一、引言

番茄作為全球消費量最大的蔬菜之一，其品質檢測貫穿種植、采收、加工全產業鏈。傳統檢測手段依賴人工目視分級和破壞性化學分析，存在效率低、主觀性強、無法實時監測等痛點。某大學研究團隊基于高光譜成像技術，創新性地將結構光三維重建與深度學習相結合，開發出 "CMD-1 型" 多模態檢測裝置，實現了番茄糖度、表面缺陷、三維形貌的同步無損檢測。該技術突破傳統高光譜成像受形貌干擾的局限，為智慧農業提供了全新的技術范式。

 

二、技術突破：多模態融合檢測系統

1.硬件架構創新

1) 結構光三維成像單元：采用 DLP 投影儀（912×1140 像素）與華為 Mate30 手機攝像頭（4000 萬像素）組合，通過投射正弦條紋圖案獲取番茄表面三維高度信息。該設計利用手機攝像頭的高分辨率和便攜性，將設備成本降低至傳統工業相機的 1/5。

2) 高光譜成像單元：搭載彩譜線掃描高光譜相機FigSpec FS-13（400-1000nm，300 波段，2.5nm 分辨率），配合 60W 鹵素燈環形光源，實現番茄表面反射光譜的連續采集。

 

3) 運動控制單元：40cm 行程的步進電機載物臺，支持 0.1mm 級定位精度，配合遮光罩設計，確保檢測過程不受環境光干擾。

 

2.算法優化

1) 三維重建算法：改進 U-Net 語義分割網絡，將下采樣池化層替換為卷積層，保留更多圖像細節。在 720 對半球形樣本（直徑 4-8cm）訓練下，單幀條紋圖像的三維高度預測時間僅需 0.75 秒，直徑誤差＜2mm，最大高度誤差＜4%。

2) 光譜分析算法：采用多元散射校正（MSC）消除顆粒散射干擾，結合連續投影算法（SPA）篩選特征波長，將 300 波段光譜壓縮至 20 個關鍵波段，顯著提升糖度預測效率。

3) 圖像配準算法：引入白色乒乓球半球作為基準物，通過 Canny 邊緣檢測與最小二乘圓擬合，實現三維形貌與高光譜圖像的像素級配準，物理偏差＜3mm。

 

三、應用場景與實測數據

1.糖度無損檢測

1) 檢測精度：在 2-6°Brix 糖度范圍內，偏最小二乘模型預測誤差＜0.5°Brix，與傳統折射儀檢測結果的相關系數 R2＞0.92。

2) 空間分布可視化：通過融合三維高度與光譜數據，可直觀顯示番茄表面凹陷區域的糖度異常，為分級決策提供依據。

 

2.表面缺陷識別

1) 病害檢測：針對早疫病早期病斑（直徑＜2mm），結合魯棒主成分分析（RPCA）去噪與 SVM 分類模型，檢測準確率達 94.44%，較全光譜模型提升 8.33%。

2) 機械損傷定位：利用 640nm 反射率特征，結合三維高度信息，可區分深度＞1mm 的壓傷與正常表皮，識別率＞95%。

 

3.三維形貌分析

1) 尺寸測量：對直徑 4-8cm 的番茄，三維重建系統的直徑測量誤差＜1.17mm，高度誤差＜4%，滿足工業級檢測要求。

2) 果型分級：基于表面積與體積比，可自動區分圓形、橢圓形等果型，分類準確率＞98%。

 

四、產業化落地與效益分析

1.設備集成化

1) 模塊化設計：檢測裝置采用工業級鋁型材框架，體積壓縮至 60cm×40cm×50cm，支持車載移動檢測。

2) 無線傳輸：通過 4G/5G 模塊，檢測數據可實時上傳至云端，實現遠程品質監控。

 

2.成本效益

1) 單機成本：核心部件（高光譜相機、結構光投影儀）國產化后，設備成本從 20 萬元降至 8 萬元。

2) 檢測效率：單臺設備每小時可檢測 1200 個番茄，效率是人工檢測的 30 倍。

3) 損耗降低：通過早期病害識別，可減少倉儲期腐爛損失 15%-20%。

 

3.行業應用案例

1) 加工企業：某番茄醬廠采用該系統后，原料分級準確率從 75% 提升至 95%，年節約人工成本 80 萬元。

2) 電商平臺：某生鮮電商利用三維形貌數據生成番茄 3D 模型，消費者可通過 VR 查看果實細節，退貨率下降 25%。

 

五、技術展望與挑戰

1.硬件升級

1) 光譜范圍擴展：引入短波紅外（1000-2500nm）光譜，增強對內部空洞、種子發育的檢測能力。

2) 輕量化設計：借鑒北理工張軍團隊的片上高光譜成像技術，開發微型化檢測模塊，支持無人機巡檢。

 

2.算法優化

1) 多模態融合模型：將光譜、三維、紋理特征輸入 Transformer 網絡，提升復雜場景下的檢測魯棒性。

2) 小樣本學習：針對罕見病害，采用遷移學習與生成對抗網絡（GAN）合成樣本，降低模型訓練門檻。

 

3.標準體系建設

1) 行業標準：聯合農業農村部制定《番茄高光譜檢測技術規范》，統一檢測流程與評價指標。

2) 數據共享：建立全國性番茄品質數據庫，推動跨區域檢測結果互認。

 

六、結語

彩譜高光譜相機FS-13在番茄檢測中的應用，標志著農業檢測從 "單點分析" 向 "全域感知" 的跨越。隨著硬件成本下降與算法精度提升，該技術將加速滲透至種植、倉儲、流通全鏈條，為實現 "從農田到餐桌" 的品質追溯提供技術支撐。未來，通過與物聯網、區塊鏈技術的深度融合，高光譜檢測系統有望成為智慧農業的核心基礎設施，推動傳統農業向精準化、智能化轉型。