近红外高光谱成像技术探索西瓜糖度高精度检测模型

本研究应用了400-1000nm的高光谱相机，可采用杭州彩谱科技有限公司产品FS13进行相关研究。光谱范围在400-1000nm，波长分辨率优于2.5nm，可达1200个光谱通道。采集速度全谱段可达128FPS，波段选择后最高3300Hz（支持多区域波段选择）。

糖度是影响西甜瓜营养与风味的主要因素，即可表征成熟度，又可体现其品质。随着成像和光谱技术的快速发展，高光谱成像技术已经广泛应用于农产品品质的快速无损检测。高光谱成像技术融合了传统的成像和光谱技术的优点，可以同时获取被检测物体的空间信息和光谱信息，因此该技术既可以检测物体的外部品质，也可以检测物体的内部品质如水果的糖度、坚实度、酸度等。

然而，大多数研究者利用光谱仪检测果类品质、糖度、酸度等时，很少有研究者利用多种水果或多品种水果进行研究分析其不同糖度、酸度的光谱差异及特征响应波段范围。研究单一品种或单一类水果的检测模型及其稳定性低、普适性弱，不能较好地实现科研成果产业化的发展。因此本研究以无籽/有籽西瓜、青色/黄色甜瓜为研究对象，利用可见/近红外高光谱成像技术，探索不同种类西甜瓜不同糖度光谱差异及特征响应波段范围，为探索不同水果糖度高精度检测模型奠定基础。

本研究通过分析不同品种的西瓜、甜瓜的光谱曲线可知，对于不同品种的西瓜而言，其光谱曲线总体变化趋势相似，在550、700、800 nm附近有吸收峰，在570~650 nm 红光区域反射率呈直线上升，形成陡坡，因此570~650 nm波段范围与550、700、800 nm等3个波段都可以作为西瓜瓜瓤的特征波段。对于不同品种的甜瓜，在400~550 nm范围内，黄色甜瓜的光谱反射率显著高于青色甜瓜，甜瓜在700、800 nm 附近也有吸收峰；在500~600 nm 范围内反射率呈直线上升，形成陡坡，因此500~600 nm波段范围与700、800 nm两个波段都可以作为甜瓜的特征波段。

比较相似糖度下的西瓜和甜瓜的光谱曲线可知，两种水果都陡坡形成，只是陡坡形成的位置有所差异，甜瓜的光谱曲线陡坡在500~600 nm 附近，西瓜的光谱曲线陡坡在570~650 nm附近；在700 nm和800 nm附近均有吸收峰，在720~1000 nm范围内，不同品种的西瓜、甜瓜光谱反射率曲线变化趋势相似。不同品种的西瓜、甜瓜，其光谱反射率对糖度的响应差异较大，但在红光范围630~670 nm 范围内均有较高的相关性。综合不同品种、不同种类的西甜瓜光谱反射率，分析其对糖度的响应波段范围，研究表明，波段响应最高的是639.3 nm，其相关系数为0.951，利用独立的建模与检验数据，运用639.3 nm处的光谱构建检测模型，并对该模型进行检验，其建模R2为0.904、检验R2为0.847、斜率Slope为0.905、截距为0.867，相对均方根误差为6.78%，取得较好的研究效果，研究结果表明，应用成像高光谱技术检测西甜瓜糖度具有可行性。