高光谱成像技术检测油茶果成熟度-莱森光学

0引言

油茶果采摘期受环境因素影响较大，不同地区的天气、气候、积温、土壤肥力等条件不同，造成油茶果的成熟期有早有晚，因此油茶果的采摘时间应根据其具体成熟度而定…。油茶果采收前的最后一个月是油脂积累的高峰期，这段时间油茶果含油量增幅最为明显，同时伴随着内部营养物质的相互转化。然而在此时期油茶果的外部形态特征如形状大小、鲜果质量、颜色等趋于稳定，无明显变化，从而给茶农判断油茶果的成熟度和最佳采摘期带来一定的困难。故迫切需要提出一种快速准确地检测油茶果成熟度的方法，为油茶果的精准采收作业提供帮助。

1、油茶果成熟期理化参数

从每一批次中取10个样品进行油茶果果高、果径、鲜果质量、鲜籽质量、出籽率、含油率、果壳含水率等理化参数的统计，取每一批次各理化参数的平均值作为该批次样品的理化值，计算每个理化参数在整个采摘期内的平均值和标准差，结果如表1所示。

可以发现油茶果的果高、果径在整个采摘期内出现些许的递增，但递增幅度很小，因此标准差较低，只有0.43 mm左右；鲜果质量范围在25～30g之间，鲜籽质量范围在10～15 g之间；油茶果的果壳含水率在采摘期内有下降的趋势，但下降的幅度较小；油茶果出籽率在35％～40％之间波动，油茶果含油率随着采摘时间的推迟而递增，增幅达到59％，其标准差为5.55％，比其他理化参数的标准差高很多，可见若提前采摘油茶果将造成茶油产量的严重损失。并且从采样时间上看，11月10号油茶林中部分油茶果的果壳开裂，油茶果进入全面采收阶段，至11月14号采收工作基本完毕，预留的5棵茶树上的大部分油茶果的果壳开裂，有的油茶果己脱落在地，符合油茶果过熟期特征，将此时采集的油茶果作为对照组，发现其含油率基本保持稳定，说明11月10号左右油茶果进入完全成熟期，此时采摘可使茶油产量最大化，并且陆续有油茶果果壳开裂并脱落导致难以收集，无法再推迟油茶林的整体采收时间。

因此本研究采用含油率作为油茶果成熟度的衡量指标，并结合表2给出其成熟度的定量判别标准：采收前30 d左右，且含油率为(22．00±1．00)％的样品作为成熟度I；油茶果采收前23 d左右，且含油率为(24．00±1．00)％的样品作为成熟度II；茶果采收前16 d左右，且含油率为(27．00±2．00)％的样品作为成熟度III；茶果采收前9 d左右，且含油率为(31．50±2．50)％的样品作为成熟度IV；油茶果采收期间，且含油率为(35．00±1．00)％的样品作为成熟度V。成熟度等级I～V的油茶果样品的成熟度依次递增，成熟度V的油茶果为完熟期样品。本实验不包含过熟期样品，因为过熟期的油茶果果壳开裂容易脱落，凭借人眼很容易判别，无需借助高光谱设备。将以上5种成熟度油茶果样品的高光谱数据作为数据集，用作成熟度的分类。

基于像素点的油茶果高光谱图像曲率校正

油茶果果面曲率较大造成高光谱成像后每个像素点的光谱强度差异较大，并且从油茶果图像的中心区域往果子边缘处的光谱强度逐渐减小，导致边缘处的光谱反射率比中心处低，直接使用这种状态下数据进行建模分类的误差较大，现使用均值归一化方法进行校正。归一化方法在光谱曲线预处理中有重要的应用，可以在一定程度上减小水果形状对采集光谱的影响。

774 nm通道油茶果样品的反射率与背景的反射率差异最大，因此该通道能清晰地显示油茶果样品的灰度图。图3是在774 nm波段校正前后油茶果反射率的伪彩色分布，可以直观地看到校正后油茶果像素点的反射率分布比校正前更均匀，说明均值归一化方法的有效性。

3、不同成熟度油茶果光谱特征分析

939个样本曲率校正前后的光谱曲线图见图4，校正后的数据分布更加集中，数据特征更加明显。670 nm处的吸收峰主要与油茶果壳中的花青素和叶绿素有判281，970 nm处的吸收峰与果壳中的水分有关。将5个不同成熟度等级的油茶果光谱数据分别取平均值，得到油茶果的成熟度曲线如图5所示。可以发现，不同成熟度油茶果的光谱强度差异主要体现在500～630 nm和720～970 nm之间。在500～630 nm之间，成熟度I和成熟度II样品的反射强度差别较小，随着采样时间的推迟，成熟度III和成熟度IV样品的反射强度较前者有所降低，成熟度V样品的反射强度降至最低，该波段范围内呈现出油茶果的光谱反射率随成熟度的增加而降低的规律。在720～970 nm之间，成熟度II～V样品的反射强度随成熟度的增加而降低，而从成熟度I～v样品的反射强度经历两次先增高后降低的过程，可能是与果壳中内源激素含量的动态变化有关。在5个不同的采收时间点，成熟度曲线存在较明显的区别，为成熟度分类提供了理论依据。

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审核编辑黄昊宇