900–1700 nm 近红外高光谱成像柴胡烂根 / 黑心变质识别

摘 要

柴胡以根入药，产地初加工与仓储环节常见两类内部/结构性缺陷：烂根（组织腐朽、纤维散开）与黑心变质（髓部氧化褐变、心材发黑）。二者在可见光下有时仅表现为“颜色深一点"，早期或断面未暴露时，目检容易漏判。采用 900–1710 nm 近红外推扫式高光谱成像，获取 1280×1374 空间像元、1024 个光谱通道的反射率立方体，以健康组织平均光谱为参照，计算光谱角、近红外反照率与 1450 nm 羟基吸收形态；再按“整条偏暗且光谱变形"识别烂根，按“同一根条内部显著变暗的髓心"识别黑心，输出热力图与分区标注。分析表明：健康柴胡在 1000–1300 nm 反射率较高，1200 nm、1450 nm 吸收谷清楚；烂根区同一窗口反射率下降约 17.2%，曲线变平、光谱角增大；黑心区反照率进一步降至健康组织的 63%，900–1400 nm 几乎被压成低平台。定量结果：疑似烂根约占样品投影面积 1.6%，疑似黑心约占 1.1%，合计缺陷 2.7%。方法无需剖开根条，结果可直接作为入库验收与产地初筛的可视化证据。

一、检测背景与意义

柴胡（Bupleurum）根及根茎含柴胡皂苷、挥发油、多糖等成分。田间积水、采挖破损、未全部干燥或仓储受潮，都可能造成两类典型劣变：一是皮部与须根发生湿腐或干腐，根条发糠、纤维散开，即“烂根"；二是形成层以内的髓部发生酶促褐变或微生物代谢，断面呈深褐至近黑色，即“黑心"。两类缺陷都会降低有效成分、影响饮片外观与通关合格率。近红外高光谱把每一个空间像元都变成一条完整反射光谱，可以把“这条根哪里烂了、心是不是黑了"翻译成可定位、可定量的图像。

900–1700 nm 覆盖水分合频、羟基、C–H 及木质素相关吸收。健康白心断面在近红外仍然较亮，并保留柴胡组织的特征谷；黑心因酚类氧化产物在近红外宽波段吸收，表现为整段曲线被压低；烂根则因细胞壁多糖解体、表面结构变粗糙，光谱变平、光谱角偏离健康均值。成像方式比单点光谱仪更适合出示“在哪、有多大"的发布级结果。

二、样品与数据采集

2.1 样品信息

本次分析样品药材为柴胡，形态为根条（含分叉、须根及断面）。样品盘原有编号标签，为避免高反光纸干扰判读并便于对外发布，本文全部结果图均已隐去标签，只保留药材本体。

2.2 样品外观

RGB 对照图用于建立目视印象。本盘根条黄褐至深棕，部分断面露出浅色木质部（健康白心），部分根段纤维散开、皮部发糠，部分折断处髓心明显发暗。这些位置将作为热力图交叉验证的重点。

图1 柴胡根条样品 RGB 图像

三、分析方法

分析流程分为六步：（1）读取反射率立方体，定位 980、1200、1300、1450、1600、1650 nm 等特征通道；（2）以近红外反照率分割药材与深色托盘，并掩膜顶部高亮纸签；（3）取反照率处于 40%–80% 分位、吸收形态接近中位的像元作为健康参照，计算每像元光谱角（SAM）；（4）在每条根的连通域内，把显著暗于该条自身中位反照率的髓心像元判为黑心；（5）把光谱角偏高、整条或局部反照率偏低、但尚未达到黑心阈值的像元判为烂根；（6）形态学开闭去除散点，生成热力图、分区叠加图与面积统计。健康白心断面反照率高、光谱角低，不会被误判为黑心。

需要区分的是：断面浅色木质部在可见光下偏白，容易被误看成“发霉发白"；近红外上它仍保持柴胡指纹，热力图为冷色。黑心则相反——可见光发黑的同时，900–1400 nm 反射被整体压低。因此本文以光谱形态 + 根条内部相对暗度双判据识别黑心，而以光谱角 + 整体反照率识别烂根，避免“见暗即黑、见白即劣"。

四、高光谱曲线特征

图2给出健康组织、疑似烂根、疑似黑心三类平均反射率（实线）及一阶导数（下图）。三条曲线同属柴胡根组织，总体走向相近；差异集中在振幅、吸收谷深度和导数峰谷位置，这是成像识别能够成立的物理基础。

图2 健康组织、烂根与黑心变质平均反射率及一阶导数（特征波长已标出）

健康区 1100–1300 nm 平均反射率约 0.453，1200 nm 与 1450 nm 吸收谷清晰，1650 nm 附近回升，符合干燥根类药材木质纤维素骨架的近红外指纹。烂根区同一窗口降至 0.375，相对健康下降约 17.2% ，谷形变浅、曲线更平坦，光谱角约 0.133 rad。黑心区同一窗口仅 0.284，约为健康组织的 63%，900–1400 nm 呈低反射平台，1450 nm 相对吸收深度由健康的 0.201 变为 0.091，光谱角约 0.145 rad。一阶导数在 1190–1220 nm、1430–1470 nm 的峰谷对比：健康、烂根减弱、黑心最弱，说明黑心不仅“更暗"，而且“形状几乎被抹平"。

4.1 特征波长解读

结合根类药材近红外归属与本次实测，关键波长如下。这些通道用于绘制热力图，也可作为后续建库优先保留的波段。

图3 健康、烂根、黑心在特征波长上的反射率对比

五、热力图可视化识别

高光谱伪彩色由 1600 / 1300 / 1000 nm 合成，用于观察根条结构；编号标签已掩膜。缺陷识别热力图把综合指数映射为蓝→青→黄→红：蓝色与健康光谱一致，黄色为过渡异常，红色为高置信缺陷。再叠加分类色：橙色为烂根，深红色为黑心，肉眼即可完成“看图定位"。

图4 近红外高光谱伪彩色图像（1600/1300/1000 nm，已去除样品盘标签）

图5 柴胡根条缺陷识别热力图（红黄色为高风险；越红风险越高）

将热力图半透明叠到近红外灰度底图上，用虚线圈出主要斑块：橙色标注“烂根区"，深红色标注“黑心区"。烂根多呈整条或皮部斑块，对应纤维散开、发糠的根段；黑心多出现在折断、破口的髓部，对应断面发暗的心材。二者空间分布与 RGB 目视印象一致，同时标出了可见光上尚不够醒目的早期异常。

图6 缺陷区域叠加标注图（橙圈：烂根　红圈：黑心）

图7 综合识别拼图：RGB（去标签）— 伪彩色 — 热力图 — 分区标注

六、缺陷面积与分布

在样品掩膜内部统计：样品投影 105767 像元；疑似烂根 1647 像元（1.56%），斑块 5 处；疑似黑心 1197 像元（1.13%），斑块 5 处；合计缺陷面积占比 2.69%。本盘仍以健康组织为主，但已出现可被近红外定位的烂根与黑心，具备产地初筛与仓储预警价值。

图8 缺陷面积定量：绿色健康、橙色烂根、深红色黑心

七、结果讨论

图谱对照显示：RGB 上纤维散开、皮部发糠的根段，热力图多为黄橙，判为烂根；折断处髓心发黑的根段，内部出现深红斑块，判为黑心。浅色健康断面保持高反照率、低光谱角，热力图为冷色，避免了“见白即劣"。也有少量仅在近红外异常、可见光尚不明显的像元，说明该方法对早期腐朽和髓部氧化比目检更敏感。

物理机制上，烂根破坏细胞壁多糖并改变表面散射，使 900–1400 nm 反照率下降、特征谷变浅、光谱角增大；黑心则因酚类氧化产物在近红外宽吸收，把整条曲线压成低平台，根条内部相对暗度显著高于同一条的皮部。把这两类指数画成一张红黄热力图，再分色标注，适合作为对外发布的识别结果页。

本报告为单盘样品的可视化识别，阈值依据该盘内部统计设定，适用于现场快速出示“何处异常、属于哪类、大约多大"。若需给出通关级等级判定，建议补充已知烂根/黑心等级的建模集，采用 PLS-DA、SVM 或一维卷积网络，并与剖检、水分及有效成分结果交叉验证。

八、结论

（1）900–1710 nm 高光谱可稳定采集柴胡根条反射率指纹；隐去样品盘标签后画面干净，适合发布与存档。

（2）健康、烂根、黑心的核心差异为：健康组织 1000–1300 nm 反射高、1200/1450 nm 谷清晰；烂根同窗口反射下降、光谱变平、光谱角增大；黑心反照率进一步大幅降低，近红外呈低平台。980、1200、1300、1450 nm 是优先关注的特征波长。

（3）热力图以红黄标出风险，橙色标烂根、深红标黑心。本盘疑似烂根约 1.6%，疑似黑心约 1.1%，合计缺陷约 2.7%，已达到产地初筛与仓储预警水平。

（4）该方法无损、可定位、可分型，可嵌入产地收购、饮片厂入库和仓库巡检；与 RGB 合用时，既能给人“看见样品"，又能给出“看见烂根和黑心"。