高光譜相機在工業檢測中的應用—金銀花、山銀花中藥材檢測案例
發布時間：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，具有極高的營養價值。近年來，隨著人們對金銀花營養功效的深入了解，金銀花不但在中藥領域的需求越來越大，在食品行業（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、健康發展金銀花產業亟待解決的問題。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，檢測區域 180×300mm。
能夠對被測物光譜進行快速相應，檢測出在一定區域內的金銀花、山銀花含量。方便醫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別較明顯之外，也存在一些金銀花和山銀花的花瓣光譜區別較小，形態相似度較大的情況。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、健康發展金銀花產業亟待解決的問題。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，檢測區域 180×300mm。
能夠對被測物光譜進行快速相應，檢測出在一定區域內的金銀花、山銀花含量。方便醫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別較明顯之外，也存在一些金銀花和山銀花的花瓣光譜區別較小，形態相似度較大的情況。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級分揀及鑒定識別。
