王玉婷，索玉婷，王長旭，羅華平,2※

（1.塔里木大學(xué)機(jī)械電氣化工程學(xué)院，新疆 阿拉爾 843300；2.新疆維吾爾族自治區(qū)普通高等學(xué)校農(nóng)業(yè)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室）

0 引言

南疆冬棗的產(chǎn)地屬暖溫帶大陸性干旱氣候，總?cè)照諗?shù)2 990 h，無霜期平均210天，年平均氣溫11.4℃，最低為-28℃。阿拉爾氣候溫和，土質(zhì)肥沃，冬棗富含多種微量元素和礦物質(zhì)，有防癌、防心腦血管疾病之功效，營養(yǎng)價(jià)值為百果之冠，倍受廣大消費(fèi)者青睞，被稱為“天下奇果”。

傳統(tǒng)的果品內(nèi)部品質(zhì)檢測(cè)主要采用化學(xué)分析法，制樣繁瑣、分析速度慢，通常用少量樣本代替批次果品的品質(zhì)，且檢測(cè)時(shí)必須破壞果品，因此難以在商業(yè)上應(yīng)用。由于冬棗含水量高、皮薄肉脆，極易受機(jī)械損傷和微生物侵染而腐爛變質(zhì)，因此不宜儲(chǔ)存，也不適合采用傳統(tǒng)方法進(jìn)行果品內(nèi)部品質(zhì)檢測(cè)，而高光譜成像技術(shù)可以根據(jù)其光譜信息與冬棗內(nèi)部的化學(xué)成分相關(guān)聯(lián)，做到快速無損檢測(cè)。

近紅外高光譜成像技術(shù)（near-infrared hyperspectral imaging,NIR-HSI）是將傳統(tǒng)的近紅外技術(shù)與計(jì)算機(jī)成像技術(shù)相結(jié)合，可以同時(shí)采集被測(cè)物品的空間信息和化學(xué)信息，近紅外高光譜在無損檢測(cè)方面已取得頗豐的研究成果，索玉婷[1]等利用線偏振度與水分含量的相關(guān)性和在晴天和陰天條件下的相關(guān)性研究南疆冬棗戶外天氣模型研究；石魯珍[2]等利用高光譜成像技術(shù)測(cè)定冬棗內(nèi)部Vc；王成[3]等選擇從全波段中選擇特定波長建立篩查保健食品中違禁添加抗炎藥物雙氯芬酸鈉的模型；Wang Zheli[4]等選擇光譜信息與特定波長建模測(cè)定玉米單粒種子含水量；Badaró Amanda Teixeira[5]等用機(jī)械學(xué)習(xí)評(píng)價(jià)濃縮面食中的纖維分布；Lan Weijie[6]等通過光譜與色譜量化檢測(cè)蘋果切片內(nèi)部品質(zhì)；Khamsopha Duangkamolrat[7]等利用化學(xué)檢測(cè)方法建立木薯摻假的測(cè)定模型。

本試驗(yàn)以南疆優(yōu)質(zhì)冬棗為研究對(duì)象，基于近紅外高光譜成像技術(shù)，選擇特定波長與紋理信息與不同相位角下的Dolp（Degree of Linear Polarizationg）值進(jìn)行五次多項(xiàng)式擬合，用于反演2π空間內(nèi)的南疆冬棗任意入射角和探測(cè)角的Dolp值，為南疆近地面紅棗品質(zhì)遙感檢測(cè)奠定基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)所用主要儀器是Image-λ-N17E-N3型增強(qiáng)型近紅外高光譜相機(jī)，冬棗采集于新疆維吾爾族自治區(qū)阿拉爾市第一師10團(tuán)。

1.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)時(shí)間為2019年10月8日，室外試驗(yàn)前提前兩小時(shí)從18°的冰柜里拿出冬棗，挑選108個(gè)大小均勻顏色相近的冬棗，挑選的同時(shí)拿軟布把冬棗表面的土擦凈，并在冬棗的穩(wěn)定面按1到108的順序標(biāo)號(hào)。樣品準(zhǔn)備完畢后，開始搭建試驗(yàn)平臺(tái)，在農(nóng)業(yè)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室樓下的空地上選一塊無其他事物投影的場(chǎng)地，擺放試驗(yàn)架，把白板放在試驗(yàn)架的正中間，在試驗(yàn)架的正前方架好高光譜相機(jī)，連接電源、數(shù)據(jù)線、電腦等輔助設(shè)備，調(diào)試設(shè)備，測(cè)量探測(cè)器的方位角、高度角，以及傳感器與白板中心的距離，最后把冬棗按照從左到右從上到下的順序擺放在白板兩側(cè)的試驗(yàn)架上，并記錄白板、試驗(yàn)架等的長度。

室外試驗(yàn)測(cè)定開始，待正午太陽大概在頭頂正上方時(shí)，分別在無偏、0°偏振、45°偏振、90°偏振、135°偏振下對(duì)試驗(yàn)架上的冬棗進(jìn)行掃描，掃描完畢后，再用防曬傘把試驗(yàn)臺(tái)遮起來，重復(fù)上訴操作。之后再調(diào)整探測(cè)器的方位角于30°和45°，繼續(xù)重復(fù)探測(cè)器方位角0°時(shí)的所有試驗(yàn)步驟。每改變一次探測(cè)器方位角，都要測(cè)量一次太陽高度角以及太陽方位角。

室外試驗(yàn)結(jié)束后，把冬棗按順序放到試驗(yàn)盤里，迅速拿到室內(nèi)，按照GB/5009.3-2010《食品中水分的測(cè)定》的方法對(duì)冬棗進(jìn)行水分測(cè)定。

圖1 試驗(yàn)示意圖

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

目前關(guān)于南疆冬棗Dolp模型的研究還較少，Dolp模型沒有得到普遍使用。通過分析南疆冬棗實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，Dolp大小與相位角大小是密切相關(guān)的。本試驗(yàn)在探測(cè)器方位角分別為0°、30°、45°掃描時(shí)，實(shí)驗(yàn)架最左側(cè)一排紅棗的相位角分別為：45.7°、66.5°、72.58°，實(shí)驗(yàn)架最右邊一排紅棗的相位角分別為：73.44°、90.36°、94.77°，白板左側(cè)一排紅棗的相位角分別為：52.2°、75.48°、88.33°，白板右側(cè)一排紅棗的相位角分別為：65.38°、87.86°、90.64°。從12個(gè)相位角的南疆冬棗數(shù)據(jù)中任選9個(gè)，但三次掃描所對(duì)應(yīng)的相位角中各留一個(gè)用來預(yù)測(cè)，后利用Matlab對(duì)Dolp進(jìn)行五次多項(xiàng)式擬合。由于長波部分時(shí)Dolp較高，數(shù)值變化更明顯，所以從全波段中選三個(gè)長波1300nm、1400nm、1500nm進(jìn)行分段預(yù)測(cè)。

圖2為南疆冬棗在波長1300nm、1400nm、1500nm時(shí)試驗(yàn)數(shù)據(jù)和五次多項(xiàng)式擬合曲線的相互關(guān)系圖，其對(duì)應(yīng)的R平方值分別為：0.83、0.91、0.67，由此可以判斷該五次多項(xiàng)式擬合模型較為精準(zhǔn)，可以較好地描述南疆紅棗Dolp與相位角之間的相互關(guān)系，試驗(yàn)數(shù)據(jù)的相位角都集中在了45°到95°之間，而其他范圍的角度則缺乏測(cè)量數(shù)據(jù)的驗(yàn)證和分析。由這個(gè)關(guān)系得出以下結(jié)論：

圖2 南疆冬棗試驗(yàn)數(shù)據(jù)曲線的擬合關(guān)系

（1）當(dāng)相位角由45°向60°、75°向90°逐漸遞增時(shí)，南疆冬棗的Dolp也呈現(xiàn)遞增趨勢(shì)，相位角60°、90°附近Dolp出現(xiàn)峰值，當(dāng)達(dá)到這個(gè)臨界角時(shí)，Dolp則呈現(xiàn)明顯的遞減趨勢(shì)。

（2）當(dāng)相位角由60°向75°逐漸遞增時(shí)，南疆冬棗的Dolp則呈現(xiàn)遞減趨勢(shì)，相位角75°附近Dolp出現(xiàn)谷值，當(dāng)達(dá)到這個(gè)臨界角時(shí)，Dolp則呈現(xiàn)遞增趨勢(shì)。

（3）當(dāng)相位角在45°到100°之間變化時(shí)，南疆冬棗的Dolp會(huì)出現(xiàn)兩個(gè)極大值和一個(gè)極小值。

把預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)與其余3個(gè)位置的南疆冬棗試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較分析，分析結(jié)果如表1，表2。

表2 多波段Dolp模型參數(shù)值

3 結(jié)論

由擬合試驗(yàn)結(jié)果可知，相位角為52.2°、75.48°、88.33°時(shí)，南疆冬棗Dolp分量的誤差分別為：6.38%、2.61%、2.81%。進(jìn)而可以反演2π空間內(nèi)的南疆冬棗任意入射角和探測(cè)角的Dolp值。由于相位角的范圍有限，若想知道2π空間檢測(cè)紅棗品質(zhì)的最優(yōu)相位角還需大量試驗(yàn)，本文可為今后解決相位角對(duì)南疆近地面紅棗品質(zhì)遙感檢測(cè)做鋪墊。