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专题--农产品品质智能感知与分级

基于高光谱和X-ray CT的苹果水心病无损检测方法

  • 于心圆 1 ,
  • 王振杰 1 ,
  • 尤思聪 1, 2 ,
  • 屠康 1 ,
  • 兰维杰 1 ,
  • 彭菁 1 ,
  • 朱丽霞 3 ,
  • 陈涛 , 4 ,
  • 潘磊庆 , 1, 2
展开
  • 1. 南京农业大学 食品科学技术学院,江苏 南京 211800,中国
  • 2. 南京农业大学三亚研究院,海南 三亚 572025,中国
  • 3. 塔里木大学 食品科学与工程学院,新疆 阿拉尔 843300,中国
  • 4. 宿迁市产品质量监督检验所,江苏 宿迁 223800,中国
陈 涛,高级工程师,研究方向为食品质量安全与检验检测。E-mail:
潘磊庆,博士,教授,研究方向为果蔬无损检测与质量控制。E-mail:

于心圆,硕士研究生,研究方向为农产品无损检测。E-mail:

收稿日期: 2025-07-17

  网络出版日期: 2025-09-04

基金资助

国家自然科学基金(32272389)

海南省自然科学基金(322CXTD523)

中央高校基本科研业务费专项资金项目(KYLH2024009)

Non-destructive Detection of Apple Water Core Disease Based on Hyperspectral and X-ray CT Imaging

  • YU Xinyuan 1 ,
  • WANG Zhenjie 1 ,
  • YOU Sicong 1, 2 ,
  • TU Kang 1 ,
  • LAN Weijie 1 ,
  • PENG Jing 1 ,
  • ZHU Lixia 3 ,
  • CHEN Tao , 4 ,
  • PAN Leiqing , 1, 2
Expand
  • 1. College of Food Science and Technology, Nanjing Agricultural University, Nanjing 210095, China
  • 2. Sanya Institute of Nanjing Agricultural University, Sanya 572025, China
  • 3. College of Food Science and Engineering, Tarim University, Alar 843300, China
  • 4. Suqian Product Quality Supervision and Inspection Institute, Suqian 223800, China
CHEN Tao, E-mail: ;
PAN Leiqing, E-mail:

YU Xinyuan, E-mail:

Received date: 2025-07-17

  Online published: 2025-09-04

Supported by

National Natural Science Foundation of China(32272389)

Hainan Provincial Natural Science Foundation(322CXTD523)

Fundamental Research Funds for the Central Universities(KYLH2024009)

Copyright

copyright©2025 by the authors

摘要

【目的/意义】 苹果“冰糖心”又称水心病,是一种常见的果实病害,严重的水心病果会随着储藏时间的增加发生霉变,造成食品安全隐患。为实现不同等级水心病苹果快速无损检测,本研究旨在构建有效的分级与可溶性固形物(Soluble Solids Content, SSC)预测模型。 【方法】 本研究选取了230个富士苹果,其中正常、轻度、中度、重度水心苹果数量分别为113、61、47和9个,分别采集了400~1 000 nm范围的反射光谱和X射线计算机断层成像(X-ray Computed Tomography, X-ray CT)数据,并测定了SSC含量。 【结果和讨论】 SSC随水心程度加剧呈上升趋势,重度水心苹果呈现更高的光谱反射率,X-ray CT扫描成像观察到水心区域的组织体积平均密度高于健康组织,基于三维重建算法实现不同等级水心苹果内部水心组织可视化分布。基于偏最小二乘判别分析(Partial Least Squares Discriminant Analysis, PLSDA)构建的不同水心程度苹果果实分级模型建模集和测试集准确率分别为98.7%和95.9%;构建不同水心程度苹果果实SSC回归模型,校正集决定系数(Correlation Coefficient of Calibration, RC2)为0.962,均方根误差(Root Mean Squares Error of Calibration, RMSEC)为0.264,测试集决定系数(Correlation Coefficient of Prediction, RP2)为0.879,均方根误差(Root Mean Squares Error of Prediction, RMSEP)为0.435。 【结论】 该研究构建的不同水心程度苹果果实分级模型能够实现苹果不同等级水心病的预测,构建的不同水心程度苹果果实SSC回归模型能够较好地预测苹果果实的SSC,为苹果水心病无损检测和品质评估提供了有效方法。

本文引用格式

于心圆 , 王振杰 , 尤思聪 , 屠康 , 兰维杰 , 彭菁 , 朱丽霞 , 陈涛 , 潘磊庆 . 基于高光谱和X-ray CT的苹果水心病无损检测方法[J]. 智慧农业, 2025 , 7(4) : 108 -118 . DOI: 10.12133/j.smartag.SA202507022

Abstract

[Objective] Apple "sugar-glazed core" (also known as watercore) is a common physiological disorder in apple fruits. Apples with watercore possess a distinctive flavor and are highly favored by consumers. However, severely affected apples are prone to mold growth during storage, posing potential food safety risks. Currently, the primary method for detecting sugar-glazed core in apple relies on manual destructive inspection, which is inefficient for large-scale applications and fails to meet the demands of modern automated and intelligent industrial production. To achieve rapid and non-destructive detection of apples with varying watercore severity levels, effective grading and soluble solids content (SSC) prediction models were developed in this study. [Methods] The Xinjiang Aksu Red Fuji apples were used as the research subject. A total of 230 apple samples were selected, comprising 113 normal, 61 mild, 47 moderate, and 9 severe watercore apples. The watercore severity was quantified through image processing of the apples' cross-sectional images. X-ray computed tomography (X-ray CT) data were acquired, and SSC values were measured. A hyperspectral imaging system was used to collect reflectance spectra within the 400~1 000 nm range. After performing black-and-white correction and selecting regions of interest (ROI), the Sample Set Partitioning based on Joint X-Y Distances (SPXY) algorithm was applied to divide the dataset into modeling (training) and prediction sets at a 3:1 ratio. Using the iToolbox in MATLAB, discriminant models were constructed based on partial least squares discriminant analysis (PLS-DA), support vector machine (SVM), and convolutional neural network (CNN) algorithms with reflectance spectral data as the input. Regression models for predicting SSC across different watercore severity levels were also established. Feature wavelength selection was carried out using competitive adaptive reweighted sampling (CARS), successive projections algorithm (SPA), and uninformative variable elimination (UVE) methods. [Results and Discussions] The results indicated that as watercore severity increased, the SSC of Red Fuji apples exhibited an upward trend. The average SSC values were 13.4% for normal apples, 14.9% for mild watercore apples, 15.0% for moderate watercore apples, and 16.0% for severe watercore apples. X-ray CT imaging revealed that the average tissue density of watercore-affected regions was higher than that of healthy tissues. Three-dimensional reconstruction algorithms allowed visualization of the internal spatial distribution of watercore tissues at different severity levels. The spatial volume proportions of watercore tissues were 3.92% in mild, 6.11% in moderate, and 10.23% in severe watercore apples. Apples with severe watercore demonstrated higher spectral reflectance. The PLS-DA-based grading model achieved accuracies of 98.7% in the training set and 95.9% in the test set. The model based on feature wavelengths selected by the UVE algorithm also showed high precision, with accuracies of 95.67% in the training set and 86.06% in the test set. For SSC regression modeling, the partial least squares regression (PLSR) model performed best, with a coefficient of determination for calibration (RC2) of 0.962, root mean square error of calibration (RMSEC) of 0.264, coefficient of determination for prediction (RP2) of 0.879, and root mean square error of prediction (RMSEP) of 0.435. The model based on feature wavelengths selected by the SPA algorithm exhibited further improved prediction performance, yielding RC2 0.846, RMSEC 0.532, RP2 0.792, RMSEP 0.576, coefficient of determination for cross-validation (RCV2) 0.781, and root mean square error of cross-validation (RMSECV) 0.637. [Conclusions] This study leveraged hyperspectral imaging and X-ray CT technologies to analyze differences in optical reflectance and microstructural characteristics of apple tissues across different watercore severity levels. The developed grading model effectively predicted watercore severity in apples, providing critical technical support for the development of intelligent post-harvest sorting equipment. The SSC regression model accurately predicted SSC values in apples with varying watercore severity, offering an efficient method for non-destructive detection and quality assessment of watercore-affected apples.

0 引 言

中国苹果总产量、栽培面积、人均占有量均居世界第一。水心病是苹果常见的一种内部生理病害,表现为果肉半透明水渍状病变,由山梨醇代谢异常导致水分积累引起1。此外,患有水心病的苹果口感独特,又被称为“冰糖心”苹果,深受国民喜爱2。新疆阿克苏冰糖心苹果颜色鲜艳、甜蜜清脆,产地主要位于阿克苏红旗坡,是国家地理标志产品之一。霜降前后,阿克苏地区的苹果园会经历多次低温自然霜冻,使得果实中的糖分在低温刺激下,逐渐聚集在果核附近,就形成了半透明状像水渍一样的水心3,促进了新疆冰糖心红富士苹果的盛誉。在此背景下,冷藏存储是延长苹果货架期的主要手段,但长期贮藏过程中出现的品质劣变问题日益凸显,水心含量少的苹果其水心会自动消失,水心含量多的苹果则出现霉变、褐变、腐败,影响苹果的质量及销售各环节的经济收入,严重制约了产业可持续发展。
目前,高光谱成像技术等光学技术在苹果水心病检测方面已得到广泛应用。如Guo等4、Chang等5都使用近红外光谱技术定量检测苹果水心病程度,证明其具有在线识别苹果水心病的能力。张思旭等6利用苹果果皮、果肉、果核层的光学参数构建3层迁移反演模型,通过提取与水心病相关的高光谱特征,实现苹果水心病更高精度的预测。郭俊先等7采用了高光谱反透射图像进行新疆冰糖心红富士水心鉴别,采用标准正态变量变换(Standard Normal Variate, SNV)-主成分分析(Principal Component Analysis, PCA)-最小二乘支持向量机(Least Squares Support Vector Machine, LS-SVM)模型识别效果最优。Ma等8采用近红外高光谱技术方法结合偏最小二乘(Partial Least Squares, PLS)分析,证明水心组织含量引起光散射系数的特征变化,可以实现良好的苹果可溶性固形物(Soluble Solids Content, SSC)预测精度。Fan等9则创新性地将高光谱反射图像特征与纹理特征相结合,提出了联合偏最小二乘法(Combined Partial Least Square, CPLS),采用稳定竞争自适应重加权采样法筛选特征波长,实现了苹果SSC含量的精准预测。Chang等10基于浙江大学智能生物产业装备创新团队研发的可见/近红外光谱在线检测装置,开展对水心苹果的动态检测研究,对水心苹果的识别准确率较高。王晨晨等11通过采用对数函数法和研究提出的幂函数法消除果实直径对光谱衰减的影响,实现亚健康水心苹果的无损检测。
近年来,X-ray CT在果蔬内部缺陷检测等方面取得了重要进展。Diels等12、Jarolmasjed等13、Huang等14的研究都提供了使用X-ray CT检测苹果水心病的可能性。司永胜等15基于苹果CT图像,采用最大类间方差法、区域标记、中值滤波等方法,实现了对伤病区域的定位及特征提取。Herremans等16将X-ray CT成像技术和磁共振成像(Magnetic Resonance Imaging, MRI)技术作为检测水心病的潜在技术进行定量比较,发现均能检测出水心且检测精度都较高,MRI的对比度更高。但X-ray CT技术在苹果水心病检测方面的研究多集中在密度差异分析、CT值阈值分割层面,并未实现水心病苹果内部水心组织可视化分布及精准量化表征。
将高光谱成像技术及X-ray CT技术结合,能够从不同维度共同揭示水心病的特征,从而实现功能上的互补与验证。高光谱成像技术主要用于获取苹果外部和浅表的化学成分信息,X-ray CT则能够无损地透视苹果内部,精确量化水心组织的三维空间分布、体积差异,这是高光谱技术无法独立实现的。利用X-ray CT提供的精准内部结构数据,能够验证高光谱所检测到的表面化学成分异常是否与内部真实的病害发生、发展及严重程度具有一致性。
本研究以新疆阿克苏红富士苹果不同程度的水心病为研究对象,以高光谱成像技术及X-ray CT技术为核心,分析不同等级水心病苹果组织光学反射和微观组织结构差异,建立的水心病苹果判别与回归模型精度较高,为苹果采后品质智能分选装备的研发提供了关键技术支撑,对提升中国苹果产业智能化水平具有重要意义。

1 材料与方法

1.1 试验样品

本研究选取新疆阿克苏红旗坡某果园的红富士苹果作为研究对象,苹果采收日期分别为2024年10月26日、11月5日、11月12日和12月8日。从四批苹果中共挑选230个横径为85.50±3.09 mm,重量为254.01±26.13 g,大小均匀,成熟度一致,表面无伤痕和病虫害的苹果样品用于高光谱成像及可溶性固形物测定。此外,为进行内部结构表征,另挑选5个典型苹果样品进行X-ray CT测量。所有样品均在采收后24 h内完成预处理并置于标准实验条件下保存,以保证数据可靠性。
图1所示为各指标的测量位点,每个苹果样品选取赤道部位的三个均匀分布测量位点,以确保数据的代表性和可重复性。
图1 苹果样品高光谱成像和可溶性固形物的测量位点

a. 高光谱成像赤道部位测量位点对应的果顶位点 b. 可溶性固形物测量位点

Fig. 1 Hyperspectral imaging of apple samples and measurement sites of soluble solids content

1.2 水心病等级划分方法

通过对所采集水心苹果样品的横截面图像进行图像分析处理,以实现对苹果水心程度的量化评估。图2展示了不同水心等级苹果的图像处理流程。具体步骤为:首先,将苹果赤道部位横截面的原始RGB图像转换为灰度图像,通过边缘提取获取果形区域的轮廓,进而经图像填充得到果实横截面的整体区域,并将该填充区域内像素值设置为0,统计所得果形区域的像素总数,记为A1。随后,提取原始RGB图像的蓝色通道(B通道)图像,经观察发现该通道下水心组织与健康组织间对比度较为明显。对B通道图像进行阈值为80的分割处理,以识别水心组织区域,该区域像素值设为1,统计水心区域的像素总数,记为W1。最终,以水心组织区域像素数(W1)与果实横截面总像素数(A1)的比值,作为评价苹果水心程度的定量指标。
图2 不同等级水心病划分的图像处理过程

Fig. 2 Image processing process for the classification of water core disorder at different levels

基于以上划分方法,水心严重程度指数(Watercore Severity Index, WSI)< 1%时为正常苹果(图3a),WSI = 1%~5%时为轻微水心苹果(图3b),WSI = 5%~10%时为中度水心苹果(图3c),WSI > 10%时为重度水心苹果(图3d)。
图3 四种不同等级水心病苹果果实

a. 正常苹果 b. 轻微水心苹果 c. 中度水心苹果 d. 重度水心苹果

Fig. 3 Images of apple fruits with water core disorder at four different levels

1.3 高光谱成像系统及反射光谱采集

1.3.1 高光谱成像系统

高光谱成像系统主要由摄像机、成像光谱仪、电荷耦合器件(Charge-Coupled Device, CCD)摄像头、光源、一套机械输送装置,以及计算机中的数据采集软件Spectral Image等组成。本研究采用的高光谱图像采集系统基于反射模式设计,其配置如图4所示,样品固定在传送带上,传送带表面采用低反射率黑色橡胶材质,并在传送带表面配备样品固定夹具,确保检测过程中样品位置稳定。两个线光源位于样品的侧上方,光源安装角度为45°,配备恒流电源确保光照强度稳定。光线被样品反射后被光谱仪吸收,转换成数据传入计算机的数据采集软件中。为消除外部光线对实验结果的干扰,整个检测装置置于暗箱内,箱体内部为黑色无反光背景,并设有气幕隔离装置以进一步阻断外界光线进入。具体实验参数设置如下:相机镜头与样品距离为30 cm,线光源与样品距离为20 cm,光照强度为60 W,光线以45°角照射苹果样品,相机曝光时间设定为4 ms。将三个苹果样品置于传送带上,运行高光谱成像系统以采集其高光谱图像信息,最终获得在400~1 000 nm波长范围内共计420个波段下的图像数据。
图4 高光谱反射成像系统构成示意图

Fig. 4 Schematic diagram of the composition of the hyperspectral reflectance imaging system

1.3.2 数据处理方法

通过高光谱成像系统采集到原始图像后,需要先对原始图像根据公式(1)进行黑白校正并计算出校正后的图像ρ C,黑白校正直接使用数据采集软件Spectral Image。用黑色不透明的镜头盖盖住相机镜头即得到全黑标定图像,采集聚四氟乙烯白板的图像作为全白标定图像17。原始图像黑白校正公式为:
ρ C = W - ρ 0 ρ 0 - D
式中:ρ 0为原始图像;W为使用标准白板(反射率99%)获取的全白标定图像;D为在完全遮光条件下采集的全黑标定图像;ρ C为黑白校正后的图像。ρ C被用来选取感兴趣区域(Region of Interest, ROI),主要使用Matlab(R2023b,MathWorks. Inc,美国)软件进行。感兴趣区域选择赤道部分60×30个像素点大小的矩形区域,再根据公式(2)计算感兴趣区域中所有像素点的平均光谱I
I = i = 1 m I i m
式中:m为感兴趣区域中的像素点数,1 800个;Ii 为第i个像素点的光谱;I为感兴趣区域的平均光谱。

1.4 可溶性固形物的测定

在完成高光谱成像反射光谱采集后,按照标准化的样品制备流程进行处理:首先使用灭菌水果刀削去苹果表皮(厚度约1 mm),然后切取果实赤道区域皮下25 mm×10 mm×5 mm(长×宽×高)果肉,挤压提取果肉切片的果汁,用双层纱布过滤18,采用手持式糖度仪(PAL-1,ATAGO)测定苹果样品的可溶性固形物含量,在每次测定前使用蒸馏水进行仪器校准,每个苹果样品重复测3次,SSC浓度(%)。

1.5 X-ray CT成像

1.5.1 定量计算苹果水心病组织空间体积占比

使用X-ray CT成像设备采集不同等级水心病苹果及健康苹果完整果实样品断层扫描图像,获得高分辨率图像数据体。采集参数为:源电压80 keV、电流100 μA、分辨率3.0 μm,曝光时间1 000 ms。
使用Avizo专业三维可视化分析软件,对所有完整果实样品的原始断层扫描图像使用中值滤波进行降噪处理,然后分别对苹果整果和水心组织利用交互阈值法进行标记和分割,再分别对正常、轻微、中度和重度水心病苹果样品进行三维重建(图5)。
图5 完整水心苹果样品的X-ray CT成像分析和三维重建

a. 原始3D图像 b. 原始图像切片 c. 水心区域标记 d. 水心区域分割 e. 水心区域3D重建

Fig. 5 X-ray CT imaging analysis and 3D reconstruction of intact watercore-affected apple samples

对完整苹果水心病组织空间体积定量计算。分别统计出水心病组织所包含的体素数量和整果苹果体素数量,以水心病组织所包含的体素数量占整果苹果体素数量的百分比来定量计算不同等级水心苹果的水心组织占比。水心组织占比和定量计算方法如公式(3)所示:
水心 占比 % = 水心 组织 体素 数量 苹果 整果 体素 数量 × 100 %

1.5.2 观察苹果水心病组织微观结构

为进一步探究健康组织和水心组织的微观组织结构差异,使用X射线显微CT进行微观结构测量包含正常和水心组织切片的果肉切块,取材部位选择苹果赤道区域,从苹果赤道部位精确切取4 mm×4 mm×10 mm的长方体组织块。X-ray CT成像设备采集参数同1.5.1。

1.6 模型的建立及特征波段的挑选

1.6.1 预测模型的建立

SPXY(Sample Set Partitioning Based on Joint X-Y Distances)算法是一种划分样本的算法,该方法基于均衡化原则,在计算样品间距离时不仅考虑仪器响应矢量空间X变量(光谱)也考虑因变量空间Y变量(理化值),能够有效覆盖多位向量空间,选出能够均匀覆盖整个样品集区域的样本19。建模集(训练集)与预测集样本数采用SPXY算法按3∶1进行划分,并利用Matlab中的iToolbox 工具箱建立模型。
根据反射光谱数据构建了分别基于偏最小二乘判别分析(Partial Least Squares Discriminant Analysis, PLS-DA)、支持向量机(Support Vector Machine, SVM),以及卷积神经网络(Convolutional Neural Network, CNN)的判别模型和不同水心程度苹果果实SSC的回归模型。PLS通过提取自变量和因变量的潜在变量,在最大化自变量与因变量相关性的同时,简化数据维度,建立回归模型;SVM是一种基于统计学习理论的分类算法,核心思想是在特征空间中找到一个最优超平面,使不同类别的样本尽可能分隔开,且与最近的样本点的距离最大;CNN是一种深度学习模型,受生物视觉系统启发,通过卷积层、池化层和全连接层等结构提取数据的局部特征,并通过权值共享减少参数数量。采用校正集决定系数和均方根误差,测试集决定系数和均方根误差,交叉验证决定系数(Correlation Coefficient of Cross-Validation, R C V 2)和交叉验证均方根误差(Root Mean Squares Error of Cross-Validation, RMSECV)来评估回归模型的性能。

1.6.2 特征波段的筛选

光谱特征波段选择方法分别为CARS(Competitive Adaptive Reweighted Sampling)算法、SPA(Successive Projections Algorithm)算法、UVE(Uninformative Variable Elimination)算法,同样利用Matlab进行。CARS算法基于蒙特卡洛采样,结合PLS回归的系数,通过自适应重加权的方式,不断筛选出对模型贡献较大的波长变量,同时弱化或去除对模型贡献较小的变量,从而实现特征波段的挑选,以提高模型的预测能力和稳定性20。SPA算法基于向量投影的思想,通过逐步选择与已选变量线性无关性最强的变量,来构建特征子集,以减少变量之间的共线性,提高模型的准确性和解释性21。UVE算法通过建立PLSDA或PLSR模型,计算每个变量的回归系数,并对系数进行统计分析,将系数绝对值较小且不显著的变量视为无信息变量进行剔除,从而筛选出对模型有显著贡献的特征波段22

2 结果与讨论

2.1 水心病等级划分结果

对苹果样品进行等级划分,分别获取了113个正常苹果(WSI < 1%)、61个轻微水心苹果(WSI = 1%—5%)、47个中度水心苹果(WSI = 5%—10%)和9个重度水心苹果(WSI > 10%)样品。不同苹果水心病等级划分结果如表1所示。
表1 不同苹果水心病等级划分结果

Table 1 Grading results of apple watercore at different severity levels

水心病等级 批数/个 总计/个
第一批 第二批 第三批 第四批
正常 58 28 19 8 113
轻微 10 21 17 13 61
中度 3 19 11 14 47
重度 1 2 2 4 9
总计 72 70 49 39 230

2.2 可溶性固形物变化

使用手持式糖度仪对230个苹果的可溶性固形物含量测定,分别在每个苹果赤道区域选取3个感兴趣区域测定,去掉异常值后,681个糖度值的直方图分布如图6所示。所有苹果样品的可溶性固形物平均值为14.3%,最大值为19.6%,最小值为9.8%,方差为1.8,检验呈正态分布,表明数据具有合理性。
图6 不同等级水心苹果可溶性固形物含量直方图分布检验

Fig. 6 Distribution test of histogram of soluble solids content in apple fruits with water core disorder at different levels

正常、轻微、中度和重度水心苹果样品糖度分布箱线图和统计学分析结果如图7所示。从图中可观察到,随着水心病程度加剧,红富士苹果的糖度呈上升趋势。正常苹果样品可溶性固形物平均值为13.4%,轻微水心苹果样品为14.9%,中度水心苹果样品为15.0%,重度水心苹果样品为16.0%。对四组样品糖度进行统计学差异性分析发现,除轻微与中度外,其他组间均具有显著性差异(P < 0.05)。其中,正常苹果样品与其他三种不同程度水心苹果样品组间具有极显著差异(P < 0.01)。
图7 不同等级水心苹果可溶性固形物含量箱线图统计分析

Fig. 7 Statistical analysis of box plot of soluble solids content in apple fruits with water core disorder at different levels

2.3 不同水心程度苹果果实X-ray CT成像分析

2.3.1 苹果水心病组织空间体积统计分析

苹果水心病组织空间体积统计结果如图8所示,重度水心苹果显示出最高的水心病组织空间体积占比,完整苹果有373 378 134个体素点(图8c),其中水心病组织有38 294 193个体素点,水心病组织空间体积占比为10.23%(图8f);其次是中度水心苹果,完整苹果有353 989 233个体素点(图8b),其中水心病组织有21 624 138个体素点,水心病组织空间体积占比为6.11%(图8e),轻微水心苹果水心病组织空间体积占比明显低于其他两种苹果,完整苹果有348 573 919个体素点(图8a),其中水心病组织有13 652 561个体素点,水心病组织空间体积占比为3.92%(图8d)
图8 不同等级水心病组织三维重建和体素计算

Fig. 8 Three-dimensional reconstruction and voxel calculation of tissues with different levels of water core disorder

定量分析结果显示,苹果水心病组织的空间体积占比呈现出显著的等级依赖性变化特征。具体而言,通过X-ray CT三维重建和体素分析表明:重度水心苹果的水心组织体积占比显著高于中度水心苹果显著高于轻微水心苹果。体素数量占比也与先前的苹果横截面水心面积占比划分标准保持了高度一致,不仅验证了X-ray CT成像计算可实现苹果水心无损快速检测和定量分析,也为建立标准化的水心病分级检测体系提供了重要依据。

2.3.2 苹果水心病组织微观结构特性分析

图9显示了正常和水心微观组织结构和三维可视化重建的过程。从图9中可观察到,正常组织中能清晰看到单个完整的细胞形态,它们呈现出规则的状态,彼此之间存在着明显的细胞间隙,可以区分单个椭球细胞的轮廓;健康组织的孔隙结构特点是孔之间的许多连接,这些连接相互交织,形成一个有序的结构。在对水心组织进行观察时,几乎无法观察到孔隙的存在,也难以发现单独的完整细胞。通过3D重建对组织样品进行全方位的数据采集与处理,以立体的形式展示组织的微观结构,从而直观且有力地说明了上述关于正常组织与水心组织微观结构差异的结果。
图9 正常和水心微观组织结构分析和三维可视化重建

Fig. 9 Analysis of the microscopic tissue structures of normal and water-cored samples and 3D visualization reconstruction

实验数据表明,水心病变区域的组织体积平均密度显著高于相邻健康组织,通过X-ray CT成像分析发现,由于水心组织中细胞结构改变,从而导致更高的X射线吸收,可以用于水心组织体积的定量分析,为苹果水心病的无损检测和分级提供了可靠的依据。

2.4 不同水心程度苹果果实成像光谱分析

图10展示了正常、轻微、中度和重度水心苹果样品400~1 000 nm平均反射光谱图。四组样品具有相似的光谱变化趋势,总体来说,重度水心苹果样品的反射率略高于其他三组。其次,光谱分析结果显示,在400~1 000 nm波长范围内存在三个特征明显的吸收峰。480 nm处的吸收峰主要归因于类胡萝卜素的π-π*电子跃迁23,水心病的发生与发展伴随着强烈的氧化应激过程。类胡萝卜素作为细胞膜系统内重要的脂溶性抗氧化剂,其含量与状态会因清除过量自由基而发生显著改变,从而导致该波段吸收特征出现异常;675 nm处的强吸收峰对应于叶绿素a(以及部分叶绿素b)在红光区的特征吸收带,反映了光合色素的含量变化24,水心病会严重破坏果肉细胞结构,叶绿体作为细胞器,其完整性在此过程中受损,导致光合色素降解或分布变化,这可能是该波长吸收特性改变的直接原因;980 nm处的宽吸收带则是由水分子的O-H键伸缩振动倍频吸收所致,水心组织中山梨糖醇含量较高引发水分滞留,超氧阴离子和过氧化氢含量较正常组织显著升高25,影响了该波长处的吸收特性。在特征吸收峰处重度水心苹果样品的反射率也均高于其他三组。
图10 不同等级水心苹果平均反射光谱图

Fig. 10 Average reflection spectra of apple with water core disorder at different levels

2.5 不同水心程度苹果果实分级模型构建

为进一步分析光谱技术对苹果水心病检测的有效性,使用SPXY算法对四组样品进行随机划分,其中正常组、轻度、中度、重度水心苹果训练集样品数量分别为122、47、43、10个,测试集分别为49、15、8、1个。表2为使用PLS、SVM、CNN三种不同算法构建不同水心程度苹果果实分级模型的建模效果,从表2中可以看出PLS的建模效果最好,训练集和测试集正确率均较高,因此选择PLS进行后续的特征波段筛选。
表2 不同算法构建不同水心程度苹果果实分级模型的建模效果

Table 2 Modeling effects of apple fruit grading models for different water core degrees constructed by different algorithms

模型 样本集合 总体/% 正常组/% 轻度水心组/% 中度水心组/% 重度水心组/%
PLS 训练集 98.7 99.2 95.8 100.0 100.0
测试集 95.9 95.9 100.0 87.5 100.0
SVM 训练集 99.6 100.0 100.0 97.8 100.0
测试集 82.8 100.0 57.1 75.0 25.0
CNN 训练集 94.2 97.9 94.9 80.4 100.0
测试集 77.3 97.2 83.3 52.4 33.3
基于PLS-DA建立的判别模型结果混淆矩阵如图11所示。对于正常组,PLSDAD的训练集正确率达到99.2%,其中有1个样品误判为轻度水心。对于轻度水心组,训练集正确率达到95.8%,其中有1个样品误判为中度水心和1个误判为重度水心。对于中度组和重度组,训练集正确率达到100.0%,没有样品被误判为其他组别。训练集总体正确率为98.7%。
图11 基于PLSDA的四组苹果判别结果混淆矩阵

a. 训练集苹果判别结果混淆矩阵 b. 测试集苹果判别结果混淆矩阵

Fig. 11 Confusion matrix of the discrimination results of four groups of apples based on PLS-DA

对于PLSDA的测试集,总体正确率为95.9%,略低于训练集。对于正常组,测试集正确率达到95.9%,其中有2个样品误判为重度水心。对于轻度水心组,测试集正确率达到100.0%,没有样品被误判为其他组别。对于中度组,测试集正确率达到87.5%,其中有1个样品误判为轻度水心组。对于重度组,测试集正确率达到100.0%,没有样品被误判为其他组别。
在PLSDA的训练集与测试集中,检测精度均达95%以上,该结果优于现有多数研究成果。值得注意的是,两组数据中轻度水心组和中度水心组的正确率相对较低,这一现象与前期研究中关于SSC含量在轻度水心组与中度水心组间无显著差异的结论一致。

2.6 不同水心程度苹果果实分级模型特征波段筛选

通过对比全波段的模型效果,选择PLS挑选光谱特征波段,表3为基于CARS、SPA、UVE三种算法挑选出特征波段处的建模效果,其中UVE算法的精度较高,训练集总体正确率达到95.67%,正常组训练集正确率达到98.36%,轻度水心组训练集正确率达到93.62%,中度水心组训练集正确率达到90.70%,重度水心组训练集正确率达到100.00%。对于测试集,CARS总体正确率为86.06%,正常组测试集正确率达到95.92%,轻度水心组测试集正确率达到73.33%,中度水心组测试集正确率达到75.00%,重度水心组测试集正确率达到100.00%。
表3 不同水心程度苹果果实基于PLS算法的建模效果

Table 3 Modeling effects of apple fruits with different water core degrees based on the pls algorithm

特征波段筛选方法 样本集合 总体/% 正常组/% 轻度水心组/% 中度水心组/% 重度水心组/%
CARS 训练集 90.25 95.08 91.49 74.42 100.00
测试集 86.06 95.92 73.33 75.00 100.00
SPA 训练集 77.92 83.61 65.96 72.09 90.00
测试集 82.87 89.8 66.67 75.00 100.00
UVE 训练集 95.67 98.36 93.62 90.70 100.00
测试集 86.06 95.92 73.33 75.00 100.00

2.7 不同水心程度苹果果实SSC回归模型构建

同样使用SPXY算法对四组样品进行随机划分后,分别基于PLSR、SVR、CNN建立全波段的回归模型,比较选择效果最好的模型后再进行特征波段挑选。表4为不同算法构建的不同水心程度苹果果实在400~1 000 nm处反射光谱SSC回归模型的预测效果,其中PLSR的预测效果最好(预测决定系数 R P 2=0.879),此时校准决定系数为0.962,校准均方根误差为0.264,预测均方根误差为0.435。因此在接下来的实验中,使用PLSR进行不同水心程度苹果果实SSC回归模型特征波段筛选。
表4 不同算法构建的不同水心程度苹果果实在400~1 000 nm处反射光谱SSC回归模型的预测效果

Table 4 Prediction effects of SSC regression models based on reflectance spectra in the 400~1 000 nm range for apples with different water core degrees constructed by different algorithms

模型 校正集 预测集
R C 2 RMSEC R P 2 RMSEP
PLSR 0.962 0.264 0.879 0.435
SVR 0.998 0.057 0.771 1.057
CNN 0.930 0.355 0.822 0.539

2.8 不同水心程度苹果果实SSC回归模型特征波段筛选

表5为基于不同水心程度苹果果实在特征波段处反射光谱SSC的PLSR建模效果。从表5中可以看出,基于SPA算法筛选的特征波段建立的模型预测效果明显优于基于CARS和UVE筛选的特征波段建立的模型。基于SPA算法筛选的特征波段建立的模型中校正集 R C 2为0.846,RMSEC为0.532,对校正集数据的拟合优度更高,预测精度也较高。在测试集中, R P 2为0.792,对变量关系的解释能力更强,同时RMSEP为0.576低于其他两种算法,在测试集上预测精度也较高。在交叉验证过程中, R C V 2为0.781,对数据的拟合效果较好,RMSECV为0.637,在预测误差控制方面也较好,总体预测效果较其他两种算法更好。
表5 基于不同水心程度苹果果实在特征波段处反射光谱SSC的PLSR模型效果

Table 5 Performance of PLSR models for SSC prediction using reflectance spectra at characteristic wavelengths in apples with different watercore severity levels

方法 校正集 测试集 交叉验证
R C 2 RMSEC R P 2 RMSEP R C V 2 RMSECV
CARS 0.653 0.799 0.615 0.779 0.626 0.830
SPA 0.846 0.532 0.792 0.576 0.781 0.637
UVE 0.448 1.007 0.498 0.884 0.423 1.031

3 结 论

本研究以新疆阿克苏红富士苹果作为研究对象,借助高光谱成像技术和X-ray CT技术两种检测技术开展研究,结合可溶性固形物含量分析不同等级水心病苹果组织光学反射和微观组织结构差异,得到以下结论。
1)不同水心程度的苹果果实可溶性固形物含量存在显著差异,且呈现明显的规律性变化特征,可溶性固形物含量随水心程度加剧呈上升趋势。
2)基于高光谱成像技术得到的反射光谱数据显示,不同水心程度苹果样品在可见光-近红外波段表现出显著的光谱差异,重度水心苹果的反射率更高。
3)基于X-ray CT成像技术的苹果水心病组织空间体积占比与苹果横截面水心面积占比划分标准保持一致;水心区域的组织体积平均密度高于健康组织,从而导致更高的X射线吸收。因此,X-ray CT成像技术能够实现苹果水心无损快速检测和水心组织体积的定量分析。
4)基于PLS-DA建立的判别模型能够实现苹果不同等级水心病的预测,建模集和测试集准确率分别为98.7%和95.9%;构建的不同水心程度苹果果实SSC回归模型能够较好地预测苹果果实的SSC, R C 2为0.962, R P 2为0.879。因此,光谱技术对苹果水心病检测具有有效性。

本研究不存在研究者以及与公开研究成果有关的利益冲突。

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