高光譜相機在工業(yè)檢測中的應用—金銀花、山銀花中藥材檢測案例
發(fā)布時間：2020/03/04 點擊量：
金銀花是中國傳統藥食同源中藥材和食材，有抗菌抗炎、清熱解毒等功效，具有極高的營養(yǎng)價值。近年來，隨著人們對金銀花營養(yǎng)功效的深入了解，金銀花不但在中藥領域的需求越來越大，在食品行業(yè)（如涼茶、飲料、沖劑等）中的應用也日趨廣泛，導致金銀花市場供不應求，其價格連年持續(xù)飆升。 由于山銀花與金銀花的形狀以及特征等方面極其相似，且產量大、價格便宜，部分不法商販為謀取個人利益，將山銀花摻雜甚至冒充金銀花出售。上述摻假行為不但擾亂了正常的金銀花市場，對金銀花為原料的食品和藥品消費市場也造成巨大危害。
因此，如何建立快速、有效、實用的金銀花與山銀花識別方法，是保證金銀花及其產品品質、健康發(fā)展金銀花產業(yè)亟待解決的問題。目前，對于金銀花的鑒別主要根據外觀性狀進行鑒別（如花蕾尺寸、表面色澤、毛被情況等）以及利用化學方法（如高效液相色譜鑒定法、液－質聯用、標識成分含量測定等）檢測內部品質指標。然而，外觀性狀鑒別方法具較強的主觀性，鑒別誤差較大；而理化鑒別方法具有破壞性，且耗時費力、成本較高，均無法做到對金銀花快速、無損、準確的檢測，難以滿足實際鑒別工作的需要。
高光譜成像技術是融合了成像技術和光譜技術優(yōu)點的一種新興檢測技術，可以同時獲得研究對象內、外部品質特征的光譜信息與空間信息，在農作物的鑒別及品質檢測方面已廣泛應用。高光譜成像技術具有無損、快速、綠色的優(yōu)勢,本研究借鑒其在定量檢測方面的應用,力圖實現金銀花和山銀花藥材質量快速檢測的目的。
應用需求：在暗室條件下對未知含量金銀花、山銀花進行檢測，檢測區(qū)域 180×300mm。
能夠對被測物光譜進行快速相應，檢測出在一定區(qū)域內的金銀花、山銀花含量。方便醫(yī)務人員對被測樣品進行評估，同時也有助于對金銀花（或山銀花）品質、藥效、產地等進行分析。
利用高光譜成像技術能夠無損、有效地鑒別金銀花與山銀花，并且在全光譜和特征波長下均能實金銀花與山銀花的快速判別分析。如下圖所示：金銀花、山銀花原始光譜圖和采用 PCA 判別之后的結果。
1、數據處理方法
按照常規(guī)處理方法，以參考板為基準，求出反射率，并進行光譜平滑，去除
光譜維噪聲。
2、光譜特征分析
從真彩色圖像和假彩色圖像對比可以看出，假彩色圖像中金銀花部分花瓣色調偏白（紅色方框），與其他花瓣不一致。圖 5 中黑色曲線為假彩色圖像中白色花瓣的光譜曲線，可以看出除了白色的金銀花瓣光譜區(qū)別較明顯之外，也存在一些金銀花和山銀花的花瓣光譜區(qū)別較小，形態(tài)相似度較大的情況。對比圖 6 和圖7 可以看出，在 119 波段（611 nm）處山銀花的光譜與金銀花所區(qū)別，山銀花有一個較明顯的吸收，金銀花在該位置的吸收特征不明顯。圖 8 為吸收強度圖，可以看出，山銀花的吸收強度明顯。根據上述特征分析，利用高光譜相機可以用于金銀花及山銀花的工業(yè)級分揀及鑒定識別。
因此，如何建立快速、有效、實用的金銀花與山銀花識別方法，是保證金銀花及其產品品質、健康發(fā)展金銀花產業(yè)亟待解決的問題。目前，對于金銀花的鑒別主要根據外觀性狀進行鑒別（如花蕾尺寸、表面色澤、毛被情況等）以及利用化學方法（如高效液相色譜鑒定法、液－質聯用、標識成分含量測定等）檢測內部品質指標。然而，外觀性狀鑒別方法具較強的主觀性，鑒別誤差較大；而理化鑒別方法具有破壞性，且耗時費力、成本較高，均無法做到對金銀花快速、無損、準確的檢測，難以滿足實際鑒別工作的需要。
高光譜成像技術是融合了成像技術和光譜技術優(yōu)點的一種新興檢測技術，可以同時獲得研究對象內、外部品質特征的光譜信息與空間信息，在農作物的鑒別及品質檢測方面已廣泛應用。高光譜成像技術具有無損、快速、綠色的優(yōu)勢,本研究借鑒其在定量檢測方面的應用,力圖實現金銀花和山銀花藥材質量快速檢測的目的。
應用需求：在暗室條件下對未知含量金銀花、山銀花進行檢測，檢測區(qū)域 180×300mm。
能夠對被測物光譜進行快速相應，檢測出在一定區(qū)域內的金銀花、山銀花含量。方便醫(yī)務人員對被測樣品進行評估，同時也有助于對金銀花（或山銀花）品質、藥效、產地等進行分析。
利用高光譜成像技術能夠無損、有效地鑒別金銀花與山銀花，并且在全光譜和特征波長下均能實金銀花與山銀花的快速判別分析。如下圖所示：金銀花、山銀花原始光譜圖和采用 PCA 判別之后的結果。
按照常規(guī)處理方法，以參考板為基準，求出反射率，并進行光譜平滑，去除
光譜維噪聲。
2、光譜特征分析
從真彩色圖像和假彩色圖像對比可以看出，假彩色圖像中金銀花部分花瓣色調偏白（紅色方框），與其他花瓣不一致。圖 5 中黑色曲線為假彩色圖像中白色花瓣的光譜曲線，可以看出除了白色的金銀花瓣光譜區(qū)別較明顯之外，也存在一些金銀花和山銀花的花瓣光譜區(qū)別較小，形態(tài)相似度較大的情況。對比圖 6 和圖7 可以看出，在 119 波段（611 nm）處山銀花的光譜與金銀花所區(qū)別，山銀花有一個較明顯的吸收，金銀花在該位置的吸收特征不明顯。圖 8 為吸收強度圖，可以看出，山銀花的吸收強度明顯。根據上述特征分析，利用高光譜相機可以用于金銀花及山銀花的工業(yè)級分揀及鑒定識別。
