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高光谱相机在工业检测中的应用—金银花、山银花中药材检测案例

高光谱相机在工业检测中的应用—金银花、山银花中药材检测案例

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一、高光谱成像技术

金银花是中国传统药食同源中药材和食材,有抗菌抗炎、清热解毒等功效,具有极高的营养价值。近年来,随着人们对金银花营养功效的深入了解,金银花不但在中药领域的需求越来越大,在食品行业(如凉茶、饮料、冲剂等)中的应用也日趋广泛,导致金银花市场供不应求,其价格连年持续飙升。 由于山银花与金银花的形状以及特征等方面极其相似,且产量大、价格便宜,部分不法商贩为谋取个人利益,将山银花掺杂甚至冒充金银花出售。上述掺假行为不但扰乱了正常的金银花市场,对金银花为原料的食品和药品消费市场也造成巨大危害。


因此,如何建立快速、有效、实用的金银花与山银花识别方法,是保证金银花及其产品品质、健康发展金银花产业亟待解决的问题。目前,对于金银花的鉴别主要根据外观性状进行鉴别(如花蕾尺寸、表面色泽、毛被情况等)以及利用化学方法(如高效液相色谱鉴定法、液-质联用、标识成分含量测定等)检测内部品质指标。然而,外观性状鉴别方法具较强的主观性,鉴别误差较大;而理化鉴别方法具有破坏性,且耗时费力、成本较高,均无法做到对金银花快速、无损、准确的检测,难以满足实际鉴别工作的需要。


高光谱成像技术是融合了成像技术和光谱技术优点的一种新兴检测技术,可以同时获得研究对象内、外部品质特征的光谱信息与空间信息,在农作物的鉴别及品质检测方面已广泛应用。高光谱成像技术具有无损、快速、绿色的优势,本研究借鉴其在定量检测方面的应用,力图实现金银花和山银花药材质量快速检测的目的。


应用需求:在暗室条件下对未知含量金银花、山银花进行检测,检测区域 180×300mm。
能够对被测物光谱进行快速相应,检测出在一定区域内的金银花、山银花含量。方便医务人员对被测样品进行评估,同时也有助于对金银花(或山银花)品质、药效、产地等进行分析。利用高光谱成像技术能够无损、有效地鉴别金银花与山银花,并且在全光谱和特征波长下均能实金银花与山银花的快速判别分析。如下图所示:金银花、山银花原始光谱图和采用 PCA 判别之后的结果。


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根据空间成像方式的不同,成像光谱仪主要分为摆扫式成像光谱仪、推扫式成像光谱仪和凝视式成像光谱仪。


二、高光谱成像技术数据处理方法

按照常规处理方法,以参考板为基准,求出反射率,并进行光谱平滑,去除光谱维噪声。


三、光谱特征分析



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从真彩色图像和假彩色图像对比可以看出,假彩色图像中金银花部分花瓣色调偏白(红色方框),与其他花瓣不一致。图 5 中黑色曲线为假彩色图像中白色花瓣的光谱曲线,可以看出除了白色的金银花瓣光谱区别较明显之外,也存在一些金银花和山银花的花瓣光谱区别较小,形态相似度较大的情况。对比图 6 和图7 可以看出,在 119 波段(611 nm)处山银花的光谱与金银花所区别,山银花有一个较明显的吸收,金银花在该位置的吸收特征不明显。图 8 为吸收强度图,可以看出,山银花的吸收强度明显。根据上述特征分析,利用高光谱相机可以用于金银花及山银花的工业级分拣及鉴定识别。



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