一、引言

番茄作为全球消费量最大的蔬菜之一，其品质检测贯穿种植、采收、加工全产业链。传统检测手段依赖人工目视分级和破坏性化学分析，存在效率低、主观性强、无法实时监测等痛点。某大学研究团队基于高光谱成像技术，创新性地将结构光三维重建与深度学习相结合，开发出 "CMD-1 型" 多模态检测装置，实现了番茄糖度、表面缺陷、三维形貌的同步无损检测。该技术突破传统高光谱成像受形貌干扰的局限，为智慧农业提供了全新的技术范式。

 

二、技术突破：多模态融合检测系统

1.硬件架构创新

1) 结构光三维成像单元：采用 DLP 投影仪（912×1140 像素）与华为 Mate30 手机摄像头（4000 万像素）组合，通过投射正弦条纹图案获取番茄表面三维高度信息。该设计利用手机摄像头的高分辨率和便携性，将设备成本降低至传统工业相机的 1/5。

2) 高光谱成像单元：搭载彩谱线扫描高光谱相机FigSpec FS-13（400-1000nm，300 波段，2.5nm 分辨率），配合 60W 卤素灯环形光源，实现番茄表面反射光谱的连续采集。

 

3) 运动控制单元：40cm 行程的步进电机载物台，支持 0.1mm 级定位精度，配合遮光罩设计，确保检测过程不受环境光干扰。

 

2.算法优化

1) 三维重建算法：改进 U-Net 语义分割网络，将下采样池化层替换为卷积层，保留更多图像细节。在 720 对半球形样本（直径 4-8cm）训练下，单帧条纹图像的三维高度预测时间仅需 0.75 秒，直径误差＜2mm，最大高度误差＜4%。

2) 光谱分析算法：采用多元散射校正（MSC）消除颗粒散射干扰，结合连续投影算法（SPA）筛选特征波长，将 300 波段光谱压缩至 20 个关键波段，显著提升糖度预测效率。

3) 图像配准算法：引入白色乒乓球半球作为基准物，通过 Canny 边缘检测与最小二乘圆拟合，实现三维形貌与高光谱图像的像素级配准，物理偏差＜3mm。

 

三、应用场景与实测数据

1.糖度无损检测

1) 检测精度：在 2-6°Brix 糖度范围内，偏最小二乘模型预测误差＜0.5°Brix，与传统折射仪检测结果的相关系数 R²＞0.92。

2) 空间分布可视化：通过融合三维高度与光谱数据，可直观显示番茄表面凹陷区域的糖度异常，为分级决策提供依据。

 

2.表面缺陷识别

1) 病害检测：针对早疫病早期病斑（直径＜2mm），结合鲁棒主成分分析（RPCA）去噪与 SVM 分类模型，检测准确率达 94.44%，较全光谱模型提升 8.33%。

2) 机械损伤定位：利用 640nm 反射率特征，结合三维高度信息，可区分深度＞1mm 的压伤与正常表皮，识别率＞95%。

 

3.三维形貌分析

1) 尺寸测量：对直径 4-8cm 的番茄，三维重建系统的直径测量误差＜1.17mm，高度误差＜4%，满足工业级检测要求。

2) 果型分级：基于表面积与体积比，可自动区分圆形、椭圆形等果型，分类准确率＞98%。

 

四、产业化落地与效益分析

1.设备集成化

1) 模块化设计：检测装置采用工业级铝型材框架，体积压缩至 60cm×40cm×50cm，支持车载移动检测。

2) 无线传输：通过 4G/5G 模块，检测数据可实时上传至云端，实现远程品质监控。

 

2.成本效益

1) 单机成本：核心部件（高光谱相机、结构光投影仪）国产化后，设备成本从 20 万元降至 8 万元。

2) 检测效率：单台设备每小时可检测 1200 个番茄，效率是人工检测的 30 倍。

3) 损耗降低：通过早期病害识别，可减少仓储期腐烂损失 15%-20%。

 

3.行业应用案例

1) 加工企业：某番茄酱厂采用该系统后，原料分级准确率从 75% 提升至 95%，年节约人工成本 80 万元。

2) 电商平台：某生鲜电商利用三维形貌数据生成番茄 3D 模型，消费者可通过 VR 查看果实细节，退货率下降 25%。

 

五、技术展望与挑战

1.硬件升级

1) 光谱范围扩展：引入短波红外（1000-2500nm）光谱，增强对内部空洞、种子发育的检测能力。

2) 轻量化设计：借鉴北理工张军团队的片上高光谱成像技术，开发微型化检测模块，支持无人机巡检。

 

2.算法优化

1) 多模态融合模型：将光谱、三维、纹理特征输入 Transformer 网络，提升复杂场景下的检测鲁棒性。

2) 小样本学习：针对罕见病害，采用迁移学习与生成对抗网络（GAN）合成样本，降低模型训练门槛。

 

3.标准体系建设

1) 行业标准：联合农业农村部制定《番茄高光谱检测技术规范》，统一检测流程与评价指标。

2) 数据共享：建立全国性番茄品质数据库，推动跨区域检测结果互认。

 

六、结语

彩谱高光谱相机FS-13在番茄检测中的应用，标志着农业检测从 "单点分析" 向 "全域感知" 的跨越。随着硬件成本下降与算法精度提升，该技术将加速渗透至种植、仓储、流通全链条，为实现 "从农田到餐桌" 的品质追溯提供技术支撑。未来，通过与物联网、区块链技术的深度融合，高光谱检测系统有望成为智慧农业的核心基础设施，推动传统农业向精准化、智能化转型。