近红外光谱检测技术及其在林业中的应用

张英

【摘 要】自从上个世纪八十年代开始，近红外光谱成为全世界发展最快、最引人瞩目的一种光谱分析技术，被广泛的应用在各个行业的检测工作中。本文就近红外光谱技术的发展历程入手分析，探讨了其在国内外的应用情况，重点列举了其在林业生产中的应用优势，旨在为同行日后工作提供科学的参考依据。

【关键词】近红外光谱；林业生产；木材工业；检测

近年来，随着时代的进步和社会的发展，以红外光谱技术为主的新型检测技术越来越受到人们的重视和关注，已成为现代化检测领域中一项备受关注的技术标准。这种技术在应用中以其速度快、准确系数高、操作简单、稳定性能好、无损伤的优势得到了人们的认可，已成为国内外水果品质检测、木材检测、唔损伤检测领域中研究的焦点话题。而在我国，近红外光谱技术在林业生产上的研究才刚刚起步，其中还存在着众多的不足，因此，在工作中需要我们认真的归纳和总结，从而提出科学、合理的检测技术标准。

1.近红外光谱技术分析

随着红外光谱技术和计算机的不断发展，在我国林业生产和国际化发展中的应用中这种技术发挥着越来越重要的作用。林业生产本身作为一个繁杂的混合体系，它在工作中与周边的环境因素、自然因素、生态因素、地质因素都有着密切关系，因此在工作中需要认真的归纳总结，针对林业生产中存在的各种问题提出有针对性的预防，以确保林业生长的正常、合理。

1.1近红外光谱技术概述

近红外光谱技术主要指的相关物质在近红外区的吸收光谱现象。一般来说，其红外波段长度为0.7～2.5μm左右，而近红外区主要指的是能够吸收各种低能电子跃迁以及含有氢原子的原子团。一般来说，在目前的应用中波长范围一般都是节约可见光与中红外区之间的电磁波，其波长控制在780～2526nm之间，而波数的范围则是在12820～3959cm之间。截至目前，我们在工作中常见的近红外光谱区的含氢基团主要包含有CH、0H、NH等。由于在工作中，几乎所有的有机物都能够在组成以及构成中出现谱图稳定等现象，因此近红外光谱发也被人们称之为分析界的巨人。

1.2近红外光谱技术的应用特点

近红外光谱分析技术是与上个世纪八十年代开始形成的一项测试新技术。这种技术随着近红外光谱仪器的不断优化、更新和成本的不断降低和各种软件的进一步完善，其逐步提高了从复杂、繁琐、重叠和变化环境中提取有效信息的效率，增加了光谱的噪音比。截至目前的社会发展和应用中，近红外光谱发的应用范围日益扩大，其在应用中以速度快、操作简单、不破坏样品以及无污染的特点受到了社会各界的好评，更是成为木材检验工作中一项就为常见的检测技术标准。

1.3近红外光谱分析技术的发展

近红外光最早出现于1800年的英国，而近红外光谱分析技术的应用与出现是与上个世纪三十年代末期，但是由于当时各种技术的不科学、不完善，使得其在应用中存在着种种的困扰，如信号吸收能力弱、谱带相互混乱、信息量庞大、分析复杂等现象。这些问题和现象的存在一方面造成了近红外光谱分析技术应用的局限性，另外也使得整个近红外光谱分析技术发展手速。直至六十年代开始，随着计算机技术和信息技术的发展，近红外光谱分析技术得到了迅速的发展，其应用范围也不断扩。特别是新世纪以来，由于近红外光在光纤中有着良好的传输性能，在先分析成功的应用在社会生产的各个领域当中，截至目前已经成功的应用在林业、农业、医药、石油化工等多个环节，并获得了丰硕的成果。

2.近红外光谱分析技术在林业上的应用状况

2.1近红外光谱检测技术在水果品质检测中的应用

为了提供高质量的水果，满足人们对绿色果品的需求，水果的种植、贮藏和销售都需要一种方便准确、迅速、无损的在线检测技术。以取代目前的M—T有损检测试验。近红外光谱分析技术作为一种快速、无损、简便的检测方法显得特别重要，日本公司开发的近红外分光测定法可以同时测定水果的成熟度、含糖度、含酸度、糖蜜含量以及检验有无病斑等，可以说在检测水果中取得了划时代的进展。国外已有许多学者在水果坚实度、糖度和酸度睁7]检测方面利用N瓜技术做过大量的相关研究，研究的水果品种主要有苹果、梨、香蕉、桃子、樱桃、芒果、猕猴桃、柑橘和菠萝等。研究结果表明，应用近红外检测技术对水果进行田间、储藏和销售在线快速无损检测是可行的，为确定采摘时间和包装等级等提供新的检测手段。目前，近红外检测技术已经在同时检测水果品质的多个指标（糖度、酸度、坚实度等）中得到了广泛应用。

自2000年以来，我国也陆续开展了近红外检测技术在水果检测中的一些应用研究。有关专家以柑橘和苹果为检测对象，用完全遮光型透过光水果内部品质测定装置进行在线糖度、酸度及内部褐变等检测试验，并与常规分析法测定结果进行回归分析，结果表明：糖度值与实测值的相关系数在0.95以上，酸度相关系数大于0.85，且能检测内部缺陷，完全满足在线检测水果内部品质的要求。

2.2近红外光谱技术在木材性质检测中的应用

国外对近红外光谱技术在木材性质中的应用研究工作开展得比较早，研究的也相对广泛，如利用近红外光谱技术预测木材化学组成、物理力学性质、解剖性质、腐朽性质以及木质复合材料的性能等方面都有报道。目前，近红外光谱技术在我国林业木材性质方面的研究应用也日益展开，已有用近红外对木材密度、水分和微纤丝角以及木材腐朽性质的研究报道。木材密度是木材性质中的一项重要性质，与木材的化学组成和细胞构造密切相关，它可以估计木材的重量、判断木材的工艺性质和物理力学性质（硬度、强度、干缩以及湿涨等）。树木在其全部生命活动期间，都与水分有着密不可分的联系。水分是木材的重要特征之一，用近红外光谱分析木材性质，必须考虑水分对预测结果的影响。微纤丝角是影响木材性质的最重要的物理量之一，木材资源利用和林木品质改良都要求能快速、方便地测定木材的微纤丝角。

有关工作人士对杉木的三个不同切面（横切面、径切面、弦切面）进行了近红外光谱信息的提取及模型建立，通过对杉木不同切面密度模型及预测结果的分析与评价，发现从木材横切面采集到的光谱建立的预测模型效果最好，可以实现杉木木材密度的快速无损检测。用近红外光谱分析技术测定木材密度，具有快速、准确、无需对样品进行特殊预处理等独特优点，这为杉木的加工利用和林木遗传改良提供了重要的密度预测方法。

2.3近红外光谱检测技术在林业种子质量检测中的应用

面对大量的林业种质资源，如何进行有效的分析利用，不断地培育出优质的新品种，是林业育种学家的重要课题。近红外光谱检测技术为林业育种工作提供了一个新的快速的和非破坏性的检测方法和手段，克服了传统方法中需要解决的难题，在困外的林业品质育种和种植资源鉴定中已有一定的研究和应用。

3.结束语

国内外的大量试验研究和实践表明，近红外漫反射光谱检测技术具有常规法难以比拟的许多优越性，在水果坚实度和品质检测、木材性质检测、品质育种、种质资源鉴定等方面的应用是可行的。但进一步的深入研究还是必需的，包括尝试别的建模化学计量学方法、不同的光检测方法以及不同的光谱预处理等等，以提高检测的精度。

【参考文献】

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[2]耿楠，何东健，王婧，党革荣，王宏斌，郭孟生.小麦生长信息计算机视觉检测技术研究（英文）[J].农业工程学报，2001（01）.