一種快速無(wú)損確定蘋(píng)果收獲期的光譜檢測方法

背景介紹

為了使蘋(píng)果早上市賣(mài)高價(jià)，將未成熟的蘋(píng)果過(guò)早提前采摘，會(huì )嚴重影響蘋(píng)果的產(chǎn)量和質(zhì)量，降低蘋(píng)果的貯藏性能。要增加果農的生產(chǎn)效益，必須提前采收蘋(píng)果。適期采摘是保證蘋(píng)果優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)，提高果品貯藏力的重要環(huán)節。

圖1.不同成熟度，不同品種的蘋(píng)果

蘋(píng)果適期采收，分期采收，是提高蘋(píng)果內在品質(zhì)，外觀(guān)品質(zhì)和貯藏性的有效措施。判斷果實(shí)成熟與否和確定采收期的方法很多，傳統的辦法主要是根據果品重量，果皮底色，果肉硬度，計算果實(shí)從盛花后到果實(shí)成熟的生長(cháng)天數，果實(shí)的呼吸躍變期發(fā)生時(shí)間，果實(shí)淀粉含量，氣候條件，品種等因素來(lái)判斷采收期。

論述

我們講述的是一種能夠在果園中使用光學(xué)和無(wú)損測量來(lái)確定收獲日期的方法。以前的光學(xué)方法可以測定果皮色素的變化以及糖含量和干物質(zhì)含量。Streif指數所依據的強度指數無(wú)法在果園中使用光學(xué)方法進(jìn)行非破壞性測定。因此，應通過(guò)光的散射特性找到確定成熟度的進(jìn)一步措施?；谶@些特性，可以獲得有關(guān)細胞結構的知識，這反過(guò)來(lái)又是保質(zhì)期的影響因素。德國博登湖水果生產(chǎn)發(fā)展中心（KOB，Kompetenzzentrum Obstbau-Bodensee）將使用光譜儀測量 Elstar（伊思達）、Gala（嘎啦） 和 Jonagold （喬納金）品種的蘋(píng)果。

圖2.快速無(wú)損檢測方法獲取蘋(píng)果zui 佳采摘時(shí)間(初代原型機)

在 Streif 指數中，可溶性干物質(zhì)（糖）（以 °Brix 為單位）、果肉的硬度（以 kg/cm2 為單位）以及淀粉降解程度均采用 1 至 10 的評分標準來(lái)確定。根據計算出的指數（硬度/（糖度 x 強度）），zhi 定了特定品種的收獲窗口。該數據是在多年的研究工作中憑經(jīng)驗收集的。

自 2016 年以來(lái)，KOB 一直致力于各種項目（Big Apple 和 Melon 項目），尋找新的收獲確定方法，使果實(shí)保持完整。用于水果的光學(xué)手持式測量設備已經(jīng)上市，可以提供蘋(píng)果皮zui初幾毫米的數據。 根據設備類(lèi)型的不同，收集的數據量存在很大差異，例如在處理干擾性環(huán)境光方面。 有些設備可以計算陽(yáng)光的影響。 光譜儀數據用于計算果皮顏色（綠色、黃色和紅色色素）的信息，并使用特殊模型計算水果的糖含量或干物質(zhì)含量的信息。 然而，僅憑這些數據無(wú)法確定收獲日期。因此，在“Big Apple"項目中，可以從已經(jīng)商用的光譜儀設備收集的數據與影響儲存壽命的其他已知因素的數據相結合，并結合起來(lái)形成對zu i佳收獲日期的預測。 這些包括，例如，水果掛，葉果比、鈣施肥和上一收獲日期。

由于每年的種植條件差異很大（主要是由于天氣），因此模型需要不斷收集更多的數據，以便能夠開(kāi)發(fā)強大的預測工具。 此外，光學(xué)數據也存在較大的年度波動(dòng)。 例如：葉綠素值與基本顏色相關(guān)，可以作為zui 佳收獲日期的指標。 然而，我們每年在zu i佳收獲日期用光譜儀測量不同的值。 因此，葉綠素值目前不能作為確定收獲的唯yi參數

新型的光譜檢測儀器

 Melon 項目的目標是開(kāi)發(fā)一種光譜儀，為確定zui 佳收獲日期提供新的見(jiàn)解。 與德國INSION公司以及其他研究機構合作，從頭開(kāi)始開(kāi)發(fā)了光譜儀并進(jìn)行了測試。 為此，制造了不同類(lèi)型的外殼，并在智能手機上編寫(xiě)了數據分析軟件。 為了能夠檢查所收集數據的質(zhì)量，鑄造了模型（具有確定光學(xué)特性的半球），并用其進(jìn)行了參考測量。 光源是光譜儀的心臟。 為此，新開(kāi)發(fā)的 LED 被安裝在一個(gè)環(huán)中。 所開(kāi)發(fā)的光譜儀（參見(jiàn)圖3）不僅能夠確定光的反射，還能夠在第二光源的幫助下確定散射（參見(jiàn)圖4）。

圖3.手持式光譜儀

圖4.快速無(wú)損檢測方法獲取蘋(píng)果zui 佳采摘時(shí)間

光譜儀在現場(chǎng)測試中進(jìn)行了測試，水果也在另外兩個(gè)光學(xué)傳感器實(shí)驗室裝置上進(jìn)行了測試。 該項目的目的是開(kāi)發(fā)一種實(shí)用且廉價(jià)的現場(chǎng)測量設備，該設備還可以檢測蘋(píng)果的散射特性。

圖5. 光線(xiàn)（黑色箭頭）照射到蘋(píng)果時(shí)產(chǎn)生的效果示意圖。雖然小部分已經(jīng)在表面反射，但大部分光線(xiàn)可以深入到牙髓中。 在那里它被分散幾次（即改變其方向）并重新出現，相應地減弱，偏移到照射點(diǎn)。 根據光的波長(cháng)（顏色），部分光被蘋(píng)果吸收。 發(fā)射光的光學(xué)測量可以識別顏料，或者通過(guò)附加模型確定可溶性固體。 這些照片顯示了光線(xiàn)如何通過(guò)蘋(píng)果中的點(diǎn)光源傳播（左側沒(méi)有外部光源，右側有額外的外部光源）

該試驗于2018年至2020年在Gala、Elstar、Jonagold和Braeburn品種上進(jìn)行，以便在一個(gè)時(shí)間內覆蓋從早到晚的整個(gè)收獲期。生長(cháng)季節覆蓋晚熟品種。 同時(shí)，KOB 使用常規實(shí)驗室方法確定了收獲的Streif指數，并與我們自己的經(jīng)驗值進(jìn)行比較，以確定長(cháng)期儲存的zui 佳收獲時(shí)間。

在對新型光譜儀原型機的研究中發(fā)現，從蘋(píng)果到收獲期間，散射系數逐漸減小，并且存在品種差異。 該項目的進(jìn)一步結果必須在后續測試中進(jìn)行檢查。 目前，現有的數據和分析技術(shù)不足以借助新開(kāi)發(fā)的光譜儀來(lái)預測zui 佳收獲日期。 然而，KOB 已大大擴展了該應用的專(zhuān)業(yè)知識，并且通過(guò)正在進(jìn)行的工作，有可能小規模且非破壞性地預測收獲日期。

核心光譜模塊

該光譜儀器采用了德國Insion公司的UV VIS SENS系列光譜儀，具有靈敏度高，成本低，穩定性高和臺間差小等特點(diǎn)，適合大批量手持式光譜儀采用。

圖6. UV VIS SENS S 光譜儀模塊（德國INSION公司）

上海昊量光地設備有限公司作為德國INSION在中國地區唯yi的代理合作商，常年活躍在國內分子光譜，近紅外光譜圈，給更多的客戶(hù)帶來(lái)優(yōu)質(zhì)的產(chǎn)品和服務(wù)。針對insion系列光譜儀，公司備有各種型號的樣品供客戶(hù)測試評估，還可以幫助搭建實(shí)驗原型機，各種光譜測量系統等。

關(guān)于昊量光電：

上海昊量光電設備有限公司是光電產(chǎn)品專(zhuān)業(yè)代理商，產(chǎn)品包括各類(lèi)激光器、光電調制器、光學(xué)測量設備、光學(xué)元件等，涉及應用涵蓋了材料加工、光通訊、生物醫療、科學(xué)研究、國防、量子光學(xué)、生物顯微、物聯(lián)傳感、激光制造等；可為客戶(hù)提供完整的設備安裝，培訓，硬件開(kāi)發(fā)，軟件開(kāi)發(fā)，系統集成等服務(wù)。