傳統的農業耕作方式存在成本高、效益低且環境汙染等諸多問題,由粗放式傳統農業向信息化精準農業轉化是農業發展的必然趨勢。精準農業(Precision Agriculture,簡稱PA),能夠快速獲取作物信息並進行解析,是其發展的必要條件。紅外熱成像技術具有快速響應的優點,並可通過手持或機器搭載的方式,做到無接觸、無損地獲取作物熱像信息。另外,在所有監測作物指標中,作物的表麵溫度被認為是響應最快的指標,能夠在作物出現肉眼可視症狀前察覺到作物的脅迫。因此,紅外熱成像技術被認為是精準農業發展中最有前景的技術手段之一。
幹旱、凍害以及侵染性病害會對農作物的生理造成影響,其中部分生理影響使作物表麵溫度產生的變化相較於正常作物的溫度十分顯著,因此紅外熱成像技術可用於監測作物生長或作物存儲的部分生理狀況,並且有助於實現農業監測方麵的智能化、信息化管理作業。
本文介紹了熱紅外成像技術的基本原理和常用的圖像處理手段,總結了紅外熱成像技術在目前國內外農業中的研究與應用進展(包括水分脅迫、侵染性病害監測、凍害脅迫、產量預測),分析了紅外熱成像技術在農業領域的開發與應用中所麵臨的難題和未來發展趨勢。
紅外熱成像技術在農業中的研究和應用廣泛,以下主要從水分脅迫監測、侵染性病害監測、凍害脅迫監測、測產以及其他等方麵介紹和討論,如表所示。
水分脅迫監測
水具有較高的比熱容、穩定的化學性質、高溶解性以及巨大的汽化潛熱,其性質奠定了蒸騰作用的物理基礎。作物對水分含量十分敏感,水分對其生長趨勢具有顯著的影響。同時作物水分脅迫狀態也是農田灌溉調度、產量預測等方麵的重要指標。因此,在農業熱紅外監測中,水分脅迫狀況是重要的監測指標之一。
侵染性病害監測
病害的監測在農業中占有重要地位,在早期發現病害引起作物生理上的變化,就能進行預防治療,減小其對產量的影響。通常可將作物病害分為侵染性病害與非侵染性病害。非侵染性病害通常由環境因素導致,如水分脅迫。侵染性病害則是由病原生物侵染宿主所引起的病害。對於侵染性病害,在傳統目測監測方法中,如能觀察到葉表發生的變化,則此時大多數作物病害已處於較嚴重的時期。
在病毒監測中,紅外熱成像技術可獲取病毒感染部位的溫度隨時間變化情況,將其與可見光圖片作對比,可驗證將紅外熱成像技術應用於早期檢測中的可行性。紅外熱成像技術在病毒早期監測中具有良好的效果,為基於機器視覺的病毒早期監測提供了較可見光監測更具有時效性的監測手段。
凍害脅迫監測
凍害脅迫指的是作物長時間在0℃以下,植物體內的水因溫度過低而發生固體變化形成冰核導致其喪失生理活性,植物內部的冰晶形成與發展還與一種細菌有關,最終引發植株的死亡。用熱像儀觀察冰核的形成與冰凍傳播特征,有利於更好地探索作物凍害脅迫的實質。通過觀察恢複常溫後的作物生存狀況是一種檢測作物抗凍性的常用方法。用熱像儀研究抽穗後小麥的局部凍害脅迫特征。通過熱成像觀察兩種小麥的莖和麥穗在7種0℃以下氣溫中冰核形成過程。結果表明,這兩種小麥在-5℃時達到承受凍害脅迫的極限,比在其他溫度下更具有抗凍性,並且認為大多數品種的小麥都應具有相似的特點。在基於多元數據的遙感監測中,紅外熱成像遙感反演技術與其他遙感技術相結合可被用於凍害脅迫的監測。
產量預測
基於統計學的抽樣調查測產法具有較高精度的預測結果,但該方法需要消耗大量的人力物力,且效率低下,性價比低。通過獲取作物的紅外熱成像信息特征進行測產,可明顯提高效率。
在產量預測中,由於紅外熱成像提取的特征與某種脅迫有關,因此基於紅外熱成像技術產量預測的實質是研究預測產量與脅迫之間的關係,脅迫通常是水分脅迫。有學者最早通過紅外熱成像技術提取特征值測產,利用脅迫積溫指數(Stress Degree Day,簡稱SDD)來調度灌溉量,並發現該指數與產量成負相關關係。假設將衡量水分脅迫狀況的指數作為產量預測的特征值,則在作物的哪個生長階段獲取該特征值便是第2個研究點。用紅外熱成像技術研究不同的轉基因玉米,發現在玉米籽粒形成期的水分脅迫指數與玉米的產量存在負相關關係,且相關性達到了顯著水平。
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