一種快速無損確定蘋果收獲期的光譜檢測方法

背(bei)景介(jie)紹

為了使蘋(pin)果(guo)早上市賣高價，將未成熟的(de)蘋(pin)果(guo)過(guo)早提(ti)前采(cai)摘，會嚴重影(ying)響蘋(pin)果(guo)的(de)產量和質量，降低蘋(pin)果(guo)的(de)貯藏性能。要(yao)增加果(guo)農的(de)生產效益(yi)，必須提(ti)前采(cai)收蘋(pin)果(guo)。適期采(cai)摘是保證蘋(pin)果(guo)優質高產，提(ti)高果(guo)品貯藏力的(de)重要(yao)環節。

圖1.不(bu)同(tong)成熟度，不(bu)同(tong)品(pin)種的(de)蘋果(guo)

蘋(pin)果(guo)適(shi)期(qi)采(cai)收，分期(qi)采(cai)收，是(shi)提高蘋(pin)果(guo)內在(zai)品(pin)質(zhi)，外觀品(pin)質(zhi)和(he)貯藏性的有效措施。判斷果(guo)實(shi)成熟與否和(he)確(que)定采(cai)收期(qi)的方(fang)法很多(duo)，傳統(tong)的辦法主要是(shi)根據果(guo)品(pin)重量(liang)，果(guo)皮底色，果(guo)肉硬度，計(ji)算(suan)果(guo)實(shi)從盛花后(hou)到果(guo)實(shi)成熟的生長天數(shu)，果(guo)實(shi)的呼吸躍變期(qi)發(fa)生時間，果(guo)實(shi)淀粉含量(liang)，氣候條(tiao)件，品(pin)種等因素(su)來(lai)判斷采(cai)收期(qi)。

論述

我(wo)們講述的(de)(de)(de)是一種能夠在果園中(zhong)使(shi)用(yong)光(guang)學和(he)(he)無(wu)損測(ce)量(liang)來確定(ding)收獲日期的(de)(de)(de)方法。以前的(de)(de)(de)光(guang)學方法可以測(ce)定(ding)果皮(pi)色素的(de)(de)(de)變化以及糖含量(liang)和(he)(he)干(gan)物質含量(liang)。Streif指(zhi)數所依據的(de)(de)(de)強度(du)指(zhi)數無(wu)法在果園中(zhong)使(shi)用(yong)光(guang)學方法進(jin)(jin)行非破壞性測(ce)定(ding)。因(yin)此，應通過光(guang)的(de)(de)(de)散射特性找到確定(ding)成熟度(du)的(de)(de)(de)進(jin)(jin)一步措施。基(ji)于這些特性，可以獲得有關細胞(bao)結(jie)構(gou)的(de)(de)(de)知識，這反過來又(you)是保(bao)質期的(de)(de)(de)影響因(yin)素。德(de)國(guo)博登湖水果生產(chan)發(fa)展(zhan)中(zhong)心（KOB，Kompetenzzentrum Obstbau-Bodensee）將使(shi)用(yong)光(guang)譜(pu)儀測(ce)量(liang) Elstar（伊思達）、Gala（嘎啦(la)） 和(he)(he) Jonagold （喬納金）品種的(de)(de)(de)蘋果。

圖(tu)2.快(kuai)速無損檢測方法獲(huo)取蘋果zui 佳采摘時間(初(chu)代原(yuan)型(xing)機)

在 Streif 指數中，可溶性干物質（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 的評分標準來確定。根據計算出的指數（硬度/（糖度 x 強度）），zhi 定了(le)特定品種的(de)收獲窗口。該數據是在多年的(de)研究工作中憑經(jing)驗收集(ji)的(de)。

自 2016 年以來，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，使果實保持完整。用于水果的光學手持式測量設備已經上市，可以提供蘋果皮zui初幾毫米的數據。 根據設備類型的不同，收集的數據量存在很大差異，例如在處理干擾性環境光方面。 有些設備可以計算陽光的影響。 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含量的信息。 然而，僅憑這些數據無法確定收獲日期。因此，在“Big Apple"項目中，可以從已經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，并結合起來形成對zu i佳收獲日期的(de)預測。 這(zhe)些包(bao)括，例如，水(shui)果掛，葉(xie)果比、鈣施肥和上一(yi)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，以便能夠開發強大的預測工具。 此外，光學數據也存在較大的年度波動。 例如：葉綠素值與基本顏色相關，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(pu)儀(yi)測量不(bu)(bu)同(tong)的(de)值。 因此，葉綠素值目前不(bu)(bu)能作(zuo)為確定收獲的(de)唯yi參數

新(xin)型(xing)的光譜檢測儀器(qi)

 Melon 項目的目標是開發一種光譜儀，為確定zui 佳收(shou)獲日期提(ti)供(gong)新的見(jian)(jian)解。 與德(de)國INSION公司以及其(qi)他研究機構合作(zuo)，從頭開(kai)始開(kai)發(fa)了(le)(le)光(guang)(guang)譜儀(yi)并(bing)進行了(le)(le)測試。 為(wei)此(ci)(ci)，制(zhi)造(zao)了(le)(le)不同類型的外殼，并(bing)在智(zhi)能(neng)手機上編寫了(le)(le)數據分析(xi)軟件。 為(wei)了(le)(le)能(neng)夠檢(jian)查所收(shou)集數據的質(zhi)量，鑄造(zao)了(le)(le)模型（具有(you)確定光(guang)(guang)學特性(xing)的半球），并(bing)用其(qi)進行了(le)(le)參(can)考測量。 光(guang)(guang)源(yuan)是光(guang)(guang)譜儀(yi)的心臟。 為(wei)此(ci)(ci)，新開(kai)發(fa)的 LED 被安裝在一個環中。 所開(kai)發(fa)的光(guang)(guang)譜儀(yi)（參(can)見(jian)(jian)圖(tu)3）不僅能(neng)夠確定光(guang)(guang)的反射，還能(neng)夠在第二光(guang)(guang)源(yuan)的幫助下確定散(san)射（參(can)見(jian)(jian)圖(tu)4）。

圖3.手(shou)持式光(guang)譜儀

圖4.快速無損檢測方法獲取蘋果zui 佳采摘時間

光譜儀在現場測試中進行了測試，水果也在另外兩個光學傳感器實驗室裝置(zhi)上進行(xing)了測試。 該項目(mu)的(de)(de)目(mu)的(de)(de)是開(kai)發一(yi)種實用且廉價的(de)(de)現(xian)場測量設(she)備(bei)，該設(she)備(bei)還可以檢測蘋果的(de)(de)散(san)射特性。

圖5. 光(guang)(guang)線（黑(hei)色箭頭）照射(she)(she)到蘋(pin)果時產生的(de)(de)效果示(shi)意圖。雖然(ran)小部分(fen)已經在(zai)表面反射(she)(she)，但大部分(fen)光(guang)(guang)線可以深入到牙(ya)髓中。 在(zai)那(nei)里它被(bei)分(fen)散幾次（即(ji)改變其方向）并重新(xin)出現(xian)，相應地(di)減弱(ruo)，偏移到照射(she)(she)點。 根據光(guang)(guang)的(de)(de)波長（顏色），部分(fen)光(guang)(guang)被(bei)蘋(pin)果吸收。 發射(she)(she)光(guang)(guang)的(de)(de)光(guang)(guang)學(xue)測量(liang)可以識別顏料，或者(zhe)通(tong)過附加模型確定(ding)可溶性固體。 這(zhe)些照片(pian)顯(xian)示(shi)了(le)光(guang)(guang)線如何通(tong)過蘋(pin)果中的(de)(de)點光(guang)(guang)源傳播（左側沒有外(wai)部光(guang)(guang)源，右側有額外(wai)的(de)(de)外(wai)部光(guang)(guang)源）

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

在對新型光譜儀原型機的研究中發現，從蘋果到收獲期間，散射系數逐漸減小，并且存在品種差異。 該項目的進一步結果必須在后續測試中進行檢查。 目前，現有的數據和分析技術不足以借助新開發的光譜儀來預測zui 佳收獲(huo)日(ri)(ri)期。 然(ran)而，KOB 已大(da)大(da)擴展了(le)該應(ying)用的專業知(zhi)識，并且通(tong)過正在進行(xing)的工(gong)作，有可(ke)能小規(gui)模且非破(po)壞性地預測收獲(huo)日(ri)(ri)期。

核(he)心(xin)光譜模塊(kuai)

該光譜(pu)(pu)儀(yi)(yi)器采(cai)用(yong)了德(de)國Insion公司的(de)UV VIS SENS系列光譜(pu)(pu)儀(yi)(yi)，具有靈敏度高，成本低，穩定性高和臺間(jian)差小等特點(dian)，適合大批量手持式(shi)光譜(pu)(pu)儀(yi)(yi)采(cai)用(yong)。

圖(tu)6. UV VIS SENS S 光譜儀模塊（德國INSION公司）

上海昊(hao)量光(guang)地設備(bei)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(fen)子光(guang)譜(pu)，近紅外光(guang)譜(pu)圈(quan)，給更多的客戶(hu)帶來優質的產品和服務(wu)。針對insion系列光(guang)譜(pu)儀(yi)，公司備(bei)有各種型(xing)(xing)號(hao)的樣品供客戶(hu)測試評估，還可以(yi)幫助搭(da)建(jian)實(shi)驗原型(xing)(xing)機(ji)，各種光(guang)譜(pu)測量系統等(deng)。

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上海(hai)昊(hao)量(liang)(liang)光(guang)(guang)電設(she)備有限公司(si)是(shi)光(guang)(guang)電產品專(zhuan)業代理商，產品包括各類激(ji)光(guang)(guang)器、光(guang)(guang)電調制(zhi)器、光(guang)(guang)學(xue)測量(liang)(liang)設(she)備、光(guang)(guang)學(xue)元(yuan)件等，涉及應用涵(han)蓋了材料加工、光(guang)(guang)通(tong)訊、生(sheng)物醫療、科(ke)學(xue)研究(jiu)、國(guo)防、量(liang)(liang)子光(guang)(guang)學(xue)、生(sheng)物顯微、物聯傳(chuan)感、激(ji)光(guang)(guang)制(zhi)造等；可為客戶提供(gong)完(wan)整的設(she)備安裝(zhuang)，培訓，硬件開發，軟件開發，系(xi)統集成等服(fu)務。