X射线无损检测技术在农产品品质评价中的应用

X射线无损检测技术在农产品品质评价中的应用

韩󰀁平

1,2

,潘立刚

1,2

,马智宏

1,2

,陆安祥

100097;

1,2

,王纪华

1,2

(1.北京农产品质量检测与农田环境监测技术研究中心,北京󰀁心,北京󰀁

100097)

2.国家农业信息化工程技术研究中

摘󰀁要:近年来,无损检测技术在农业中得到了广泛的应用。X射线检测作为无损检测的重要技术手段,在农产品品质检测与评价中发挥了重要的作用。为此,综述了国内外在X射线检测技术应用于农产品品质检测方面的研究进展;阐明了X射线检测技术测定的基本原理;介绍了其在果品水分测定、农产品内部病虫害检测、外观品质检测以及异物检测等方面的典型应用实例;并展望了X射线检测技术在农产品检测中的应用前景。关键词:农产品;品质评价;无损检测技术;中图分类号:TP274+.51;TS255.7󰀁

X射线

文章编号:1003-188X(2009)10-0006-05

󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁文献标识码:A

0󰀁引言

无损检测技术又称为非破坏性检测,即在不破坏样品的情况下对其进行品质评价的方法

[1]

内部品质的检测相对比较困难,主要依靠近红外、核磁共振、超声波检测技术和X射线成像技术。自1895年伦琴(RontgenWC)Tomography)

[14]

[13]

在德国发现X射线以来,人

[15-16]

。农产品们经过长期努力使X射线在医学(CT,Computed

、造船、工业探伤

、环境监测、林

业和食品检测等众多领域取得了长足的发展。相对于其他检测技术,X射线检测技术在农产品内部品质的检测和评价上更具优势。近年来,X射线在农产品内部缺陷和异物检测中的应用已成为研究的热点。

无损检测技术是近年来发展起来的一项新技术,主要利用农产品的物理性质(如力学性质、热学性质、光学性质和声学性质等)对其进行品质检测

[2]

。农产品品

质是反映农产品某些性质的一个模糊概念,主要包括3个方面的内容:一是反映农产品外表特征的外部品质(主要有表面颜色、表面光泽、表面平整度、外表形状以及尺寸大小等);二是反映农产品基本物理性质的品质(主要有质量、密度、弹性以及硬度等);三是反映农产品内部特征的内部品质(主要有安全性、成熟度、新鲜度、内部缺陷、营养成分的组成、味觉以及口感等)

[3]

1󰀁X射线的性质及检测原理

1.1󰀁X射线的性质

X射线是一种很短的电磁波,波长范围为1010

-12

-8

~

,较紫外短,但比󰀁射线长,即能量比紫外大,比

。

󰀁射线小。X射线与其他电磁波一样,能产生反射、折射、散射、衍射、干涉、偏振和吸收等。X射线具有穿透能力,在穿透不透明物质的过程中被物质吸收和散射,从而引起射线能量的衰减。X射线的穿透能力与射线波长有关,与被穿透材料的原子序数和密度也有关。射线波长越短,能量越大,穿透能力越大;被穿透材料的原子序数越大,密度越大,越难穿透。1.2󰀁利用X射线检测的原理

X射线的检测原理主要是基于其具有穿透能力的性质。射线穿透被检测对象时,由于检测对象内部存在的缺陷或者异物会引起穿透射线强度上的差异,通过检测穿透后的射线强度,按照一定方法转化成图像,并进行分析和评价以达到无损检测的目标。按照成像的方式,可以分为射线照相法、射线数字化实时成像和射线CT

[17]

随着人民生活水平的提高,在农业生产中,农产品的品质检测和评价显得尤为重要。目前,农产品品质无损检测技术大致包括可见光-近红外分光法分光检测技术技术

[7]

[4-5]

、机器视觉检测技术

[11]

[6]

、介电特性检测、核磁共振检

、声学特性及超声波检测技术

[10]

[8-9]

测技术、生物传感器检测技术、电子鼻与电子舌

检测技术

[12]

、X射线检测技术等。可见光检测技术和

红外检测技术主要针对农产品外部品质检测;农产品

收稿日期:2008-12-22

基金项目:北京市科技服务能力建设-农业科技成果转化专项

(Z080005032508023);948农田环境信息快速获取与农产品安全监测系统(2006-G63)

作者简介:韩󰀁平(1981-),男,陕西渭南人,助理研究员,硕士,(E-mail)Hanp@nercita.org.cn

通讯作者:王纪华(1958-),男,吉林永吉人,研究员,博士,博士生导

师,(E-mail)Wangjh@nercita.org.cn。

。

󰀁6󰀁2009年10月󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁农机化研究󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁第10期

射线照相法应用对射线敏感的感光材料来记录透过被检测物后射线强度分布的差异,能够得到被检测物内部的二维图像。射线照相法由于存在成本较高、数据存储不方便、射线底片容易报废以及实时性差等缺点,在农产品品质检测中几乎不再使用

[2]

像上的CT值之间、CT图像的RGB(Red,GreenandBlue)值与CT值之间存在一定的相关性,从而可以通过某点CT值或者RGB值得到其含水率

[22]

,实现了

RGB值与X射线胶片图像CT值的换算,为应用X射线CT技术在线检测农产品水分含量创造出一种新的方法。

病原菌是影响农产品质量的重要因素之一。水心病是苹果的一种重要的生理病害,严重的水心病果后期将发展成内部褐变,因此在储藏期监测水心病的发展是很有必要的

[1,23]

。

X射线实时成像包含两个过程:一是X射线穿透样品后被图像增强器所接收,图像增强器把不可见的X射线检测信号转换为光学图像;二是用摄像机摄取光学图像,输入计算机进行A/D转换,转换为数字图像

[18]

。此检测过程由X射线发生装置、X射线探测器

[2]

。X射线检测技术在水心病的监

单元、图像单元、图像处理单元、传送机械装置和射线保护装置等几大部分组成

。

X射线CT全称是󰀁X射线电子计算机断层摄影技术󰀁。CT的目的是得到物体内占有确切位置的物质特性的有关信息。X射线穿过物体某一层断面的组织,由于不同物质对于X射线的吸收值存在差异,CT机探测器接受衰减后的X射线,并将其转换成电信号输入到计算机。经过计算机的数据处理后显示出图像,并获得相应点的CT值。通过建立CT值与目标检测值的数学模型,达到无损检测的目的。

测和分级上取得了重要的研究进展。Shahin等人利用苹果的X射线扫描图像中与苹果水心病有关的图像特征,建立了模糊分类器来预测苹果水心病。随后,他们又分别选择苹果图像面积和图像表征的密度两个变量、余弦变换特征以及小波变换特征为基本因子,建立了预测苹果水心病的贝叶斯分类器,其预测准确率达到了79%以上

[24-25]

。KimS等人采用2D-

X(2DimensionX-ray)射线检测苹果水心病。在此研究中,对于󰀁红美味󰀁苹果水心病的检测分为两个阶段:首先,从苹果扫描图像提取相应特征;然后,利用辨别特征对苹果水心病进行分类。从苹果X射线扫描图像中提取了8个特征,并将其输入进行分类的类神经网络分类器中,以达到将检测结果分为无病、轻微发病和严重发病3个等级的目的。研究结果表明,在正确识别苹果水心病无病和严重发病中,假阳性为5%~8%。此外,这种方法在固定X射线束与苹果干花萼的角度条件下,还能够识别同一产地的苹果

[26]

2󰀁在农产品品质检测中的应用

2.1󰀁X射线检测技术应用于农产品内部品质检测

农产品机械损伤、内部生理失调和病虫害的侵入,给农产品的质量带来严重的问题,并且这些问题很难通过农产品外部视觉进行判断和剔除,已经成为影响农产品内部品质的主要因素。通过X射线成像检测技术,可以分辨农产品内部结构的变化。这项技术已经在水果品质筛选和分类上得到了广泛的应用。

农产品特别是水果在运输过程中极易导致压伤,直接影响其品质。早在1970年,Diener等人

[19]

。

种子或者水果内的寄生害虫对于其品质将产生很大影响。1972年,Fesus采用X射线照相技术检测了46种不同植物的种子,研究了害虫侵害的可靠性影像计数试验模型,建立了在一定水平上的回归方程部的虫害,以分选好芒果和有虫害芒果

[28]

[27]

利用。

X射线成像技术以苹果压伤程度为依据对其进行分类。随后,Shahin等人研究了根据压伤状态进行苹果分类的X射线成像技术,把预测旧压伤(30d)和新压伤(1d)作为辨别因子,建立相应的神经网络分类器。研究结果表明,旧压伤的预测准确率达到60%,两种不同苹果的新压伤预测准确率分别为90%和83%

[20]

1995年,ThomasP利用X射线照相技术检测芒果内

。随着计算

机和图像处理科学的发展,实时X射线检测技术在农产品品质检测上得到了发展。HaffRP采用高分辨率的实时成像系统对受到象甲(Sitophilusgranarius)危害的小麦种子进行检测,对1500粒小麦籽粒进行检测,其中682粒小麦籽粒受到象甲幼虫的危害,统计误差小于2%

[29]

。

[21]

水果中果肉含水量直接决定水果的品质。1992年,Toller等人

研究了通过X射线图像特征反映出

的X射线吸收率与苹果体积水含量的关系,建立了X射线断层扫描图像检测苹果含水量及密度的方法。2003年,浙江大学张京平对苹果水分和CT值做了进一步研究,发现苹果某点上的水分值与X射线CT图

。利用X射线检测技术检测被赤拟谷盗

[30]

(Triboliumcastaneum)危害和未危害的小麦籽粒,其正确率分别高于86%和73%

。被谷蠹(Rhizopertha

dominica)危害的小麦籽粒通过X射线成像,然后从图像中提取57个特征值,以此为基础采用BP(BackPropagation)神经网络系统和统计学归类,对于未被谷

󰀁7󰀁2009年10月󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁农机化研究󰀁󰀁󰀁󰀁

[31]

󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁第10期

蠹危害的小麦籽粒检测正确率达到了99%。检测技术的检测正确率不断提高,检测对象更加广泛,检测速度更加符合生产和生活要求,如表1所示。

基于X射线照射,通过计算机技术、数字图像处理技术、数据模型化应用以及统计学知识,使X射线

表1󰀁X射线检测技术在农产品内部品质检测中的应用

Tab.1󰀁ThedevelopmentofX-raytestingtechnologyapplicationonagriculturalproductsinternalqualitytesting

年份19951999200020022003200420042008

检测对象芒果害虫苹果水心病苹果水心病苹果压伤苹果水分小麦象甲小麦谷蠹苹果主要成分

检测原理及应用模型

X射线照相,利用暗灰区域的大小判断受害程度

X射线成像,贝叶斯分类模型进行预测2D-X射线成像,类神经网络分类系统X射线成像技术,神经网络分类系统

X射线CT技术,图像CT值与苹果含水率回归模型

高分辨率X射线实时成像系统X射线成像,BP神经网络系统X射线CT技术,神经网络系统

检测识别率或准确率

对两个不同品种芒果是否受害的识别率达到了100%

预测准确率达到了79%

无病或者严重发病的识别率达到了95%以上旧伤预测准确率为60%,新伤预测准确率达到了83%以上CT值与苹果含水率之间存在显著的线性关系,相关系数为0.735

被幼虫危害种子的识别率达到了98%未被危害小麦籽粒的识别率为99%

含水率的预测误差率最大为7.52%;含酸量的预测误差率最大为27.14%;含糖量的预测误差率最大为64.38%

2.2󰀁X射线检测技术应用于农产品外部品质检测

农产品外部品质主要有表面颜色、表面光泽、表面平整度、外表形状以及尺寸大小等。X射线检测应用于农产品外部品质检测与应用内部品质检测的研究相对较少,这是由X射线具有很强穿透能力的性质所决定的。1992年,Han等人研究了有破裂凹陷和正常凹陷梨的X射线图像检测,通过灰度阀值法分割出梨的凹陷区域,设计了凹陷正常与否的检测算法,其检测精度达98%

[32]

补偿X射线图像。研究结果表明,经常在鸡肉中频繁出现和难以检测到的骨头碎片均被检测到,并且这种图像处理方法排除了假阳性,提高了检测的灵敏度

[35]

。剔骨家禽肉中的外来物能够被检测出来,主要

依赖于它们的不同X射线吸收值。最简单的方式是通过图像阈值在X射线图像上进行外来物的辨别。2001年,TaoY等人建立了局部阈值图像分割方法。此技术也能够排除肉块厚度差异带来的检测误差

[36]

。

。韩东海利用X射线通过正常柑

橘和皱皮柑橘的透过率不同,将皱皮柑橘与合格柑橘分开。该研究发现了正常果某一断面的波形较圆滑的递减变化,而皱皮果的波形出现凹凸不平的现象。同时,他们还研究了不同X射线强度、不同大小的柑橘以及在实时检测过程中传送带速度对检测准确度的影响

[33]

3󰀁结语

随着中国加入世界贸易组织和对外贸易水平的不断提升,农产品已经成为出口和创汇的重要产品。不管农产品作为出口商品或者国内消费产品,农产品品质和农产品安全已经成为政府重视、社会关注和世界瞩目的问题。农产品品质的重要性对农产品质量检测技术和方法提出了更高的要求。农产品品质评价是一个综合的评价体系,包括农产品的营养品质、商品品质和加工品质等3方面的评价

[37]

。NeethirajanS从发芽小麦籽粒和健康小麦

籽粒X射线图像中提取54个特征图像。BP神经网络模型对于发芽和健康小麦籽粒的正确分辨率分别为90%和95%

[34]

。。X射线无损

2.3󰀁X射线检测技术应用于农产品内部异物检测

X射线对于异物检测的范围很广,如金属、玻璃、塑料和石头等与被检物有着较大密度差异的异物。目前,X射线异物检测技术主要应用在禽畜产品的异物检测方面。在自动化剔除鸡肉中碎骨片的过程中,经常不能剔除完全,肉中碎骨的存在可能对消费者(特别是老人和孩子)造成伤害。基于肉片厚度的不均一性,TaoY等人建立了补偿由于厚度不均一引起的X射线吸收的变化,结合不同厚度和X射线图像建立了图像测定函数,从而产生了骨头碎片信号的厚度

检测技术在农产品品质(特别是内部品质)检测与评价中发挥了很重要的作用。同时,X射线在农产品无损检测过程中一般都采用软X射线(管电压低于60kV)

[2]

。由于射线装置上面加有防护罩,在检测过

[38]

程中不会对人体造成伤害。王峰等研究表明,辐照

对食品中营养成分的影响很小,不会影响到农产品品质,更不会对人体造成危害。张京平等应用X射线技术对苹果中水分、糖分和有机酸含量做了初步的预测,对于水分的测定得到了很好的实验结果;对于糖分和有机酸的预测值与实际值还存在较大的误

󰀁8󰀁2009年10月󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁差

[39-40]

󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁农机化研究󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁第10期

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2008,

85:

品质中其他指标的检测和评价工作还鲜有报道。这些将成为后继研究工作和检测技术的发展方向。

另外,对于入境农产品中潜隐性病虫害的检测一直是检验检疫的重点工作。由于这些病虫害一般都在农产品内部寄生,从产品表面很难判断和识别,给现场检验检疫带来了困难,所以传统检测方法都在实验室内进行,包括解剖、染色、分离培养和分子生物学等方法。实验室检疫虽然检测相对准确,但是程序繁琐,检测时间长,成本较高。利用X射线穿透能力强的特性,可以对潜隐性病虫害进行检测。毛罕平

[41]

等

总结了关于X射线图像检测技术在储粮害虫方面的研究进展。国外利用软X射线技术对受害虫侵染谷物的识别率、侵染时间和危害程度等方面的检测工作进行了深入的研究。国内在此方面的研究较少,如能实现X射线无损检测技术对农产品潜隐性病虫害的判断和识别,则可以实现现场检疫。X射线检测技术可以作为检验检疫的重要手段,将成为一个重要的应用发展方向。

X射线技术在果品的分级、果品含水量测定、农产品内部病虫害和异物检测方面取得重要的研究进展,这些技术开始大量应用于生产实践。随着计算技术、信息技术、数字图像处理技术与X射线检测技术的结合,X射线检测技术在检测准确度、灵敏度以及检测速度方面也取得了相应的发展。X射线无损检测技术已经发展为多学科交叉的综合技术,在农产品深加工产业大发展背景的带动下必将发挥重要作用。参考文献:

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HanPing,PanLigang,MaZhihong,LuAnxiang,WangJihua

neeringResearchCenterforInformationTechnologyinAgriculture,Beijing100097,China)

Abstract:Nondestructivetestingtechnologywasappliedonagricultureinrecentyears.X-raytestingwhichwasoneofnondestructivetechnologiesgaveaplaytothequalitytestingandevaluationofagricultureproducts.Inthispaper,there󰀁centprogressofstudiesontheapplicationofX-raytestingtechnologytoqualityevaluationofagricultureproductswasreviewed.ThefundamentalprincipleofX-raytestingwasexpounded,andintroducedthetypicalapplicationofX-raytestingonmeasuringoffruitwater,detectionofinternalagricultureproductswhichwasinfestedbyfungiandpest,evalua󰀁tionofexternalqualityofagricultureproductsandtestingofsomeothermatterintheagricultureproducts,andgaveaprospectofX-raytestingtechnologyapplicationonagriculturalproductstesting.

Keywords:agricultureproducts;qualityevaluation;nondestructivedeterminationtechnology;X-ray

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(1.BeijingResearchCenterforAgri-foodTestingandFarmlandMonitoring,Beijing100097,China;2.NationEngi󰀁

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