全透射近红外光谱的苹果整果糖度在线检测模型优化

田 喜，陈立平，王庆艳，李江波，杨 一，樊书祥，黄文倩*

1.中国农业大学信息与电气工程学院，北京 100083 2.北京市农林科学院智能装备技术研究中心，北京 100097 3.北京市农林科学院信息技术研究中心，北京 100097

引 言

苹果是世界四大水果之一, 当前中国已成为世界最大的苹果生产国和消费国。随着我国苹果消费快速增长，消费者和种植者对苹果的内部品质也越来越关注。糖度是体现苹果内部质量的关键因素之一，直接影响了苹果售价。稳定、准确地对苹果糖度进行无损检测分级是目前苹果产业急需解决的问题。传统的苹果糖度测定方法属于损伤性检测，效率较低，检测范围有限，不适用于苹果品质分级。随着计算机和光电传感技术的发展，近红外光谱技术因无损、快速、准确的优势在水果品质检测分级领域快速发展和应用。

根据光源和光谱仪之间的位置关系不同，近红外无损检测通常可分为漫反射和透射二种模式[1]。漫反射模式中光源和光谱仪位于同一侧，该模式在水果品质检测中应用较早，以静态检测为主。苹果表面较为光滑，漫反射模式会产生镜面反射信号，这些无用的镜面反射信号也会被光谱仪采集，降低水果品质的检测精度，这也是水果在线检测中漫反射模式研究较少的一个主要原因。另一方面，受光照强度和维管束分布影响，苹果糖度阳面高于阴面，近果皮处高于内部，近萼端部高于近梗端部，所以苹果属于内部组分分布不均的生物体。然而，漫反射模式只能获取光照区域苹果浅层果肉的光谱信息，无法对整果的综合品质做出有效评价。与漫反射模式不同，透射模式中光谱仪和光源分布在样本的两侧，光谱仪可以采集到穿过样本的光谱信号，这些透射光谱携带了水果内部深层的组织信息[2]。此外，透射模式也没有镜面反射等无用信号的干扰，是水果内部品质在线检测高效且极具前景的检测模式。透射模式也可以细分漫透射和全透射二种方式，漫透射方式可以获取部分水果内部组分信息；刘燕德等采用漫透射方式开发了水果动态在线分选设备，构建了不同品种苹果糖度在线检测通用模型，证明了漫透射方式在线检测苹果内部品质的可行性[3]。全透射方式中光谱仪和光源呈直线式分布在样本两侧，入射光照射水果后，光谱仪获取整个水果的透射光谱信号，然而全透射方式对光谱仪的灵敏性要求较高，当前研究报道还较少。

尺寸、颜色、纹理、年份、产区等生物个体差异和环境温度、检测速度、检测姿态、检测位点等系统差异对预测模型性能均有影响[4]。其中，检测姿态直接影响了光谱信号质量和预测模型的稳定性。Fan等[5]分析了苹果三种检测姿态的漫透射光谱信号质量，发现果梗-花萼轴竖直向上姿态获取的漫透射光谱信号最稳定。Xia等[6]基于苹果六种姿态获取的漫反射光谱构建了苹果整果糖度预测模型，发现果梗-花萼竖直向上姿态的整果糖度预测精度最高。建模算法对预测模型的预测能力和适用能力起到了重要影响；刘燕德[3]等融合三个品种苹果光谱数据构建了苹果糖度在线检测通用模型。Tian等[7]分析了色素对苹果糖度预测模型的影响，基于移除色素特征波长后二次挑选的苹果糖度特征波段构建了更稳定的糖度预测模型。Guo等[8]将苹果表面颜色信息与漫反射光谱数据融合，提高了苹果糖度的预测精度。此外，光谱信号质量直接影响了光谱信噪比。苹果等水果是类球形生物体，入射光在苹果表面照射的位点不同，使得光在苹果内部传输的光程不同，而且苹果不同组织果实内部细胞结构、组成成分和光学传输特性也不相同，这些原因使得光谱仪在不同照射位点获取的全透射光谱信号强度具有差异性。总体而言，构建一个预测精度高、稳定性能好的水果糖度检测模型需要综合考虑到光谱质量、样本个体差异、检测系统和建模算法等多种因素[9-12]。

本研究采用课题组自主开发的短积分全透射近红外光谱采集系统，基于构建的单一姿态和多姿态通用的在线检测模型，分析了检测姿态对苹果糖度预测精度的影响，并结合信号强度阈值优选方法，筛选了有利于苹果糖度预测的全透射光谱，建立了适用于单一姿态和通用姿态的苹果糖度最优检测模型。

1 实验部分

1.1 样品

试验用山东栖霞富士采购于北京岳各庄水果批发市场，手工挑选无表面缺陷、果型正常、直径80～90 mm苹果样本218个。试验前放于22 ℃实验室环境下24 h，以减少样本温度带来的试验干扰。

1.2 光谱采集

采用自主研发的短积分全透射光谱采集系统进行苹果样本光谱采集(图1)，该系统由一个卤素灯(FUJI, JCR, 150 W, 15 V)、一个光谱仪(光谱范围615～1 044 nm，光谱间隔0.5 nm)，一个传送系统、一个光电传感器和一个计算机组成。光源和光谱仪分别呈直线式分布于样本两侧，光谱仪采集样本全透射光谱信号，以便消除水果镜面反射干扰。水果传送通道采用了双层遮光帘以避免外界环境光的干扰。采用硬件触发光谱仪进行光谱采集，因光电传感器到光谱仪距离恒定，在匀速运输条件下，水果遮挡光电传感器后则可以计算水果传送到光谱仪所用的时间，光谱仪在延迟固定传送时间后开始以设定的积分时间连续采集透射光谱信号，通过计算苹果遮挡光电传感器时间，判断光谱仪的工作时长，从而避免光谱仪采集到无用信息，提高光谱的有效性。该系统具有积分时间短、信号灵敏度高的优势，可以在水果通过光谱仪时，以极短的积分时间从单个样本不同位点连续获取多条全透射光谱信号。苹果不同组织果实内部结构、组成成分和光学传输特性不同，因此不同位点获取的透射光谱信号携带了不同的组织信息，而短积分模式在增加光谱数据处理的灵活性的同时，也有利于局部组织的成分分析。

图1 短积分全透射光谱采集系统

设定系统运行参数如下：传送皮带运行速度0.5 m·s-1，光谱仪积分时间5 ms，设备预热30后，分别以如下三个姿态下采集苹果全透射光谱数据(图2)：

图2 不同检测姿态的苹果糖度预测模型构建

姿态1(T1)：果梗-花萼轴竖直，且垂直运动方向

姿态2(T2)：果梗-花萼轴水平，且平行运动方向

姿态3(T3)：果梗-花萼轴水平，且垂直运动方向

1.3 糖度测定

将苹果切成小块，用双层纱布包裹后全部放入压汁机压出果汁，摇匀后立即采用糖度计(型号PR-101α; Atago Co., Tokyo, Japan)测量果汁的糖度值。重复测定三次，取其平均值作为该样本整果糖度的真实值。

1.4 不同检测姿态的通用模型构建

偏最小二乘回归(partial least squares, PLS)是目前基于近红外光谱分析水果内部品质中广泛应用的一种建模方法。为了全面评价苹果检测姿态对苹果整果糖度预测模型的影响，采用PLS构建了单一姿态局限模型和多姿态通用模型。

局限模型(Case a)：分别计算单一检测姿态获取的全位点平均透射光谱曲线，采用PLS算法基于单一检测姿态校正集平均光谱数据构建单一姿态预测模型，并采用单一姿态模型分别评价其他姿态下预测集样本的预测精度；

通用模型(Case b)：合并T1、T2和T3三种检测姿态校正集平均光谱数据，采用PLS算法构建多姿态通用预测模型，并采用通用模型分别评价三种姿态预测集样本的预测精度。

1.5 全透射光谱信号强度优选模型构建

所用的短积分全透射光谱采集系统可以5 ms积分时间，在苹果通过光谱仪时，连续不间断的从单个苹果不同位点获取多条全透射光谱信号。苹果不同位点入射光的光程不同；苹果是类球形内部组分分布不均匀的生物体，苹果不同位置果实内部细胞结构、组成成分和光学传输特性也不相同，使得光谱仪在苹果不同位置获取的全透射光谱信号强度不相同。为了有效的提高短积分全透射光谱的信号质量，提升苹果糖度预测模型精度，发挥短积分全透射光谱采集系统信号处理灵活的优势，提出一种基于信号强度优选的苹果整果糖度在线检测模型优化方法。方法要点如下：(1)确定全透射光谱曲线中信号强度最大的波段位置W；(2)确定波段W下信号阈值N；(3)筛选波段W下信号阈值大于N的全透射多位点光谱曲线；(4)计算筛选的多位点光谱曲线平均光谱曲线；(5)采用PLS算法构建信号强度阈值为N时的模型预测；(6)按照设定步长提高信号强度阈值N，分析苹果整果糖度预测精度随信号强度阈值的变化趋势，优选最优预测模型。当信号强度阈值N大于样本集中任一样本在波段W下光谱最大信号时，该样本没有可用于建模的光谱数据，此时模型终止运行。

1.6 模型预测精度的客观性分析

所有218个样本按照3∶1比例随机划分为校正集和预测集，其中校正集共计162个用于建立预测模型，预测集共计52个用于评价预测模型性能。为了消除样本随机分布导致的模型精度不稳定问题，便于客观地评价模型预测能力，将样本随机划分了20次，并基于每次样本划分结果构建预测模型，最终模型预测精度用20次建模的平均值和标准偏差表示。

1.7 模型预测性能评价

所有模型的预测性能通过校正相关系数(correlation coefficient of calibration,Rc)、预测相关系数(correlation coefficient of prediction,Rp)、校正均方根误差(root mean square error of calibration, RMSEC)、预测均方根误差(root mean square error of prediction, RMSEP)、残差预测偏差(residual prediction deviation, RPD)来评价。

2 结果与讨论

2.1 糖度统计

苹果样本糖度范围在8.1%～14.6%，平均值为11.49%，标准偏差为1.33%，样本集覆盖了足够大的范围，这有利于提高所建预测模型的适用性。

2.2 光谱特征分析

图3(a—c)分别显示了苹果不同检测姿态、多位点光谱采集示意图和单个苹果获取的多位点光谱曲线。650～1 000 nm波段范围内光谱数据质量较好，所以选用这一区间光谱数据用于后续建模分析。苹果样本直径80～90 mm，运行速度0.5 m·s-1，积分时间5 ms，单个样本可获取光谱数量约30～35条。从图中可以看出，苹果通过光谱仪时，不同的检测姿态入射光照射在苹果表面的位点也不相同；然而三种检测姿态下全透射光谱曲线的走势大致相同，在920 nm附近具有最大的光谱信号强度，在850 nm附近存在波谷。图4为同一苹果三种不同检测姿态的平均光谱曲线，其中T1和T2姿态平均光谱强度相近，而T3姿态光谱信号强度最低，这可能是T3姿态下入射光穿透苹果的光程最长和苹果核的阻挡作用导致的。图5显示了三种不同检测姿态下同一苹果所有光谱采集位点920 nm波段信号强度的动态变化，三种检测姿态不同位点光谱强度都有由高到低再升高的趋势，这也反映了光谱仪获取的苹果检测位点是由边缘到中央再到边缘的过程。分析光谱的强度变化发现，T3姿态下光谱强度变化最剧烈，由边缘检测位点的最高值转变为中央检测位点的最低值。结合采集姿态和采集位点结构示意图，分析苹果单果光谱采集的动态变化发现，在T1姿态中，透射光谱主要获取于苹果赤道线上，其中中央采集位点光谱是穿透苹果果核区域而采集得到，此时穿透苹果的入射光光程最长，透射光谱的信号强度最低。此外，苹果果核结构较为坚硬，光在这一区域的穿透能力较弱，进一步削弱了透射光的信号强度。T2姿态中，透射光谱主要沿着苹果果梗-花萼轴获取，苹果果核结构始终阻挡着部分入射光的行进。T3姿态中，透射光谱主要获取于苹果的果肩和果梗区域，其中中央采集位点光谱源于果梗区域，其信号强度最低，再次证明了T3姿态下果梗-花萼轴严重削弱了果梗区域位点的全透射光谱强度。

图3 不同检测姿态下苹果透射光谱采集示意图

图4 同一苹果三种不同检测姿态的平均光谱曲线

图5 不同检测姿态下920 nm波段处光谱强度变化

2.3 光谱预处理分析

由于获取的原始光谱可能含有无用的背景信息或噪声，预处理方法往往可以提高模型的性能。采用21点移动平均平滑(smoothing)、标准正态变量变换(standard normal variable, SNV)、和多元散射校正(multiplicative scattercorrection, MSC)等不同的预处理方法对原始光谱数据进行了预处理。

2.4 检测姿态对整果糖度预测影响

表1显示了基于单一检测姿态获取的全位点平均光谱及预处理后光谱数据集构建的苹果整果糖度预测模型结果(局限模型)。比较校正集和预测集模型参数发现，基于原始光谱所构建模型出现了过度拟合问题(Rc和Rp相差较大)。比较预处理前后光谱所建模型发现，预处理后光谱所建模型没有表现处过拟合，且预测偏差RMSEP和RPD均优于原始光谱。Smoothing预处理方法所建的T1，T2和T3局限模型的RMSEP和RPD分别为0.80%±0.07%和1.45±0.20，0.89%±0.08%和1.36±0.16，0.88%±0.17%和1.42±0.18，预测性能均优于SNV和MSC预处理方法，且T1姿态检测精度优于T2和T3姿态，因此T1姿态更适用于固定姿态下苹果整果糖度品质检测。

表1 不同检测姿态局限模型预测结果

基于单一姿态构建的局限模型预测其他检测姿态光谱时，其模型预测精度显著下降。以T1局限模型为例，预测集RMSEP和RPD由T1的0.80%±0.07%和1.45±0.20到T2的1.15%±0.13%和1.11±0.13、T3的2.13%±0.33%、0.75±0.06，从预测结果可以看出局限模型的鲁棒性不够好，说明不同检测姿态获取的光谱信息存在很大差异，局限模型对光谱检测姿态的变化比较敏感，证明了单一姿态构建的局限模型对检测姿态具有很大的局限性。然而，对苹果内部品质检测设备的开发而言，苹果属于易损伤水果，更适用于人工放果或吸盘自动放果的单果托盘式检测，这种上果方式可以有效的保证姿态的一致性，也有利于提高苹果糖度预测模型的精度。

2.5 不同检测姿态通用模型开发

考虑到实际在线水果检测时，苹果固定检测姿态对人工要求较高，为此，建立了相对单一姿态局限模型而言的多姿态通用模型，分析通用模型下不同检测姿态对预测结果的影响。表2显示了通用模型性能，Smoothing预处理后构建的T1、T2和T3姿态通用模型性能最佳，其RMSEP和RPD分别为0.85%±0.08%和1.23±0.14，0.87%±0.09%和1.27±0.18，0.84%±0.14%和1.48±0.14。与单一姿态的局限模型相比，通用模型与同一姿态的局限模型对预测集样本的预测结果无明显差别，通用模型T1姿态(RMSEP=0.85%±0.08%)稍差于局限模型(RMSEP=0.80%±0.07%)，而通用模型T2姿态(RMSEP=0.87%±0.09%)和T3姿态(RMSEP=0.84%±0.14%)稍优于局限模型(T2：RMSEP=0.89%±0.08%, T3：RMSEP=0.88%±0.17%)。虽然通用模型预测性能没有显著优化，但是它对在不同检测姿态的预测集都获得了准确的结果。因此，通用模型对检测姿态的变化不再敏感，也具有更好的适用性和实用性。

表2 多检测姿态通用模型预测结果

2.6 不同检测姿态信号强度优化模型

信号强度越高越能更加详细地表示预测精度随信号强度阈值的变化。三种检测姿态全透射光谱信号在920 nm波段强度最大，因此，设定阈值优选波段W为920 nm，设定起始阈值N=0，步长500。图6显示三种检测姿态下Smoothing预处理光谱20次预测模型平均性能随着光谱信号阈值变化的动态曲线。随着阈值的不断提高，三种检测姿态的苹果整果糖度预测偏差RMSEP先降低后升高，RPD先升高后降低。当信号强度阈值为12 500，10 000和9 500时，T1，T2和T3姿态所建模型RMSEP最低，分别为0.78%，0.88%和0.83%。当信号强度阈值为12 500，10 000和9 000时，T1，T2和T3姿态所建模型RPD最高，分别为1.73，1.65和1.52。即T1，T2和T3优选信号阈值分别为12 500，10 000和9 000～9 500，由图5可知这些阈值区域基本分布在苹果光谱采集的中央位点区域，说明移除苹果中央位点区域获取的透射光谱可以优化预测模型精度。结合苹果结构和不同姿态下苹果光谱采集位点示意图分析，当苹果被移动通过光谱仪过程中，光谱仪连续采集苹果边缘—中央—边缘的检测位点，三种检测姿态下不同位点光谱强度由高到低再到高。因此随着信号强度阈值的不断提升，苹果中央位点光谱被逐渐移除，苹果整果预测模型精度逐步提升。当信号强度阈值继续提高时，被移除的光谱由苹果中央位点向两侧边缘不断扩展，被移除的光谱范围越来越广，透射光谱携带的苹果组织信息越来越少，当越来越少的苹果两侧边缘位点光谱参与苹果整果糖度模型构建时，苹果整果预测模型预测精度逐渐降低。分析不同检测姿态下模型预测精度随信号阈值变化程度发现，T3姿态在阈值9 000之前变化最剧烈，模型提升的效果也最显著，RMSEP和RPD由初始阶段的0.88%和1.57分别提升到0.83%和1.65。T2姿态在阈值10 000之前均比较稳定，这可能与该姿态获取的苹果组分信息较为稳定有关。三种姿态下中央位点(直径最大区域)光谱移除有助于模型精度提高，一方面可能是因为中央位点信号强度弱，增加了噪声的同时，减小了光谱信噪比，削弱了光谱信号质量导致；另一方面也有可能是因为从中央位点获取的透射光谱穿透了苹果果核结构，苹果核主要由籽粒和纤维膜物质组成，这些与苹果糖度预测无关的组织信息降低了糖度模型的预测精度。

图6 不同检测姿态下模型预测性能随光谱信号阈值变化动态曲线

2.7 不同检测姿态通用信号强度优化模型

以全透射光谱信号强度最高的920 nm波段作为阈值优选波段W，设定起始阈值N=0，步长500。图7展示了三种不同检测姿态Smoothing预处理光谱合并后构建的20次通用信号强度优化模型平均性能随信号强度变化动态曲线，与单一姿态构建的信号强度优化模型变化趋势相同，通用信号强度优化模型性能也随着信号强度的提升表现出先提升后降低的走势。然而通用强度优化模型中信号强度5 000时，预测性能达到最优，RMSEP和RPD分别为0.84%和1.58，最优信号强度阈值显著低于单一姿态下的最优信号强度阈值。不同姿态获取的透射光谱信号强度差异显著，不同检测姿态下光谱采集位点也不相同，通用信号强度优化模型的构建综合考虑多种姿态获取的光谱信息有效性，删除了920 nm波段下信号强度小于5 000的无效光谱，提升了通用信号强度优化模型的预测能力和稳定性。

图7 多姿态通用模型预测性能随光谱信号阈值变化动态曲线

3 结 论

短积分全透射近红外在线检测系统可以用于不同姿态下苹果糖度通用模型开发。本研究采用移动平均平滑、标准正态变量变换和多元散射校正等预处理方法有效去除原始光谱的随机噪声和基线偏差，减小了样本检测姿态引起的光谱差异。基于全位点平均透射光谱构建的单一姿态局限模型对检测姿态具有很大的局限性，而多姿态通用模型预测能力较单一检测姿态相当，但却对不同的检测姿态具有更强的适用能力。基于信号强度阈值优选方法的苹果整果糖度预测模型进一步优化了模型的预测能力，移除中央位点获取的透射光谱信号，有利于提高苹果整果糖度预测模型精度。不同检测姿态获取的透射光谱信号强度不同，不同检测姿态获取的苹果组织信息也具有差异性，使得苹果整果糖度检测姿态的最优信号强度不同。不同检测姿态的通用信号强度优化模型综合考虑多种姿态获取的光谱信息有效性，有效提升了通用信号强度优化模型的预测能力和稳定性。结果表明短积分全透射近红外在线检测系统用于不同姿态苹果糖度预测是可行的，短积分多位点透射光谱采集模式提高了光谱数据处理的灵活性，信号强度阈值优选方法提升了光谱信号的质量和模型的预测能力。