基于高光谱成像技术的生菜失水率与新鲜度预测研究

更新时间：2025-07-09 点击次数：128

基于高光谱成像技术的生菜失水率与新鲜度预测研究

微信截图_20250709141140.png

摘要

本研究旨在利用高光谱成像技术（Hyperspectral Imaging, HSI）实现生菜失水率和新鲜度的快速、无损预测。搭建高光谱成像系统采集不同存储条件（室温、营养液、浸泡、冷藏）下生菜的高光谱数据（400 - 1200nm ），结合化学计量学方法，经光谱预处理、特征提取与筛选，构建偏最小二乘 - 支持向量机（PLS - SVM ）、反向传播神经网络（BPNN ）等预测模型。结果表明，高光谱技术可有效捕捉生菜随存储时间的光谱变化，筛选的特征波长与生菜水分含量、叶绿素等成分相关，构建的模型对失水率和新鲜度预测准确率高，为蔬菜采后品质监测提供了技术支撑。

关键词

高光谱成像；生菜；失水率；新鲜度预测；化学计量学

一、引言

生菜作为常见叶菜类蔬菜，采后易因失水、呼吸作用等导致新鲜度下降，影响品质与货架期。传统失水率与新鲜度检测方法（如称重法、叶绿素仪法）存在耗时、破坏性等局限。高光谱成像技术融合光谱与空间信息，可获取样本化学成分的 “指纹" 特征，已在农产品品质检测（如水果成熟度、肉类新鲜度）中广泛应用。本研究探索高光谱成像技术在生菜失水率与新鲜度预测中的应用，挖掘关键光谱特征，构建精准预测模型。

微信截图_20250709141158.png

二、材料与方法

2.1 实验材料与处理

选取新鲜生菜样本，设置室温（Room temperature ）、营养液（Nutrient solution ）、浸泡（Soaking in water ）、冷藏（Refrigeration ）4 种存储条件，分别记录 1 - 4d 样本状态，采集高光谱图像与失重率、SPAD 值（叶绿素相对含量）等指标。

2.2 高光谱成像系统搭建

搭建含高光谱相机（Hyperspectral camera ）、成像镜头（Imaging lens ）、漫反射光源（Diffuse reflective light source ）、样本台（Sample stage ）等的成像系统（图 2 ），控制工作距离与样本移动，采集 400 - 1200nm 波段高光谱数据。

2.3 数据处理流程

数据处理包括预处理（光谱去噪、S - G 平滑、标准正态变量变换（SNV ）、多元散射校正（MSC ））、特征提取（竞争自适应重加权采样（CARS ）、连续投影算法（SPA ）、主成分分析（PCA ））、模型构建（PLS - SVM、BPNN ）与验证（混淆矩阵、准确率评估），流程如图 3 所示。

三、结果与分析

3.1 生菜失重率随存储时间变化

箱线图（图 4 ）显示，随存储时间（Storge time ）增加，生菜重量（Weight ）显著下降，不同存储条件下失重率存在差异，为新鲜度预测提供基础。

3.2 生菜光谱特征随存储时间与条件变化

不同存储条件下，生菜光谱反射率（Reflectance ）随波长（Wavelength ）变化趋势各异（图 5、6 ）。存储时间延长，光谱在可见光（400 - 700nm ）与近红外（700 - 1200nm ）波段反射率变化显著，如室温存储下，4d 样本在 800nm 附近反射率较 1d 明显降低，反映生菜叶绿素降解、水分流失等品质变化。经差分处理（图 7 ），进一步突出特征波段差异，为特征提取提供依据。

3.3 特征波长筛选与模型构建

通过 CARS、SPA 等算法筛选特征波长，结合 PCA 可视化（PCA image visualization ）验证特征有效性。构建 PLS - SVM、BPNN 模型，结果显示，基于特征波长的模型对生菜失水率与新鲜度预测准确率高，混淆矩阵（图略）表明模型可有效区分不同新鲜度等级样本，为实际应用提供技术支持。

以象科技作为一家由西安光机所光学博士团队、行业资深专家、光谱软件算法团队以及光学应用博士等多元专业力量共同发起创立的科技型企业，在光学技术领域展现出了非凡的潜力与强劲的实力，正逐步成为行业内的一颗璀璨新星。

其团队成员凭借深厚的学术造诣与丰富的实践经验，构建起了一座坚实的技术堡垒。西安光机所光学博士团队深入钻研光学核心原理，在光学系统的设计、优化以及创新方面持续发力，致力于打造出具有性能与高精度的光学基础架构。行业资深专家则犹如敏锐的市场领航员，他们凭借对行业发展脉络的精准把握以及对市场需求变化的前瞻性洞察，为公司的产品战略布局指明方向，确保每一款产品都能精准对接市场痛点，在激烈的市场竞争中脱颖而出。光学应用博士则专注于探索光学技术在各个实际领域的落地应用，他们深入挖掘产品在不同场景下的潜在用途，从生物医学到工业制造，从环境监测到农业科技，不断拓展产品的应用边界，让光学技术真正造福于人类社会的各个角落。

在产品层面，以象科技目前已成功投产并推向市场的可见光、近红外、短波中红外高光谱相机，无疑是其技术实力的集中体现。这不仅为国内相关行业提供了更为可靠、性价比更高的光学设备选择，还在一定程度上推动了我国光学技术自主创新的进程，提升了我国在全球光学产业价值链中的地位。

此外，公司经营的激光共聚焦、激光散斑血流成像仪、光谱仪等光学产品，也均在各自的领域内展现出了的优势与性能。激光共聚焦以其超高的分辨率和清晰的成像效果，在生物医学微观成像领域成为科研人员探索生命奥秘的得力助手；激光散斑血流成像仪能够精准地监测微循环血流变化，为医学临床诊断和疾病研究提供了重要的参考依据；光谱仪则凭借其对物质光谱特性的精确分析能力，在材料成分分析、环境污染物监测以及食品安全检测等领域发挥着作用。

以象科技秉持着集研发、生产、销售于一体的全产业链运营模式，展现出了强大的综合实力与协同效应。其研发中心坐落于西安这充满科技活力与创新氛围的城市，依托当地丰富的科研资源与人才优势，持续不断地投入大量资源进行技术研发与创新，为公司的产品迭代升级和技术突破提供了源源不断的动力源泉。

与此同时，公司精心构建的销售网络如同一张紧密交织的大网，全面覆盖全国各个地区，确保了产品能够快速、高效地触达每一位客户手中。而完善的售后服务机构则像是一位贴心的守护者，随时为客户提供多层次的技术支持与售后服务保障，让客户在使用产品的过程中无后顾之忧，进一步增强了客户对公司品牌的信任度与忠诚度。

以象科技凭借其团队、创新的产品以及完善的运营模式，在光学技术领域正稳步前行，未来有望在国内乃至全球市场上取得更为辉煌的成就，为推动光学科技的进步与应用普及做出更多的贡献。

以象科技由西安光机所光学博士团队，行业资深专家，光谱软件算法团队，光学应用博士等相关人员共同发起成立的科技型公司，目前投产市场可见光、近红外、短波中红外高光谱相机，实现国产化，突破进口技术壁垒，打破进口短波红外高光谱相机的技术限制。

以象科技是一家集研发、生产、销售于一体的科技型公司。目前经营产品有激光共聚焦，激光散斑血流成像仪，光谱仪，高光谱相机等光学产品。研发中心设立于西安，销售网络、完善售后服务机构设立覆盖全国。

上一篇：基于显微高光谱成像技术的尿沉渣结晶样本分析
下一篇：从基础到临床：激光散斑血流成像仪全面解读