑點(diǎn)數(shù)的影響，本文中選擇SG二次多項(xiàng)式7點(diǎn)平滑對光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行處理[19]。在高光譜圖像上找到西瓜、甜瓜的五個標(biāo)志處，運(yùn)用ENVI的感興趣區(qū)域提取功能，獲取糖度測量區(qū)域，提取該區(qū)域的平均光譜，將此平均光譜與其對應(yīng)的糖度建立一一對應(yīng)的關(guān)系。

1.5 ?建模與檢驗(yàn)數(shù)據(jù)

本研究一共獲取了西甜瓜共36處的糖度值并獲取其對應(yīng)區(qū)域的平均光譜反射率，其中西瓜共有20個糖度值，甜瓜共有16個糖度值，采用隨機(jī)抽樣的方式獲取11個西瓜糖度值、9個甜瓜糖度值及其光譜反射率作為建模數(shù)據(jù)，其余西瓜、甜瓜糖度值及對應(yīng)的光譜反射率作為檢驗(yàn)數(shù)據(jù)。西甜瓜建模與檢驗(yàn)集的糖度值統(tǒng)計(jì)信息如表2所示，本研究采用建模R2、檢驗(yàn)R2、相對均方根誤差(RRMSE)、Slope和截距等來評價模型性能[20]?。

表2 西甜瓜建模與檢驗(yàn)集的糖度值統(tǒng)計(jì)信息

2 ?結(jié)果與分析

2.1 ?有籽西瓜不同含糖量的光譜分析

圖2為有籽西瓜不同含糖量的光譜曲線圖，從圖中可知，不同含糖量在紅光至近紅外區(qū)間差異明顯，隨著糖度升高其光譜反射率呈增加的趨勢；在550 nm、700 nm、800 nm附近出現(xiàn)小峰值，這由于有籽西瓜的有機(jī)分子中含氫基團(tuán)振動的合頻、各級倍頻的吸收作用引起的；在570-650 nm 紅光區(qū)域反射率呈直線上升，這與西瓜含有紅色素有關(guān)。

圖2 ?有籽西瓜不同含糖量的光譜曲線差異

2.2 ?無籽西瓜不同含糖量的光譜分析

圖3為無籽西瓜不同含糖量的光譜曲線圖，從圖中可知，在400 -600 nm范圍內(nèi)，高糖度的光譜反射率與低糖度的光譜反射率差異顯著，高糖度的光譜反射率大于低糖度的光譜反射率；在650-900 nm處，隨著糖度升高其光譜反射率升高；在570-650 nm 紅光區(qū)間反射率呈直線上升，這與西瓜含有紅色素有關(guān)；在550 nm、700 nm、800 nm附近出現(xiàn)小峰值。

綜合圖2和圖3兩種西瓜品種的光譜反射率曲線可知，西瓜瓜瓤在550 nm、700 nm、800 nm附近有峰值；在570-650 nm 紅光區(qū)域反射率呈直線上升，因此570-650 nm波段范圍與550 nm、700 nm、800 nm三個波段都可以作為西瓜瓜瓤的特征波段。

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圖3 ?無籽西瓜不同含糖量的光譜曲線差異

2.3 ?黃色甜瓜不同含糖量的光譜分析

圖4為黃色甜瓜不同含糖量的光譜曲線圖，從圖中可知，隨著含糖量的升高在可見光、近紅外區(qū)間其光譜反射率呈增加的趨勢。在410-600 nm 區(qū)間反射率上升速度較快；在600-680 nm區(qū)間反射率上升緩慢；在680-720 nm區(qū)間緩慢下降；在720-800 nm處呈上升趨勢；到了800 nm后，光譜反射率呈下降趨勢；與西瓜瓜瓤相似，在700 nm和800 nm附近有2個峰值，與西瓜一樣，這也是由于甜瓜的有機(jī)分子中含氫基團(tuán)振動的合頻、各級倍頻的吸收作用引起的?？傮w而言，黃色甜瓜糖度不同，其光譜曲線差異顯著。

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圖4 ?黃色甜瓜不同含糖量的光譜曲線差異

2.4 ?青色甜瓜不同含糖量的光譜分析

圖5為青色甜瓜不同含糖量的光譜曲線圖，從圖中可知，在430-550 nm范圍內(nèi)，隨著含糖量的升高其光譜反射率減小；在550-700 nm區(qū)間隨著甜瓜糖度的升高，其反射率升高；在550-580 nm區(qū)間反射率上升較快，形成陡坡；在680 nm附近，低糖度的甜瓜瓜瓤出現(xiàn)低谷，含糖量越高，谷值越深；與西瓜瓜瓤相似，在700 nm和800 nm附近也有2個峰值；在700-1000 nm區(qū)間，糖度與光譜反射率曲線無顯著規(guī)律變化。

綜合圖4和圖5可知，在400-550?nm范圍內(nèi)，黃色甜瓜的光譜反射率顯著高于青色甜瓜，甜瓜在700 nm、800 nm附近有峰值；在500-600 nm 范圍內(nèi)反射率呈直線上升，形成陡坡，因此500-600 nm波段范圍與700 nm、800 nm兩個波段都可以作為甜瓜瓜瓤的特征波段。

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圖5青色甜瓜不同含糖量的光譜曲線差異

2.5 ?糖度相近時不同品種不同種類水果的光譜曲線分析

圖6為糖度相近時不同品種不同種類水果的光譜曲線圖。從圖中可知，西瓜雖然品種不同，其光譜曲線相近，在580-650 nm范圍內(nèi)光譜反射率直線上升，形成陡坡，在550 nm、700 nm、800 nm三個波長附近有三個吸收峰。兩種甜瓜在400-600 nm范圍內(nèi)，光譜曲線變化規(guī)律相似，在520-580 nm附近光譜反射率曲線直線上升，形成陡坡；但在600-720 nm范圍內(nèi)，兩個品種的甜瓜光譜曲線差異顯著，青色甜瓜在680 nm附近有吸收谷，而黃瓜甜瓜沒有出現(xiàn)吸收谷，在720-1000 nm范圍內(nèi)，兩個品種的甜瓜光譜曲線變化趨勢相似。比較西瓜、甜瓜兩種水果的瓜瓤光譜曲線可知，兩種水果都陡坡形成，只是陡坡形成的位置有所差異，在700 nm和800 nm附近均有吸收峰，在720-1000 nm范圍內(nèi)，不同品種的西瓜、甜瓜光譜反射率曲線變化趨勢相似。

圖6 ?糖度相近不同西甜瓜的光譜曲線圖

2.6 ?水果糖度與各波段的光譜反射率的相關(guān)性分析及模型構(gòu)建

圖7為不同水果的糖度與各波段反射率的相關(guān)系數(shù)圖。從圖中可知，四種不同品種的水果，其光譜反射率對糖度的響應(yīng)差異較大。對兩個品種的西瓜而言，無籽西瓜在400-600 nm范圍內(nèi)，其光譜反射率與含糖量呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，在600-1000 nm范圍內(nèi)，其光譜反射率與含糖量呈正相關(guān)關(guān)系，其中600 nm處為零界點(diǎn)；有籽西瓜在400-630 nm范圍內(nèi)，其光譜反射率與含糖量呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，在620-700 nm與820-1000 nm范圍內(nèi)，其光譜反射率與含糖量呈正相關(guān)關(guān)系，在700-820 nm范圍內(nèi)，其光譜反射率與含糖量相關(guān)性較小，接近為0；在660 nm附近，有籽和無籽西瓜的光譜反射率與含糖量形成一個峰值，因此，660 nm可作為西瓜瓜瓤對糖度的一個特征響應(yīng)波段。而對于兩個品種的甜瓜，黃色甜瓜的光譜反射率與糖度在400-1000nm范圍內(nèi)呈正相關(guān)關(guān)系，但在520 nm附近出現(xiàn)一個谷值，該谷值為0，即與糖度相關(guān)性為0；在550-1000 nm范圍內(nèi)，黃色甜瓜的光譜反射率與糖度相關(guān)性較為穩(wěn)定，保持在0.8左右；青色甜瓜在400-570 nm范圍內(nèi)，其光譜反射率與含糖量呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，在570-1000 nm范圍內(nèi)，其光譜反射率與含糖量呈正相關(guān)關(guān)系，與黃色甜瓜類似，在520 nm附近出現(xiàn)一個谷值，該谷值為0.8，即相關(guān)系數(shù)為0.8；青色甜瓜的光譜反射率與含糖量的零界點(diǎn)在570 nm，即相關(guān)系數(shù)為0。

圖 7 ?西甜瓜的糖度與各波段反射率的相關(guān)系數(shù)

圖8為綜合兩種西瓜、兩種甜瓜的糖度與各波段反射率的相關(guān)系數(shù)圖，從圖中可知，西瓜、甜瓜的糖度與各波段的光譜反射率相關(guān)性較高的集中在630-650 nm，其中相關(guān)系數(shù)最高的是639.3 nm處，其相關(guān)系數(shù)為0.951。

圖 8 綜合西甜瓜的糖度與其波段反射率的相關(guān)系數(shù)

圖9為兩種西瓜、兩種甜瓜在639.3 nm處的光譜反射率與其糖度的散點(diǎn)分布圖。根據(jù)散點(diǎn)圖的分布進(jìn)行線性擬合，其一次線性擬合的模型為：y=30.941x-11.05，決定系數(shù)R2為0.904。

圖 9 ?西瓜、甜瓜在639.3 nm處光譜反射率與其糖度的散點(diǎn)圖

運(yùn)用獨(dú)立的數(shù)據(jù)對該線性模型y=30.941x-11.05進(jìn)行檢驗(yàn)，如圖10所示，其實(shí)測值與預(yù)測值之間的決定系數(shù)R2為0.847，斜率Slope為0.905，截距為0.867，相對均方根誤差為6.78%。結(jié)果表明由639.3 nm處的光譜反射率與其糖度構(gòu)建的一次線性模型對于西瓜、甜瓜等糖度的預(yù)測具有較好的效果。

圖10 ?639.3 nm處的光譜反射率與糖度的模型檢驗(yàn)

3 結(jié)論

本研究通過分析不同品種的西瓜、甜瓜的光譜曲線可知，對于不同品種的西瓜而言，其光譜曲線總體變化趨勢相似，在550 nm、700 nm、800 nm附近有吸收峰，在570-650 nm 紅光區(qū)域反射率呈直線上升，形成陡坡，因此570-650 nm波段范圍與550 nm、700 nm、800 nm三個波段都可以作為西瓜瓜瓤的特征波段。對于不同品種的甜瓜，在400-550 nm范圍內(nèi)，黃色甜瓜的光譜反射率顯著高于青色甜瓜，甜瓜在700 nm、800 nm附近也有吸收峰；在500-600 nm 范圍內(nèi)反射率呈直線上升，形成陡坡，因此500-600 nm波段范圍與700 nm、800 nm兩個波段都可以作為甜瓜的特征波段。比較相似糖度下的西瓜和甜瓜的光譜曲線可知，兩種水果都陡坡形成，只是陡坡形成的位置有所差異，甜瓜的光譜曲線陡坡在500-600 nm附近，西瓜的光譜曲線陡坡在570-650 nm附近；在700 nm和800 nm附近均有吸收峰，在720-1000 nm范圍內(nèi)，不同品種的西瓜、甜瓜光譜反射率曲線變化趨勢相似。

????分析不同品種的西瓜、甜瓜的光譜反射率與糖度的相關(guān)系數(shù)可知，不同品種的西瓜、甜瓜，其光譜反射率對糖度的響應(yīng)差異較大，但在紅光范圍630-670范圍內(nèi)均有較高的相關(guān)性。綜合不同品種、不同種類的西甜瓜光譜反射率，分析其對糖度的響應(yīng)波段范圍，研究表明，波段響應(yīng)最高的是639.3 nm，其相關(guān)系數(shù)為0.951，利用獨(dú)立的建模與檢驗(yàn)數(shù)據(jù)，運(yùn)用639.3 nm處的光譜構(gòu)建監(jiān)測模型，并對該模型進(jìn)行檢驗(yàn)，其建模R2為0.904，檢驗(yàn)R2為0.847，斜率Slope為0.905，截距為0.867，相對均方根誤差為6.78%，取得較好的研究效果，研究結(jié)果表明應(yīng)用成像高光譜技術(shù)檢測西甜瓜糖度具有可行性，為進(jìn)一步研究不同水果糖度高精度模型奠定理論基礎(chǔ)。