基于先进传感技术与机器学习的水果成熟度与食用成熟度无损评估研究综述

《Agriculture》：Non-Destructive Assessment of Fruit Maturity and Ripeness Using Advanced Sensing Technologies and Machine Learning

　　

水果成熟度（maturity）与食用成熟度（ripeness）决定采收时机、采后管理、市场品质及消费者接受度。传统评估方法通常依赖破坏性理化分析或主观目视检查，这限制了在生产与供应链中进行快速、重复评估的能力。本综述系统梳理了近年来基于机器视觉（machine vision）、可见-近红外光谱（visible and near-infrared spectroscopy, VIS-NIR spectroscopy）、高光谱与多光谱成像（hyperspectral and multispectral imaging）、声学与力学技术（acoustic and mechanical techniques）、电子鼻（electronic noses）以及介电测量（dielectric measurements）的水果成熟度与食用成熟度无损评估研究进展。综述重点关注数据预处理、特征提取、化学计量学建模（chemometric modeling）、传统机器学习（conventional machine learning）及深度学习方法（deep learning）在建立传感器响应与果实硬度（firmness）、可溶性固形物含量（soluble solids content, SSC）、酸度（acidity）、色素组成（pigment composition）、内部缺陷（internal defects）及生理阶段（physiological stage）之间关联中的应用。综述证据表明，光谱与成像技术具有较强预测性能，而多模态传感（multimodal sensing）通过融合互补的外部与内部属性可进一步提高可靠性。然而，品种、果园条件、仪器、采样方案、参考测量及验证策略等方面的差异限制了模型的可迁移性与跨研究比较。综述进一步识别了制约实际部署的关键空白，包括：缺乏标准化的成熟度定义、缺乏带外部验证的多地点数据集、可解释模型与不确定性估计的报告不足，以及边缘部署（edge-deployment）条件下经过测试的传感器融合系统寥寥无几。

论文主体内容总结

1. 引言

水果成熟过程涉及色素沉着、细胞壁、硬度、膜结构、水分分布、初级代谢、呼吸作用、激素信号及挥发性物质产生等多方面的协同变化。这些异步变化决定了采收适宜性、贮藏潜力、市场性及食用品质。果实可能在达到理想的硬度、甜度或香气之前就呈现商业上可接受的果皮颜色，而另一些果实可能在外部变化不明显的情况下内部已软化。因此，成熟度（maturity）与食用成熟度（ripeness）的生物学含义因物种、品种及应用目的而异。传统测量方法如硬度、可溶性固形物、酸度、干物质、色素及挥发性物质通常需要破坏性取样或实验室分析，无法支持对每个果实进行快速检测或对同一果实进行发育与贮藏期间的重复监测。无损传感技术则通过测量外观、光学与力学响应、挥发性物质、电学特性及电磁波传播来评估果实状态。红绿蓝（RGB）成像、可见（VIS）与近红外（NIR）光谱、高光谱成像、声学传感、电子鼻、电阻抗、介电谱、微波成像及多传感器系统为果实成熟过程提供了不同但可能互补的表征。尽管这些技术迅速扩展，现有知识仍分散于不同传感模态、水果种类和建模方法之间。以往综述主要关注单一技术领域或侧重于预定义成熟阶段的计算分类，鲜有综述将成熟度定义与传感深度、采集设计、参考测量及验证策略联系起来。成熟度、食用成熟度、食用品质和贮藏时间经常被视为可互换的目标，尽管它们可能代表不同的生物学和商业状态。基于视觉标签训练的模型可能主要识别果皮色素沉着而无法准确估计内部成分。泛化能力也难以评估，因为研究通常使用单一品种、果园、季节、贮藏条件或仪器。本综述对光学、力学、挥发性、电学、介电、微波及多模态系统的方法学差异进行了批判性比较，同时考察了数据泄漏（data leakage）、外部验证（external validation）、校准转移（calibration transfer）、传感器漂移（sensor drift）及操作可行性等问题。

2. 水果成熟度与食用成熟度的生理基础与品质指标

水果成熟度与食用成熟度是相关但不同的发育状态。生理成熟度（physiological maturity）是指果实生长发育已充分进展，足以在采收后完成正常成熟序列的状态；商业成熟度（commercial maturity）则是根据贮藏时长、运输距离、加工目的及市场规格选择的采收阶段。食用成熟度对应可食组织通过叶绿素降解、类胡萝卜素或花青素积累、细胞壁解体、组织软化、淀粉水解、糖积累、有机酸代谢及特征挥发性物质合成而达到可接受外观、质地、味道和香气的阶段。跃变型果实（climacteric fruits）如番茄在成熟过程中经历从基础系统1乙烯生物合成到自催化系统2产生的转变，伴随呼吸上升及与颜色、软化、糖酸平衡和挥发性物质形成相关基因的激活。非跃变型果实（non-climacteric fruits）如草莓和葡萄缺乏类似的自催化乙烯和呼吸峰，脱落酸在花青素积累、糖代谢、细胞壁修饰和风味发展中起核心作用。果实软化源于细胞黏附降低、膨压改变以及果胶、半纤维素和纤维素的修饰。淀粉水解和持续糖输入可增加葡萄糖、果糖和蔗糖浓度，而呼吸和液泡代谢改变柠檬酸和苹果酸库，从而改变可溶性固形物含量、可滴定酸度（titratable acidity, TA）、pH及与感知甜度相关的糖酸比。香气通过脂肪酸氧化、氨基酸转化、类胡萝卜素裂解和萜类代谢产生物种特异性混合物。这些转变改变了用于无损成熟度评估的光学、力学、介电和挥发性特性。

外部品质指标如果皮颜色被广泛使用，但色素变化因物种、品种、光照暴露和生产条件而异。果实大小和形状支持生长与分级评估，但在成熟后期变化甚微。表面纹理通过光泽、粗糙度、皮孔分布、皱缩、开裂和像素强度空间变化提供额外信息。可见缺陷不是直接成熟度指标，但影响分级并干扰基于颜色和纹理的评估。内部品质指标描述可食组织的理化和感官特性。硬度通常以穿刺或压缩果肉所需最大力表示。可溶性固形物含量用折光仪测定并以°Brix报告。可滴定酸度以主要有机酸的百分比表示。干物质以去除水分后剩余组织质量的百分比表示，是‘Hass’鳄梨有用的成熟度指标。淀粉含量在苹果和梨中尤为重要。内部色素如叶绿素、类胡萝卜素和花青素可通过分光光度法或色谱法测量。挥发性谱提供香气发展的化学证据。成熟度分类应结合互补的、应用特异的变量，并尽可能针对同一果实校准传感器。

传统参考测量方法提供了用于定义成熟度或食用成熟度及校准无损传感模型的定量测量。参考测量的选择应根据每种果实的成熟生理学、主要贮藏储备、可食组织和商业用途进行。传感器采集应先于同一果实的破坏性分析，采样组织应尽可能与传感器视野对应。校准样本必须覆盖应用期间预期的完整生物学范围，包括不同成熟阶段、品种、果实大小、果园、采收日期和贮藏期。参考测量应在果实或采收批次水平分配到校准、验证和独立测试子集，以防止同一果实或密切相关样本组的测量同时进入模型开发和评估。果实成熟度和食用成熟度测量受生产批次内生物学异质性以及传感器采集或实验室分析中引入的变异影响。品种遗传学影响果皮厚度、色素组成、细胞结构、水浓度、糖酸平衡、淀粉储备和成熟速率。采收前环境条件如温度、日照、降雨、灌溉、负载、冠层位置和矿质营养可产生同一品种和果园内果实间的差异。生物异质性也存在于单个果实内部。测量变异源于果实状态、采集几何、照明、探测器漂移、操作技术和光学配置。温度在NIR测量中需要特别注意，因为水吸收带的移动可在可溶性固形物浓度不变的情况下改变光谱。实验数据集应包含多个品种、果园、采收日期、成熟阶段、果实大小、冠层位置和采后期，并应记录和控制采集温度、照明、方向、采样区和参考方案。然而，大多数综述证据是在实验室条件下获得的，现场和在线研究仅占少数。因此，性能值应视为固定光学和热条件下获得的台架测量结果，而非果园或包装线能力的证据。

3. 水果成熟度与食用成熟度评估的无损传感技术

3.1. 计算机视觉与颜色成像

计算机视觉和颜色成像通过果皮色素沉着、颜色均匀性、表面纹理、形状和大小的外部可观察变化评估果实成熟度。RGB值通常转换为色调-饱和度-明度（HSV）、色调-饱和度-强度（HSI）、国际照明委员会L*a*b*（CIELAB）或YCbCr坐标，因为色调、饱和度、明度和色度分量可区分与成熟相关的色素沉着和图像亮度变化。纹理描述符可表征皮孔、皱纹、褐色区域和异质性色素分布，而深度数据有助于在结构复杂环境中将果实与叶片分离并估计果实直径。该技术的适用性强烈依赖于外部成熟响应的可见性和均匀性。颜色成像对番茄、草莓、木瓜、香蕉、芒果、李子、苹果、西番莲、枣和油棕果特别有效，当成熟产生一致的外部色素或纹理变化时。其可靠性对鳄梨、猕猴桃、绿色柑橘及其他内部成熟可在无明显果皮转变情况下进行的果实较低。图像采集时应标准化相机分辨率、照明光谱、颜色校准、曝光、视角、果实方向、表面曲率、背景和距离。图像衍生的阶段需要独立的生理测量来区分果皮发育与内部成熟度。

3.2. VIS-NIR光谱

可见-近红外光谱通过色素、水、碳水化合物、酸和组织结构相关的吸收和散射评估成熟度。可见光范围（约400-750 nm）主要对叶绿素、类胡萝卜素和花青素敏感，而近红外范围（约750-2500 nm）包含与O-H、C-H和N-H键相关的泛频和组合吸收。水在近红外范围内主导吸收，因此穿透深度随波长增加而降低。大多数水果研究在约400-1000 nm范围内操作，原因包括较短波长可获得更大穿透深度以及硅探测器成本远低于扩展范围探测器。反射测量主要表征果皮和浅表组织，而交互式（interactance）排列分离照明和检测位置，允许光子穿透更远距离。透射可检查更大组织深度，但需要更强照明。光谱不能假设对每个成熟度属性都同等有效，因为硬度取决于细胞壁结构、膨压和局部组织破坏，不产生明显吸收特征，而干物质和可溶性固形物与影响近红外吸收的化学成分有更密切关联。可见和近红外光谱适用于芒果、苹果、梨、猕猴桃、桃、油桃、李子、葡萄、甜瓜、柑橘等成熟过程涉及色素、干物质、淀粉、糖、水或酸度可重复变化的水果。其局限性包括可变穿透、果实几何、果皮特性、温度、冷凝、照明和组织异质性。测量应包括标准化的仪器-果实几何、暗参考和白参考、稳定果实温度、多个解剖定义位置以及相应组织的破坏性测定。

3.3. 高光谱与多光谱成像

高光谱和多光谱成像结合了成熟相关组成和组织结构的空间与光谱信息。高光谱图像形成三维光谱立方体，其中两个维度表示空间坐标，第三个维度包含数十或数百个连续波长带。可见和短波近红外系统通常约400-1000 nm运行，对叶绿素、类胡萝卜素、花青素、水和组织散射敏感，而短波红外仪器延伸至约2500 nm，提供与O-H、C-H和N-H键相关的额外响应。推扫式（push-broom）系统在果实或相机以受控速度移动时一次获取一条空间线，而波长扫描系统在每个波长顺序记录完整空间图像。快照（snapshot）仪器同时获取几个波段，更适合移动果实，但通常提供较低光谱分辨率。多光谱成像仅保留有限数量的生理信息波段，减少采集时间、仪器成本、照明要求和数据量。高光谱成像特别适用于鳄梨、绿香蕉、芒果、樱桃、草莓、苹果、梨、桃、柑橘等成熟过程产生色素、水分状态、干物质、可溶性固形物、酸度或组织结构空间异质性变化的水果。与点光谱不同，它可绘制成熟度变异并检测瘀伤、遮荫、未成熟或不均匀成熟区域。局限性包括高成本、大数据集、慢采集、运动畸变、探测器噪声和表面曲率效应。光滑或蜡质果皮的镜面反射可使某些像素饱和，而球形果实的侧面比中心区域接收更少照明。原始图像应使用暗参考和白参考校正，当预期空间异质性时应包括多个解剖定义的果实区域。

3.4. 声学与力学传感

声学和力学方法评估与成熟相关的刚度、弹性、阻尼和波传播变化。声学共振系统施加轻机械脉冲、电磁激励或空气脉冲，并用麦克风、加速度计、压电传感器或激光振动计记录产生的振动。坚硬果实通常产生比同等大小软果实更高的共振频率和更短的振动响应。由于共振频率也受果实质量影响，声学硬度或弹性指数通常计算为FI = f²m^2/3，其中f为选定共振频率，m为果实质量。低质量冲击传感允许小型冲击体以低于损伤阈值接触果皮，最大力或加速度、接触持续时间、冲量和表观变形指示果皮和邻近果肉对机械载荷的阻力。准静态压缩施加小型受控变形并确定刚度。超声波系统通过果实或沿其表面传输高频波，测量传播速度、衰减、反射、相移或声阻抗。声学共振提供全果实力学响应，低质量冲击描述局部果皮-果肉区域，超声提供关于浅表或内部组织波传播的信息。其适用性对小型浆果、高度不规则果实、果皮松散果实和极软样品较低，因为可重复激励、支撑和传感器接触变得困难。共振频率受果实质量、几何、方向、温度、果皮厚度、水分损失、支撑条件、激励位置和环境噪声影响。测量协议应标准化果实温度和方向、支撑配置、激励能量、冲击位置、传感器距离、频率范围和换能器压力。力学指标应与压缩或穿刺硬度、含水量、可溶性固形物、酸度、感官质地和剩余贮藏寿命比较。

3.5. 电子鼻与挥发性传感

电子鼻和挥发性传感技术通过发育和采后贮藏期间释放的挥发性有机化合物组成和丰度变化评估果实成熟度。典型电子鼻包括顶空室、气体传输系统、传感器阵列、数据采集单元和清洁或恢复电路。金属氧化物半导体传感器因其高灵敏度、适中成本和适合便携仪器而广泛使用，而导电聚合物、电化学、石英晶体微天平和表面声波传感器提供对不同挥发性基团的可选响应。单个传感器仅部分选择性，因此电阻、电导、电流、电压、质量或共振频率的联合变化形成完整挥发性混合物的香气指纹。电子鼻特别适用于香蕉、芒果、桃、梨、苹果、番茄和鳄梨等跃变型果实，其成熟通常产生乙烯和香气排放的显著变化。可靠性在弱或抑制排放、相似品种谱和不足果实质量时下降。果实数量和质量、腔室体积、平衡温度、相对湿度、载气组成、流速、暴露持续时间、传感器温度和恢复时间直接影响信号幅度。冷凝、包装排放、清洁化学品、机械损伤、微生物腐烂和先前样品残留气味也可独立于成熟度改变传感器响应。测量协议应包括稳定果实和腔室温度、标准化顶空体积和平衡持续时间、空白空气测量、充分腔室冲洗、湿度监测、定期参考气体和传感器稳定性定期评估。

3.6. 介电、阻抗与微波传感

介电、电阻抗和微波传感通过细胞完整性、离子迁移率、水分分布、溶解溶质浓度和组织结构变化评估果实成熟度。低频时，完整细胞膜限制电流进入细胞内空间，因此测量响应由细胞外电阻和电极-组织接触主导。较高频率时，膜电容降低，电流穿透细胞外和细胞内隔室。成熟相关的膜降解、果胶增溶、膨压损失、水重新分布、电解质泄漏和淀粉转化为可溶性糖因此改变阻抗幅度、电阻、电抗、电容、电导和相角。电阻抗谱通常通过两个或四个电极施加小交流电流并记录从几赫兹到约一兆赫兹频率范围内的电压响应。射频介电测量提供更宽频率范围但可显示果实特异性响应。介电常数表示组织存储电能的能力，而介电损耗因子表示通过离子传导和分子极化的能量耗散。微波传输和成像特别适用于大型厚皮果实，其内部发育难以从表面评估。这些技术对鳄梨、芒果、香蕉、苹果、梨、柿子、甜瓜、西瓜、番茄、猕猴桃、柑橘、桃和油桃可能有用，当成熟产生膜完整性、电解质分布、水分、可溶成分或组织密度的一致变化时。其共同局限性是电学特性同时响应多个生物学和物理变量。温度改变离子迁移率和水的极化，而水分损失、冷凝、瘀伤、冷害、微生物劣变和贮藏时长可独立于正常成熟改变电学测量。测量协议应标准化果实温度、方向、电极位置和压力、探头接触、频率范围、激励幅度、天线几何和环境湿度。

3.7. 多模态传感

多模态传感结合光学、化学、力学、细胞和挥发性异步变化的互补测量。传感器选择应从预期成熟度定义开始。旨在确定采收成熟度的系统可能优先考虑干物质、淀粉降解、背景颜色和生理年龄，而食用成熟度评估可能需要硬度、香气、可溶性固形物、酸度和感官质地。多模态测量应在足够短的时间间隔内从同一识别果实收集，并保持稳定果实温度、方向和水分状态。空间对应同样重要。仪器特异性校准仍然必要，包括相机的颜色和几何校准、光谱仪的暗参考和白参考、声学传感器的激励和支撑标准化、电子鼻的参考气体以及电学系统的开路、短路、负载或参考材料测量。额外传感器增加采集时间、设备成本、果实处理要求、校准负担和维护需求。包含两个生理互补模态的紧凑系统可能比较大规模冗余仪器阵列提供更有用的成熟度信息。多模态传感在测量不同过程于可比果实区域并保留生物学上有意义的差异时最有效。果皮颜色、化学成分、硬度和香气并不总是以相同速率发展，因此模态间的差异可识别不均匀成熟、延迟软化、脱水、冷害或异常挥发性发展。

4. 挑战与未来研究方向

当前无损成熟度研究的一个基本局限性是目标变量定义不一致。生理成熟度、采收成熟度、商业成熟度、食用成熟度和衰老描述相关但不同的状态。许多研究从采收日期、贮藏时长、视觉颜色或专家检查分配成熟度标签，随后声称预测整体果实成熟度，这可能产生循环结论。成熟度应根据预期决策定义，参考测量应包括适当组合的硬度、干物质、淀粉降解、可溶性固形物、可滴定酸度、色素浓度、乙烯产生、挥发性组成、感官质地和到达食用成熟度的时间。对单个识别果实的纵向测量可提供比连续日期无关果实破坏性采样更强的证据。第二个主要问题是生物学多样性不足和验证薄弱。许多报告模型从单一品种、果园、季节、成熟度范围、贮藏条件和仪器开发。样本量也经常通过报告像素、光谱、图像块、重复扫描或增强图像作为独立样本来膨胀。数据集划分应在果实、批次、果园、季节或商业设施水平定义。作者应报告独特果实数量、生物学批次、重复测量、排除样本、类别分布、参考方法不确定性和所有采集元数据。传感器测量本身仍易受通常被视为实验噪声但携带与成熟度无关的系统信息的混杂效应影响。光学测量随照明、探测器响应、果实曲率、果皮蜡质、水分损失、温度、观察几何和采样位置变化。未来实验应独立于成熟度有意变化温度、湿度、脱水、照明、果实位置、传感器距离和贮藏损伤。机器学习解释高维传感器数据，但研究常过度强调数据集内准确性。当预处理、特征选择、增强或优化先于测试集分离时，算法比较不可靠。分组或分块验证对于具有时间、空间和层次结构的数据是必需的。数据划分必须在树、批次、果园或贮藏制度水平进行，增强应在划分后应用于每个训练折叠内部，而非事先应用于合并数据集。