馬偉 王秀 矯雷子 徐波

背景

由于大自然中黑體輻射現(xiàn)象，任何物體都依據(jù)溫度的不同對外進行電磁波輻射。波長為2.0～1000 μm的部分稱為熱紅外線。熱紅外成像利用熱紅外敏感CCD對物體進行成像，能反映出物體表面的溫度場。紅外熱成像的物理學(xué)原理就是一個自然的生物紅外輻射源，不斷向周圍發(fā)射和吸收紅外輻射。

正常植株的溫度分布具有一定的穩(wěn)定性和特征性，葉片、莖桿各部位溫度不同，形成了不同的熱場。當植物遭受病害脅迫時，植株根部或葉片等部位發(fā)生疾病或功能改變時，會造成氣孔異質(zhì)性開閉，水分調(diào)節(jié)失衡，葉表溫度異常改變。該處植株組織相應(yīng)發(fā)生的變化導(dǎo)致植株的局部溫度表現(xiàn)為溫度偏高或偏低。熱成像系統(tǒng)采集植株紅外輻射信息，并轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，按照溫度分布提取添加顏色，形成偽色彩熱圖，利用專用分析軟件可得出圖像上對應(yīng)點的溫度信息用來分析，最終能夠判斷出植株病灶的部位、類別和嚴重程度，通過作物靶標信息采集為變量施藥提供依據(jù)，圖1為基于紅外熱成像的變量施藥原理圖。施藥的霧滴沉積關(guān)系到施藥質(zhì)量的優(yōu)劣，通過熱紅外成像獲取施藥前后的作物靶標信息差異，可以獲得霧滴在靶標上的沉積水平，對施藥參數(shù)的優(yōu)化提供參考。

信息獲取

變量施藥首要的工作是靶標作物的信息獲取。信息獲取是變量施藥的基礎(chǔ)，根據(jù)獲得的施藥對象作物的信息來調(diào)整施藥控制參數(shù)，實現(xiàn)“有的放矢”的按需施藥控制，主要包括靶標物理形態(tài)的識別和定位、作物病害信息的早期檢測。

紅外熱成像系統(tǒng)的作物識別

紅外熱成像系統(tǒng)獲取作物的外輪廓圖像時，由于受到外界環(huán)境溫度的干擾，及其自身成像技術(shù)的限制，作物輪廓成像信息邊緣和背景的區(qū)分存在一定難度。通過圖像處理算法的研究有助于提升識別的精度，其中基于蟻群算法的植株熱紅外圖像邊緣檢測取得較好的效果。陳浩等[1]針對熱紅外圖像目標與背景區(qū)分不明顯、效果模糊，以及采用傳統(tǒng)的Roberts、Sobel、Canny等邊緣檢測方法難以取得理想檢測效果的特點經(jīng)過嘗試改進，首次將蟻群優(yōu)化算法應(yīng)用于熱紅外圖像邊緣檢測。該算法主要步驟由初始化過程開始，進行N步迭代構(gòu)造信息素矩陣，然后執(zhí)行信息素過更新過程，最后圖像邊緣由決策過程給出。測試以玉米植株為對象，結(jié)果表明，該算法與傳統(tǒng)邊緣檢測算法相比優(yōu)勢明顯，能夠較好地得到邊緣檢測結(jié)果，可為基于紅外熱成像的靶標輪廓識別圖像處理提供一種新的方法。浙江大學(xué)徐惠榮[2]為了解決光線強弱、樹葉遮擋對機器識別作物的干擾，利用紅外輻射識別和定位作物，對機械手的運動進行向?qū)?，?jīng)過熱紅外圖像分割運算，得到很好的識別效果，為全天候的靶標識別和定位提供了一種技術(shù)手段。周建民等[3]將紅外熱成像技術(shù)引入到樹上板栗的機器識別檢測當中，通過樹上板栗紅外熱成像信息研究正常板栗果、壞死果以及空心果的紅外輻射差異，對獲取的熱圖像進行溫度校正、閾值分割、特征提取、目標標識，取得很好的效果。這些識別手段都可以為變量施藥提供決策基礎(chǔ)。

作物病害信息的檢測

通過信息化手段對作物病害信息實施檢測，將患病的植株識別出來，按照患病組和不患病組進行施藥也是變量施藥信息獲取的重要目的。采用紅外熱成像技術(shù)手段能通過獲取作物脅迫的圖像信息來快速識別病害信息。當植物遭受非侵染性病害時，其膜結(jié)構(gòu)首先遭到破壞，隨之代謝結(jié)構(gòu)發(fā)生紊亂，水分調(diào)節(jié)失調(diào)，其表面的溫度就會產(chǎn)生異常的分布。當植物受到侵染性病害的危害時，細胞膜的膜透性就發(fā)生變化，葉片的細胞內(nèi)水分相對流失過快，引發(fā)葉片氣孔的變化調(diào)節(jié)細胞水勢的變化，同時有些真菌分泌物也會關(guān)閉氣孔，另外植物本身的自衛(wèi)系統(tǒng)激素的積累也會引起植物氣孔的異常開閉。氣孔的異質(zhì)性開閉引發(fā)氣孔導(dǎo)度和蒸騰強度等諸多生理指標的改變，從而改變?nèi)~片表面熱量異常變化。這就為基于溫度變化檢測的熱紅外成像技術(shù)提供了機理基礎(chǔ)。當病原物侵染植物后，在潛伏期內(nèi)的植物葉片的溫度就會升高或降低，葉片最大溫差（MTD）逐漸曾大，這為早期檢測提供了窗口期。黃瓜、番茄花葉病等研究已經(jīng)初步得到驗證。研究表明在溫室內(nèi)，紅外熱成像技術(shù)能很好的將潛伏期的感病組和健康組區(qū)分出來，實現(xiàn)對作物病害信息檢測的目的。徐小龍[4]基于紅外熱成像技術(shù)對植物病害進行早期診斷，研究表明該技術(shù)可以為人們有效的控制植物病害的大規(guī)模蔓延爭取寶貴時間，將植物病害消滅在萌芽階段，從而達到提高農(nóng)作物產(chǎn)量和質(zhì)量的目的，而且還可以大幅度的減少農(nóng)藥使用量。

藥械噴藥霧滴沉積監(jiān)測

藥械噴藥霧滴沉積的空間分布是施藥質(zhì)量的重要評價指標，快速的獲取其空間分布數(shù)據(jù)對于藥械參數(shù)的調(diào)整優(yōu)化具有重要的作用。張京等[5]基于紅外熱成像技術(shù)研究采用新型無人駕駛直升機進行航空噴藥，其噴霧參數(shù)對藥液霧滴沉積效果的影響。通過選用紅外熱像儀測試噴霧前、后作物冠層溫度，通過溫度變化率反映霧滴在水稻冠層的沉積效果。研究結(jié)果表明，以霧滴沉積量與冠層溫度變化率為評價指標得到的結(jié)果一致，紅外熱成像技術(shù)可以準確反映霧滴在水稻上的沉積規(guī)律。通過基于紅外熱成像的霧滴沉積研究優(yōu)化了無人駕駛直升機作業(yè)噴霧參數(shù)為：飛行高度2 m、飛行速度1.5 m/s。這對于霧滴沉積快速監(jiān)測提供了新的技術(shù)手段和方法。

結(jié)論

綜上所述，本文分析熱紅外用于變量施藥監(jiān)測的可行性，如同周建民等[6]所述其在農(nóng)業(yè)上的應(yīng)用現(xiàn)狀，對于變量施藥監(jiān)測而言有以下問題：①紅外熱成像技術(shù)若用于變量施藥在大田環(huán)境中容易受到氣候的影響，成像精度不是很理想。在溫室中有較好的效果。② 作物靶標感染葉片和正常葉片間有約1℃的溫度差異，若用于變量施藥監(jiān)測用途，作為非破壞性的一種檢測方法，可選取輔助加熱或冷藏來提高靶標葉片檢測信息準確性。

參考文獻

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[3] 周建民，尹洪妍，張瑞豐，等.基于紅外熱成像樹上板栗機器

識別研究[J].中國農(nóng)機化，2012，（3）：132-136.

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杭州：浙江大學(xué)，2012.

[5] 張京，何雄奎，宋堅利，等.無人駕駛直升機航空噴霧參數(shù)對

霧滴沉積的影響[J].農(nóng)業(yè)機械學(xué)報，2012，43（12）：94-96.

[6] 周建民，周其顯，劉燕德，等.紅外熱成像技術(shù)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中

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江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué)，2014，42（9）：1-4.

*項目支持：國家科技支撐項目（2014BAD06B01-17），北京市創(chuàng)新團隊崗位專家項目。