農(nóng)業(yè)行業(yè)
糧食作為人類生存的基本物質(zhì)保障，其質(zhì)量安全至關(guān)重要。然而，糧食在儲(chǔ)存和運(yùn)輸過程中極易受到霉菌污染而發(fā)生霉變。霉變不僅會(huì)導(dǎo)致糧食營養(yǎng)價(jià)值降低、口感變差，還可能產(chǎn)生有害物質(zhì)，如黃曲霉毒素等，嚴(yán)重威脅人類健康和糧食產(chǎn)業(yè)的穩(wěn)定發(fā)展。傳統(tǒng)的糧食霉變檢測方法在準(zhǔn)確性、時(shí)效性等方面存在一定局限性，而高光譜相機(jī)技術(shù)的出現(xiàn)為糧食霉變檢測帶來了革新性的突破。
以彩譜高光譜相機(jī)FigSpec@系列為例：
利用色散元件(光柵或者棱鏡）進(jìn)行分光，再經(jīng)由成像系統(tǒng)成像在探測器上。上圖是光柵色散型高光譜相機(jī)的具體原理。
如果我們要對(duì)圖中的這個(gè)樹葉它每一點(diǎn)的高光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行測量，通過入射光在光柵面進(jìn)行反射，把這一個(gè)點(diǎn)的入射光分解成在不同波長處的能量分布，再通過多個(gè)傳感器象元對(duì)具體的不同波長處的能量進(jìn)行測量。這個(gè)圖看到的就需要有一個(gè)反射光柵或者透射光柵對(duì)光線進(jìn)行分光。
高光譜相機(jī)具有高光譜分辨率和超多波段的特點(diǎn)。其光譜分辨率可以達(dá)到納米級(jí)別，能夠捕捉到糧食在霉變過程中細(xì)微的光譜變化。例如，正常糧食和霉變糧食在某些特定波段的反射率、吸收率會(huì)有明顯差異。同時(shí)，它能夠在一次成像中獲取成百甚至上千個(gè)波段的數(shù)據(jù)，為全面分析糧食狀況提供了充足的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。
糧食霉變?cè)谠缙陔A段往往肉眼難以察覺，但高光譜相機(jī)可以檢測到初期霉變引起的微小光譜變化。霉菌在生長初期對(duì)糧食的化學(xué)成分和結(jié)構(gòu)的改變會(huì)在光譜上有所體現(xiàn)，例如糧食中水分分布變化、微生物代謝產(chǎn)物的光譜特征等，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)霉變的早期預(yù)警。
與傳統(tǒng)的化學(xué)檢測方法需要對(duì)糧食取樣并進(jìn)行破壞式分析不同，高光譜相機(jī)可以在不接觸糧食的情況下進(jìn)行檢測。這對(duì)于大規(guī)模的糧倉儲(chǔ)存檢測非常有利，不會(huì)影響糧食的原有儲(chǔ)存狀態(tài)，而且可以快速對(duì)大量糧食進(jìn)行掃描檢測。
高光譜數(shù)據(jù)可以提供多個(gè)波段的信息，從中可以分析出糧食霉變過程中的多種參數(shù)變化，如水分含量、霉菌種類（不同霉菌有不同的光譜特征）、霉變程度等。通過對(duì)這些參數(shù)的綜合分析，可以更準(zhǔn)確地評(píng)估糧食質(zhì)量。
將高光譜相機(jī)安裝在合適的位置，如糧倉內(nèi)的巡檢機(jī)器人上或者糧食輸送帶上方。對(duì)糧食進(jìn)行掃描成像，采集高光譜數(shù)據(jù)。采集過程中要注意保持穩(wěn)定的光照條件和合適的拍攝距離、角度，以確保數(shù)據(jù)的一致性和準(zhǔn)確性。
采集到的數(shù)據(jù)可能存在噪聲、光照不均勻等問題。需要進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理，包括去除噪聲、校正光照強(qiáng)度差異、波段選擇等操作。通過這些處理，可以提高數(shù)據(jù)質(zhì)量，突出與霉變相關(guān)的光譜特征。
從預(yù)處理后的數(shù)據(jù)中提取與糧食霉變相關(guān)的特征光譜，如特定波長的吸收峰、反射率比值等。利用機(jī)器學(xué)習(xí)算法（如支持向量機(jī)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等）對(duì)這些特征進(jìn)行分析和建模，建立糧食霉變程度與光譜特征之間的關(guān)系模型。
根據(jù)建立的模型對(duì)新采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，輸出糧食是否霉變以及霉變程度的結(jié)果。檢測結(jié)果可以直觀地顯示在監(jiān)控系統(tǒng)上，對(duì)于霉變糧食可以及時(shí)采取相應(yīng)的處理措施，如隔離、通風(fēng)干燥或化學(xué)處理等。
四、未來和展望
高光譜相機(jī)在糧食霉變檢測方面展現(xiàn)出了巨大的優(yōu)勢和潛力。它為保障糧食質(zhì)量安全提供了一種高效、準(zhǔn)確、無損的檢測手段。然而，目前該技術(shù)在成本、數(shù)據(jù)處理算法的優(yōu)化等方面仍有改進(jìn)空間。隨著技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，高光譜相機(jī)有望在糧食產(chǎn)業(yè)中得到更廣泛的應(yīng)用，為全球糧食安全保駕護(hù)航。未來可以進(jìn)一步結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)分析等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)糧食倉儲(chǔ)和運(yùn)輸過程的智能化監(jiān)控與管理。
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