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高光谱成像技术在食品安全检测方面的应用

文档作者：刘世凯李子琦张新乐文档来源：山东师范大学		点击数：	更新时间： 2025年06月06日
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124 食品安全导刊 2015年2月
Technology
科技
食品技术研究
1 引言
食品的质量与安全性通常可以通
过检测物理属性（如外观），化学属
性（如蛋白质含量、PH 值）以及生物
属性（如细菌含量）来确定。传统的
食品检测方法不仅效率低，而且对样
品具有破坏性。近年来，劣质食品充
斥着市场，这类食品由于外表损伤，
添加剂超标，杂质含量高，不仅不会
为人体提供足够的营养，反而会危害
健康。因此，食品在上市前必须进行
严格检测，高光谱成像技术为代表的
遥感技术正在被广泛的应用于食品安
全检测领域。[1]
1.1 可见- 近红外光谱
可见—近红外光谱的波长范围为
400nm 到2500nm 之间。它被广泛应用
于研究分子的结构与食品检测等领域。
然而这种成像是基于点测量，测量某
一点的连续光谱分布，因而不能够得
到被测样品的空间分布。[2] 这种测量
是一种间接的分析技术，很大一部分
依赖于经验判断，分析结果的准确性
与模型建立的质量和模型的合理使用
有很大的关系。
1.2 高光谱
高光谱相对于可见- 近红外光谱
具有巨大优势，借助成像光谱仪，能
以极高的分辨率在紫外、可见光、近
红外和中红外区域、获取许多非常窄
且光谱连续的图像数据，为每个像元
提供数十至数百个窄波段光谱信息，
能产生一条完整而连续的光谱曲线。
其中最主要的两种光谱成像技术为堆
扫型和可调滤光片型。堆扫型具有测
量速度快，光谱纯度高，具有广泛的
应用前景。高光谱图像技术结合光谱
技术与计算机图像技术两者的优点，
可获得大量包含连续波长光谱信息的
图像块，在食品品质检测中结合高光
谱成像技术能够增强检测的精度。其
原理是基于基尔霍夫定律 普朗克辐射
定律，斯特藩- 玻尔兹曼定律，维恩
定律。
高光谱成像仪成功地解决了普通
相机与可见—近红外光谱仪中所提到
的不足。在传统二维成像技术的基础
上发展形成的高光谱技术，能够同时
得到图像信息和丰富，全面的光谱信
息。高光谱成像仪不是在“点”上的
光谱测量，而是在连续空间上进行光
谱测量，因此图像中的每个像素提供
一条几乎连续的光谱曲线，并且每个
像素点包含数十至数百个窄波段信
息. 见图1。
高光谱图像数据是三维的, 称为
图像块，其中包含了空间信息(x,y)
高光谱成像技术在食品安全检测方面的应用
刘世凯 李子琦 张新乐 山东师范大学
摘 要：为了保证食品质量与安全，需要在食品生产、加工过程中对食品相关信息进行实时检测。高光谱成像技术作
为一种新兴的无损检测方法，能够快速准确地获取样本的完整图像信息和光谱信息，实现食品品质的快速、高效检测。本
项目主要旨在利用高光谱成像仪在果蔬的农药和品质检验方面做相应的理论介绍，总结实践应用。果蔬表面污染的检测对
于生产者和消费者来说一直都是很重视的问题，因此高光谱技术在推动果蔬行业持续健康发展，保证果蔬品质，提高果农
收入方面具有十分重要的意义和研究价值。
关键词：高光谱成像技术；食品安全；果蔬品质；无损检测
和波长信息λ。一个分辨率为x×y 像
素的图像检测器阵列在n 个波长处获
得的样品图像块是x×y×n 的三维矩
阵，使得光谱成像技术不仅具有光谱
分辨能力，还具有图像分辨能力。每
一幅高光谱图像都包含了大量有关被
测样品的信息，通过对高光谱图像的
分析和处理可以对测物体进行物理和
化学特征定性和定量分析以及它们的
空间分布。见图2.
2 高光谱成像技术
2.1 研究背景
随着人民生活水平的提高，消费
者对食品品质和安全的要求也日益提
高。因此食品品质和安全信息的快速
高效检测十分重要。推广应用高光谱
成像技术将有助于提高食品品质检测
水平，提升质量管理效率，具有重要
的实用价值。
2.2 研究意义
（1）农产品和食品安全问题的频
频爆发, 农产品和食品安全备受关注。
图 1
Feb 2015 CHINA FOOD SAFETY 125
食品技术研究
利用高光谱对农产品和食品进行检查
不仅快速，而且方便，非常有利于保
证食品安全。
（2）传统的近红外光谱分析法和
可见光图像技术应用于水果品质无损
检测中存在的检测区域小、检测时间
长、仅能检测表面情况等局限性。[3]
高光谱图像技术结合光谱技术与计算
机图像技术两者的优点，可获得大量
包含连续波长光谱信息的图像块，其
图像信息可检测水果的外部品质，光
谱信息则可用于水果内部品质的检测，
达到根据水果内、外部综合品质进行
分类的目的。[4]
2.3 优点
综合多篇高光谱方面的期刊文献，
其优点总结如下：
（1）波段多，光谱分辨率高。与
传统的遥感相比，高光谱分辨率能够
为每一个成像象元提供极窄的成像波
段，并且与多光谱遥感相比，波段数
得到了极大的提高，在可见光和近红
外光谱区内可获得数十甚至数百个波
段，且波段细锐丰富[5]，在某个光谱
区间是连续分布的，相比离散光谱，
这不仅仅是简单的数量增加，而是有
关地物光谱空间数据量的增加。[6]
（2）光谱波长范围广，成像光谱
仪响应的电磁波长能够从可见光一直
延伸到近红外，甚至到中红外。
（3）光谱分辨率高，光谱分辨率
达到约10 个纳米量级，精细的光谱分
辨率反映了地物光谱的细微特征。[7]
（4）空间域信息和光谱域信息十
分丰富，由成像光谱仪获得的光谱曲
线可以与地面实测的同类地物光谱曲
线相类比。为了更直观地描述光谱信
息，我们以波长为横轴，灰度值为纵
轴建立直角坐标系，得到灰度值随光
谱变化的曲线图，可以使高光谱图像
中的每一个像元在各通道的灰度值都
能产生1 条完整、连续的光谱曲线，
即所谓的“谱像合一”。
（5）数据描述模型多，分析更加
灵活。高光谱影像通常有三种描述模
型：图像模型、光谱模型与特征模型。
2.4 局限以及改进方案
虽然高光谱成像技术在食品品质
和安全信息检测领域具有传统检测方
法所没有的优势, 但是作为一项新兴
技术，从实验室到实际的应用还需要
克服其存在的一些局限性，比如受到
高光谱图像采集硬件能力的限制，无
法高效、准确、一次性获取食品整体
高光谱图像。此外，高光谱图像数据
中存在的大量冗余的多重共线性信息，
会导致数据计算需要更加复杂的算法
和处理时间，不利于食品品质的实时
在线检测。高光谱影像维数高、波段
相关性大，会遇到“维数灾难”现象，
需要研究面向高光谱影像的分析方法。
目前的大多数无损检测方法仅采
用了单一的检测手段、较传统的信
号预处理技术和模式识别方法。它
们往往仅对某一两项指标有较好的
信息响应，无法利用多种信息进行
综合全面的评价。而果蔬品质的整
体品质是复杂的，应由多项指标进
行综合评定。随着科学技术的发展，
食品品质无损检测技术将向融合多
种检测技术的方向发展，其中高光
谱图像检测技术具有很大的发展潜
力。食品品质的无损检测技术尤其
是高光谱图像检测技术在我国还处
于实验研究阶段，并没有真正地投
入到实际生产当中。所以，降低高
光谱仪的成本，加速食品品质无损
检测设备的市场应用，实现其在线、
快速、无损检测对我国食品产业的
现代化发展具有非常重要的实际意
义。
图 2
3 高光谱成像技术在食品检测
的应用现状
3.1 果蔬表面污染和损伤
近年来，高光谱技术被应用于检测
果蔬的损伤情况，应用高光谱成像的
方法既能够实现无损检测，又能够快
速准确的获取样本的完整的图像信息
和光谱信息。通过图像和光谱分析方
法，检测果蔬的物理结构、化学成分
和表面特征。
在400-1000nm 的可见光和近红外
的光谱范围内，综合曝光时间、扫描
126 食品安全导刊 2015年2月
Technology
科技
食品技术研究
速度和光谱校正等信息，采集到包括
二维的图像像素信息和第三维的波长
信息的“三维”图像块。由于高光谱
数据具有多光谱通道、高光谱分辨率
和连续光谱的特点，可分辨出极接近
但不同波长下的两幅不同的图像，并
可得到任意像素点的连续光谱曲线和
不同物质的不同光谱曲线。因为在某
些特定波长下, 损伤区域的光谱值与
正常区域的光谱值之间会存在很大差
异，所以能够实现果蔬表面的无损检
测。
3.2 果蔬品质检测
硬度和可溶性固形物含量是决定
果蔬成熟度和收获时节的重要内在指
标。除此之外，重要的果蔬品质指标
还包括外观、口味、香味和化学组成
等传统
果蔬品质检测方法大多具有破坏
性，耗时费力，不适用于大量样品的
实时监测工作。而基于高光谱成像技
术的上述指标测定工作只需少量样本，
并且可以实现相关品质指标的快速、
无损测定。
首先需要从模型样本中提取到包
括二维的图像像素信息和第三维的波
长信息的“三维”图像块。然后建立
多元分析模型，将提取的光谱数据与
样本属性的测量值进行关联，建立定
量关系模型，以用于新样本的品质检
测或分级，从而确定果蔬的品质。
3.3 果蔬农药残留
常见的农药残留检测手法虽然有
很多，但是精度高的检测过程较为复
杂，且检测时间较长，仅能用于实验
室农药残留的精确分析和检测；化学
检测方法一般是破坏性检测，有着消
耗有机试剂、制样繁琐且检测成本高
等不利特点。而高光谱成像检测能够
达到实时、高效、快速、无损检测的
目的。
首先，通过高光谱仪获得果蔬的
高光谱图像，应用主成分分析方法对
所获得的高光谱图像进行分析 , 并找
出特征波长下的图像。应用这些特征
图像 , 经过图像处理技术, 可以检测
出水果表面农药残留。
4 国内外研究发展动态
从20 世纪80 年代初期开始，高
光谱遥感技术因其高分辨率的巨大优
势，得到了世界各国的重视，被称为
遥感发展的里程碑。随之产生的成像
光谱仪技术发展十分迅速，并趋于成
熟与深入，应用日益广泛。
高光谱图像检测技术在微观和食
品安全检测领域的应用研究目前仍处
于探索阶段。但其所具有的诸多特点
如检测灵敏度高、取样量少、快速无损、
操作简便，尤其可在恶劣环境下进行
远距离在线、连续监测等优点，使得
它成为当今食品和农产品检测领域的
应用研究热点。近年来，随着我国经
济的迅猛发展，国民收入和生活水平
不断提高，食品安全问题已成为国民
关注的焦点。在许多发达国家， 蔬菜
生产基地相对集中，农药残留的抽样
检测早已制度化。在我国蔬菜生产相
对分散，蔬菜要保持新鲜，由采收到
销售所经历的时间相对较短，监控部
门没有足够时间把市场上的蔬菜作为
样本进行分析。因此，加强对农产品
残留农药的监测，找到适合我国果蔬
产销特点的检测手段和方法，在当今
阶段具有迫切需要。
5 结论与展望
高光谱成像技术无需损坏待测食
品就能获取丰富的图像和光谱信息，
从而实现食品的快速、无损检测的优
势使得该技术将在未来的食品检测领
域扮演越来越重要的角色。
由于现有的高光谱成像仪比较笨
重，便携式高光谱成像仪的开发将会
使高光谱在食品检测领域的广泛应用
成为可能。
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作者简介：
刘世凯（1993-）男，汉族，山东
青岛人，山东师范大学物理与电子科
学学院，2012 级本科生，光电信息工
程专业
李子琦（1995-）男，汉族，山东
聊城人，山东师范大学物理与电子科
学学院，2012 级本科生，光电信息工
程专业
指导老师：赵日峰
基金项目: 本文系山东师范大学
大学生创业创新项目和国家大学生创
业创新项目。

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