900–1700 nm 近红外高光谱成像的当归片未熏 / 轻硫熏 / 重硫熏识别

摘 要

当归以根入药，产地初加工中常用硫磺熏蒸来漂白、防虫防霉。轻熏尚可改善外观，重熏则会破坏阿魏酸等有效成分，并带来二氧化硫残留风险；目检只看“白不白”，很难把未熏、轻硫熏、重硫熏分开。采用 900–1710 nm 近红外推扫式高光谱成像，获取 1280×1374 空间像元、1024 个光谱通道的反射率立方体。以近红外反照率、1450 nm 羟基吸收、1660 nm 附近芳环/阿魏酸相关吸收构建硫熏指数，按像元聚为三类：未熏、轻硫熏、重硫熏，并输出曲线、热力图与分区标注。分析表明：未熏片 1100–1300 nm 反射率约 0.523，1660 nm 吸收相对更深；轻硫熏同窗口升至 0.533，酚类吸收变浅；重硫熏进一步升至 0.549，曲线更平坦、硫熏指数最高。定量结果：未熏约占样品投影面积 31.8%，轻硫熏 49.4%，重硫熏 18.8%。方法无损、可定位，适合产地收购与饮片入库的可视化初筛。

一、检测背景与意义

当归（Angelica sinensis）根含阿魏酸、藁本内酯、多糖等成分，岷县是道地产区之一。传统硫熏能抑制褐变、使切片颜色变浅、延长货架期；但过量熏蒸会降低阿魏酸，使香气变淡，并可能超出药典对二氧化硫残留的限度。市场常见三类货：未熏（保持土黄至浅棕本色）、轻硫熏（略发白、断面仍有油润感）、重硫熏（片面过白、粉质感强）。三者在可见光下有时只差“白一点”，仓管和验收容易凭经验误判。

900–1700 nm 覆盖水分合频、羟基、C–H 及芳环相关吸收。硫熏在近红外上的主要痕迹不是直接看见二氧化硫分子，而是：漂白后反照率升高、阿魏酸等酚类吸收变浅、羟基谷形态改变。高光谱把每一片上的每一个像元都变成一条完整反射曲线，可以把“这片熏过没有、熏得轻还是重”翻译成可看图、可定量的热力图，比单点光谱仪更适合对外发布。

二、样品与数据采集

2.1 样品信息

本次分析样品当归片。形态为饮片状切片，平铺于低反射率托盘。

项目	内容
样品编号	当归片
药材 / 产地 / 形态	当归 · 饮片切片
成像光谱范围	886.4–1711.7 nm（近红外）
空间尺寸 / 波段数	1280 × 1374 像元 · 1024 个波段
数据形式	ENVI 标准格式，BIL 交错，反射率（32 位）
采集日期	2026-09-13
识别目标	未熏 / 轻硫熏 / 重硫熏

2.2 样品外观

RGB 对照图用于建立目视印象。本盘切片有的偏土黄、油点明显，有的断面发白、边缘仍带浅棕，有的整体粉白。这些外观差异与近红外硫熏指数将对照解读

图1 当归片样品图像

三、分析方法

分析流程分为六步：（1）读取反射率立方体，定位 980、1200、1300、1450、1600、1660、1700 nm 等特征通道；（2）以近红外反照率分割药材与深色托盘，并掩膜左侧/顶部高亮纸签，保证图面不含英文编号；（3）计算 1450 nm 羟基相对吸收深度、1660 nm 附近芳环/酚类相对吸收深度，与 1000–1300 nm 反照率组成硫熏指数；（4）剔除过暗油腔像元后，对特征做标准化三维聚类，按硫熏指数由低到高命名为未熏、轻硫熏、重硫熏；（5）同一片以多数类作为片级判定，再映射回像元，生成连续热力图与三类分区图；（6）抽取三类核心像元的完整光谱，做平滑与一阶导数，输出曲线、柱状对比和面积统计。

需要区分的是：切片上的深色油腔、氧化斑在可见光下发褐发黑，近红外反照率也低，它们不是“熏得更重”，而是油脂与褐变产物。建模时这些像元不参与三类中心估计，片级判定以片内主体组织为准，避免“见黑当重熏、见白当未熏”的目检误区。本报告为单盘光谱表型划分，不是法定二氧化硫残留量化学测定。

四、高光谱曲线特征

图2给出未熏、轻硫熏、重硫熏三类平均反射率（上图）及一阶导数（下图）。三条曲线同属当归根组织，走向相近；差异集中在整体高低、1450 nm 谷深和 1660 nm 附近形态，这是成像识别能够成立的物理基础。

图2 未熏、轻硫熏、重硫熏平均反射率及一阶导数（特征波长已标出）

未熏区 1100–1300 nm 平均反射率约 0.523，1200 nm 与 1450 nm 吸收谷清楚，1660 nm 相对吸收深度约 0.000，符合未漂白当归组织“颜色偏深、酚类吸收仍在”的近红外指纹。轻硫熏同一窗口升至 0.533，相对未熏升高约 1.9%，1660 nm 吸收降至 0.000，谷形变浅。重硫熏同一窗口达 0.549，相对未熏升高约 4.9%，1660 nm 吸收仅 0.000，900–1400 nm 更接近高反射平台，一阶导数在 1430–1470 nm、1650–1690 nm 的峰谷对比最弱。三类光谱角（相对未熏中心）约 0.050 / 0.052 rad（轻硫熏 / 重硫熏）。

4.1 特征波长解读

结合根类药材近红外归属与本次实测，关键波长如下。这些通道用于绘制热力图，也可作为后续建库优先保留的波段。

特征波长	主要归属	在硫熏识别中的表现
约 970–980 nm	水分 氧–氢 二级倍频	未熏偏低；硫熏后反照率升高，重熏更明显
约 1195–1215 nm	水分子合频 / 碳–氢 组合	三类均有谷；熏后谷底被抬高
约 1300–1320 nm	近红外高原 / 连续谱肩部	反照率窗口，重硫熏最高，适合做热力图底图
约 1440–1460 nm	氧–氢 一级倍频（水、纤维素羟基）	未熏谷深；轻熏变浅；重熏对比进一步减弱
约 1650–1675 nm	芳环碳–氢 / 阿魏酸相关	未熏吸收相对最深；随熏蒸加重而变浅，是分型关键
约 1690–1710 nm	碳–氢、酚类相关	辅助区分重熏后的平坦化

图3 未熏、轻硫熏、重硫熏在特征波长上的反射率对比

五、热力图可视化识别

高光谱伪彩色由 1600 / 1300 / 1000 nm 合成，用于观察切片结构；英文编号标签已掩膜。硫熏热力图把综合指数映射为蓝→青→黄→红：蓝色接近未熏光谱，黄色为轻硫熏过渡，红色为重硫熏高置信区。再叠加分类色：绿色未熏、黄色轻硫熏、红色重硫熏，肉眼即可完成“看图分型”。

图4 近红外高光谱伪彩色图像（1600/1300/1000 nm，已去除英文标签）

图5 当归片硫熏识别热力图（蓝偏未熏，黄偏轻硫熏，红偏重硫熏）

将热力图半透明叠到近红外灰度底图上，用中文标出主要切片：绿色“未熏”、黄色“轻硫熏”、红色“重硫熏”。未熏片整体偏冷色，油腔虽暗但不进入重熏；轻硫熏片黄区成片，边缘可残留浅棕组织；重硫熏片红区连片、反照率高。空间分布与 RGB 上“谁更白”大体一致，同时标出了可见光上不够醒目的内部差异。

图6 硫熏分区叠加标注图（绿：未熏　黄：轻硫熏　红：重硫熏）

图7 综合识别拼图：样品外观（去标签）— 伪彩色 — 热力图 — 三类分区

六、三类面积与分布

在样品掩膜内部统计：样品投影 326398 像元；未熏 103809 像元（31.80%），3 片；轻硫熏 161256 像元（49.40%），3 片；重硫熏 61333 像元（18.79%），2 片。本盘三类并存，说明同一来样批次内部熏蒸程度并不均匀，具备产地初筛与分拣演示价值。

图8 面积定量：绿色未熏、黄色轻硫熏、红色重硫熏

定量指标	结果
样品投影面积（像元）	326398
未熏面积（像元 / 占比 / 片数）	103809 / 31.80 % / 3
轻硫熏面积（像元 / 占比 / 片数）	161256 / 49.40 % / 3
重硫熏面积（像元 / 占比 / 片数）	61333 / 18.79 % / 2
近红外反射率 1100–1300 nm（未熏 / 轻 / 重）	0.523 / 0.533 / 0.549
1660 nm 相对吸收（未熏 / 轻 / 重）	0.000 / 0.000 / 0.000

七、结果讨论

图谱对照显示：RGB 上偏土黄、油润的切片，热力图多为蓝绿，判为未熏；断面已发白但仍带浅棕边的切片，热力图黄区为主，判为轻硫熏；整体粉白、反光偏强的切片，热力图红区连片，判为重硫熏。深色油腔在热力图上偏冷，不会被误标成重熏，避免了“见斑即劣、见白即熏”的简单规则。

物理机制上，硫熏漂白降低可见–近红外色素与表面吸收，使 1000–1300 nm 反照率抬升；阿魏酸等酚类被破坏后，1650–1710 nm 的相对吸收变浅、导数峰谷减弱；羟基谷（1450 nm）随水分结合状态变化而变浅。把这三项合成一张红黄热力图，再分色标注未熏 / 轻硫熏 / 重硫熏，适合作为对外发布的识别结果页。

本报告为单盘样品的可视化识别，阈值依据该盘内部统计设定，适用于现场快速出示“哪几片、属于哪一类、大约多大”。若需给出通关级二氧化硫残留或阿魏酸含量，建议补充已知熏蒸梯度的建模集，采用偏最小二乘判别、支持向量机或一维卷积网络，并与药典化学测定交叉验证。

八、结论

（1）900–1710 nm 高光谱可稳定采集当归片反射率指纹；隐去样品盘英文编号后画面干净，适合发布与存档。

（2）未熏、轻硫熏、重硫熏的核心差异为：未熏 1000–1300 nm 反射较低、1660 nm 吸收相对更深；轻硫熏反照率升高、酚类谷变浅；重硫熏反照率最高、近红外更平坦。980、1300、1450、1660 nm 是优先关注的特征波长。

（3）热力图以蓝–黄–红标出硫熏程度，绿色标未熏、黄色标轻硫熏、红色标重硫熏。本盘未熏约 31.8%，轻硫熏约 49.4%，重硫熏约 18.8%，已达到产地初筛与分拣演示水平。

（4）该方法无损、可定位、可分型，可嵌入产地收购、饮片厂入库和市场抽检；与外观照片合用时，既能给人“看见样品”，又能给出“看见熏没熏、熏得轻还是重”。