介绍
目前蔬菜中农药残留的可能性越来越大，而气相色谱等相对成熟的农药残留检测技术存在耗时、费力、破坏性大等明显缺点。因此，迫切需要一种快速无损的蔬菜农药残留检测技术。高光谱成像技术可以分辨地物光谱的细微差异。研究人员将其应用于食品安全监测领域，并取得了一定的研究成果，在蔬菜农药残留检测方面具有很大的潜力。
异常检测是高光谱遥感最常见的应用之一，在军事目标识别和伪装目标识别中取得了良好的效果。鉴于异常检测在高光谱遥感目标识别中的有效性，本文将其应用于高光谱图像，探索检测蔬菜叶片农药斑的可行性。
本文首先搭建了高光谱成像平台，获取了含有农药斑的菠菜叶片的高光谱图像数据，分析了不同形态的菠菜叶片和农药斑的光谱特征，确定了农药斑光谱的特征波长。
1.蔬菜农药斑点检测的高光谱数据采集
1.1用于蔬菜农业点检测的高光谱成像系统
蔬菜农药残留高光谱成像检测系统由软件和硬件组成。软件主要处理高光谱数据，如ENVI和MATLAB。硬件一般包括光源、分光器、摄像头、图像采集系统和计算机。根据成像方式的不同，目前硬件设备建设主要有两类：一类是通过推扫成像实现，另一类是利用液晶可调谐滤波器和数码相机实现。
推扫成像中的硬件设备主要包括光源、推扫超光谱成像系统、镜头、传输装置和计算机。一般采用卤素灯或LED灯作为光源，可以产生从可见光到红外光的连续光。扫描式高光谱成像系统用于记录物体扫描线上多个波段的入射光辐射能量，通常由前端光谱仪和后端光电传感器组成。镜头是用来调节光线范围的。传送装置用于传送样品并实现空间维度的扫描。计算机用于存储三维高光谱“立方体”数据，并实现数据的实时处理。图1是这种设备的典型情况的示意图。
图1推扫式高光谱成像系统结构示意图
基于液晶可调谐滤光器(LCTF)的高光谱成像系统不使用传送带，而是相机与样品相对固定。利用LCTF和数码相机，可以直接拍摄样品，通过连续采集一系列波长的二维图像，获得三维高光谱数据。其结构原理如图2所示。该系统的其他组件包括光源、照相机、计算机等。在文献中，研究人员还利用这一思路构建了一种手持式高光谱成像装置，实现对食品工厂食品设备的检测。
图2基于液晶可调谐滤波器的高光谱成像系统示意图
1.2高光谱图像采集
要获得含有农药斑的蔬菜的高光谱图像数据，需要确定蔬菜和农药斑的类型。
菠菜是一年生或二年生草本植物，富含维生素A、C和矿物质，尤其是维生素A、C和铁，是所有蔬菜中含量最高的。对肠胃病、痛风、神经系统疾病、便秘、皮肤病、贫血有特殊的治疗作用，营养价值丰富。随着生长环境的恶化，菠菜的病虫害越来越严重。大部分菠菜需要多次喷洒农药才能上市。所以，菠菜叶一般都含有农药残留。考虑到菠菜在春、秋、冬三季都能生长，且相对容易获得，我们选择菠菜作为研究样本。
毒死蜱又名毒死蜱、毒死蜱，化学名为O，O-二乙基-O-(3，5，6-三氯-2-吡啶基)硫代磷酸，为白色晶体，是一种有机磷农药。对蔬菜、果树、小麦上的多种嚼吸式口器害虫有较好的防治效果，易与土壤中的有机质结合。有机磷农药易与人体内的胆碱酯酶反应生成磷酸化的胆碱酯酶，使胆碱酯酶失去分解乙酰胆碱的功能，引起毒蕈性疾病等神经疾病。鉴于毒死蜱对多种害虫的良好防治效果和对人体的巨大危害，我们在实验中选择毒死蜱作为研究对象。
为了获取含农药蔬菜的高光谱图像，我们搭建了一个简单的高光谱图像数据获取实验平台。主要实验设备和材料如下：
超光谱成像仪：iSpecField-NIR/WNIR便携式地物光谱仪。
样品：从就近市场购买的新鲜菠菜，有效成分为45%毒死蜱农药。
光源：两盏90W功率的白炽灯和一盏90W功率的荧光灯。因为我们搭建的实验平台比较简单，获得专业光源相对困难，所以荧光灯在可见光波段的辐射能量强，白炽灯在近红外波段的辐射能量强。这两种类型的光源相对容易获得。因此，我们选择白炽灯和荧光灯作为实验的光源。
将便携式地物光谱仪安装在仪器配备的三脚架上，将滴有10-16滴毒死蜱农药的新鲜菠菜叶子晾干，放在预先铺好的黑布上。在菠菜叶子旁边，放一块相对反射率接近99%的标准反射白板(由聚氯乙烯制成)
四氟乙烯制成），光谱仪正对菠菜叶和白板拍摄。两盏白炽灯分别旋转在黑布的左右两边斜对样品进行照射，一盏荧光灯放置在高光谱仪的对面斜对样品进行照射。
图 3 菠菜叶上滴农药
二、蔬菜和农药光谱特性分析
2.1 实验数据选择
在实验获取的每幅图像上，利用ENVI 4.7 软件人工选取一块合适大小的感兴趣区域（ROI），其选择过程如图4所示。左边是反射率接近99%的标准漫反射白板，右边是滴有毒死蜱的菠菜叶，其他部分是全黑的黑布。
图4 人工选择ROI 区域示意图
实验中，我们用Matlab 2014a 版本软件读取高光谱图像数据，发现农药点在高光谱图像数据中的表现有3种形式，分别是全亮点、全暗点和部分亮部分暗点，如图5所示，红框显示的是全亮农药点，黄框显示的是全暗农药点，绿框显示的是部分亮部分暗农药点。农药点之所以会显示出这3 种形态，是因为毒死蜱农药是一种乳油状的农药，风干后，滴有农药的地方会在菠菜叶片上留下一个很小的油膜，而实验过程中使用了3盏灯，分别放置在蔬菜样品的不同方位上，这样位于样品正上方的高光谱仪镜头接收到的油膜反射的三盏灯的光照强度也不一样，根据高光谱仪镜头接收到的光的多少，就分别形成全亮、全暗和部分亮部分暗三种农药点。虽然有3种状态类型的农药，但是总结起来就是两类，亮农药点和暗农药点。
图5 三种不同形态表现的农药点
三、相对反射率的计算
为了提高样品光谱的稳定性，更好的分析不同表现形态农药点的光谱特性，我们挑选了亮、暗高光谱农药点图像各25幅进行数据分析，对每类农药点取平均光谱作为该类农药点的光谱；取50幅高光谱菠菜图像的菠菜叶背景的平均光谱作为菠菜叶光谱。图6显示的是亮、暗农药点和菠菜叶的平均DN曲线。红色线表示亮农药点的光谱DN曲线，绿色线表示暗农药点的光谱DN曲线，蓝色线表示菠菜叶的光谱DN曲线。由图可知样品的原始光谱DN 值曲线在406.1nm、518.5nm和583.1nm处具有非常明显的反射峰，需要说明的是这3个反射峰并不是样品的光谱特性，而是因为实验中所使用的光源中有一盏是荧光灯，荧光灯在上述3个波长处的辐射强度非常强，造成样品的原始光谱DN值曲线在这3个波长处有特别明显的反射峰。除了这3个反射峰，样品的原始光谱DN值曲线仍然有明显的大小差异和波动，说明样品的光谱受到入射光强度的影响和噪声的影响很大。在此我们采用公式（2.1）对样品的原始光谱进行反射率计算，以减少入射光强度变化对样本的影响。
式（2.1）中， R 表示样品的相对反射率， S I 表示样品的原始DN 值， DI表示系统的暗电流强度， WI表示标准反射白板的DN 值。
在数据处理中，可以把黑布的DN 值看成是系统的暗电流，这样我们就得到了样品的相对反射率曲线，如图2.9 所示。红线表示亮农药点的相对反射率曲线，绿线表示暗农药点的光谱相对反射率曲线，蓝线表示菠菜叶的相对反射率曲线。
对样品的反射率进行较正后，光谱曲线的波动明显减少。400nm 之前和940nm 之后的光谱数据受噪声干扰严重，在实际数据处理中，将这两段数据剔除，这样，可用数据为400-940nm 合计226 个波段。
图6 菠菜叶和毒死蜱农药的原始DN 值曲线图
剔除噪声较大的波段后，光谱相对反射率曲线仍然受到明显的噪声干扰，表现为相对反射率曲线起伏比较明显，曲线不够平滑，仍需对光谱数据进行预处理以降低噪声。
四、Savitzky-Golay(SG)滤波处理
目前，常见的光谱图像数据预处理技术包括标准化（normalization）、平滑滤波（smoothing）、微分技术（derivative）、多元散射校正（MSC）、标准正态变量变换（SNV）、小波变换（WT）等，但是除平滑滤波外，大部分预处理方法都会改变光谱的形状或者光谱的位置，不利于进行光谱分析。
为了尽可能多的保持光谱曲线的原始特征，更好的进行光谱特性分析，我们采用对光谱原始信息保留较好的平滑滤波方法对光谱曲线进行降噪处理。平滑滤波法中比较常见的有滑动平均滤波法、Savitzky-Golay（SG）滤波法等方法。
图7 菠菜叶和毒死蜱农药的相对反射率曲线图
滑动平均滤波法是一种最简单的滤波方式，其表达式为
式（2.2）中，m 为滤波带宽，2m+1 为滑动窗口大小。在实际操作中，应慎重选择参数m，m 过小，则滤波效果不明显，m 过大，否则会造成信号失真。
SG 滤波法是一种基于多项式拟合的平滑方法，又称多项式平滑，波长k 处光谱数值经平滑后的平均值为：
式（2.3）中， hi为平滑系数， H 为归一化系数，每一测量的光谱数值乘以平滑系数 是为了尽量减少平滑对有用信息的影响。SG 滤波法在时域内利用最小二乘原理实现最佳拟合，在滤除噪声的同时，还保持信号的形状、宽度不变，在实际操作中应用广泛。
SG 滤波法与滑动平均滤波法的基本思想相似，只是SG 滤波法是通过多项式来对滑动窗口内的数据进行多项式最小二乘拟合，而不是简单的平均，SG 滤波实质上是一种加权平均法，更强调中心点的中心作用。在实际操作中，经过多次比较，我们选择9 点SG 滤波方法对光谱曲线进行降噪处理，其处理结果如图8所示。
图8 经SG平滑处理的菠菜叶和毒死蜱农药的光谱曲线图
对比图7和图8可知，经过SG滤波处理后，菠菜叶和毒死蜱农药的光谱曲线得到明显光滑，并且保持了原始光谱曲线的形状，这说明SG滤波处理去掉了很大一部分噪声，有利于下步进行光谱特性分析。
五、农药点与叶片背景的光谱分析
由图8可以看出，菠菜叶片的光谱特性是典型的植被光谱特性。在可见光波段内，叶绿素、叶黄素等色素是影响菠菜叶片光谱响应的主要因素，尤其是叶绿素。在中心波长分别为450nm的蓝光波段和650nm的红光波段，叶绿素吸收大部分入射能量，而位于这两个叶绿素吸收带之间，由于吸收作用较小，在520nm的绿光波段附近形成了一个反射峰，因此，新鲜的菠菜叶看起来是绿色的。在可见光与近红外波段之间，大约在680nm附近，反射率急剧上升，形成“红边”效应，这也是植被曲线最明显的特征。
由于亮农药点的光谱受光照条件影响太大，不能代表农药的光谱曲线，而暗农药点的光谱则受光照条件的影响相对较小，可以代表农药的光谱曲线。毒死蜱农药的有效成分为45%，滴在菠菜叶片上的毒死蜱农药光谱曲线表现为菠菜叶和农药的混合光谱，其光谱曲线形状与菠菜叶的光谱曲线形状类似，但是与菠菜叶片的光谱曲线相比，仍然有一些明显的区别。整体而言，毒死蜱农药的相对反射率比菠菜叶的低，尤其是在520nm和700-900nm之间，这种表现更为明显。而在660-680nm之间，两者的相对反射率最为接近。在520nm处，菠菜叶有一个比较明显的反射峰，而毒死蜱农药在此处的峰却相对平缓。在884.3nm和920.2nm处，毒死蜱农药各有一个小的吸收峰，菠菜叶在相应位置没有吸收峰。在571.1nm和870nm处，毒死蜱农药各有一个小的反射峰，菠菜叶则没有。
根据亮、暗农药点的光谱特性及它们与菠菜叶的光谱特性的区别，可以分别提取亮、暗农药点的特征波长。如图6所示，亮农药点的特征波长为408.5nm、418.1nm、449.1nm、461.1nm、475.5nm、518.5nm、540nm、554.4nm、573.5nm、583.1nm、597.4nm和831.7nm，共12个特征波长，暗农药点的特征波长为408.5nm、468.3nm、520.9nm、571.1nm、607nm、645.2nm、726.5nm、740.9nm、810.2nm、870nm、884.3nm和920.2nm，共12个特征波长。特征波长的提取为下步进行异常检测提供了数据支撑。
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