李　真，史智興，王　成，宋　鵬，陳子龍，羅　斌，張?jiān)汽?/p>

(1.河北農(nóng)業(yè)大學(xué) 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,河北 保定　071000；2.北京農(nóng)業(yè)信息技術(shù)研究中心，北京　100097)

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紅外熱成像技術(shù)在作物脅迫檢測(cè)方面的應(yīng)用

李真1，2，史智興1，王成2，宋鵬2，陳子龍2，羅斌2，張?jiān)汽?

(1.河北農(nóng)業(yè)大學(xué) 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,河北 保定071000；2.北京農(nóng)業(yè)信息技術(shù)研究中心，北京100097)

摘要：紅外熱成像技術(shù)是通過(guò)接收事物自身的分子及原子無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的熱輻射后，對(duì)事物進(jìn)行成像的一種機(jī)器視覺(jué)技術(shù)。目前，國(guó)內(nèi)外均在紅外熱成像方面做了較深入的理論方法研究。為此，簡(jiǎn)要地概括了紅外熱成像技術(shù)的原理，介紹了該技術(shù)在農(nóng)業(yè)上的應(yīng)用，并從作物病害脅迫檢測(cè)、水分脅迫分析、凍害脅迫分析3個(gè)方面，具體說(shuō)明了紅外熱成像技術(shù)在作物脅迫檢測(cè)方面的研究現(xiàn)狀。最后，通過(guò)總結(jié)熱紅外技術(shù)的特點(diǎn)及優(yōu)勢(shì)，對(duì)未來(lái)該技術(shù)在作物檢測(cè)方面的研究方向進(jìn)行了展望。

關(guān)鍵詞：熱成像技術(shù)；病害檢測(cè)；脅迫分析；圖像處理

0引言

紅外熱成像技術(shù)是一項(xiàng)新型機(jī)器視覺(jué)技術(shù)。該技術(shù)研究紅外輻射的發(fā)射傳輸及接收的原理和規(guī)律，通過(guò)轉(zhuǎn)換和處理接收到的紅外信息，運(yùn)用景物自身各部分輻射的差異獲得圖像的細(xì)節(jié)[1]。熱成像技術(shù)通過(guò)對(duì)事物進(jìn)行成像，能夠從另一個(gè)角度觀察到事物的自身的變化。該技術(shù)之前多用于軍事及工業(yè)上。隨著熱成像技術(shù)的發(fā)展及精度的提高，目前熱成像技術(shù)開(kāi)始應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域。利用熱成像技術(shù)對(duì)作物的長(zhǎng)勢(shì)進(jìn)行熱成像后，結(jié)合相關(guān)分析方法，有利于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)作物生長(zhǎng)發(fā)育的變化情況，并可通過(guò)變化情況來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)作物生產(chǎn)的指導(dǎo)。近年來(lái)熱成像技術(shù)在農(nóng)業(yè)研究方面，開(kāi)始有了一定的應(yīng)用，其應(yīng)用原理如圖1所示。

圖1　紅外熱成像原理圖

物體發(fā)射的紅外輻射通過(guò)光學(xué)元件匯聚到探測(cè)器上，然后將入射的輻射轉(zhuǎn)化成電信號(hào)，隨之通過(guò)信號(hào)放大和模數(shù)轉(zhuǎn)換，并通過(guò)處理系統(tǒng)后，即形成了紅外熱圖像。通過(guò)該方法可實(shí)現(xiàn)對(duì)物體的無(wú)損非接觸檢測(cè)，通過(guò)智能檢測(cè)進(jìn)行分析和判斷。

目前，紅外熱成像技術(shù)宏觀上主要應(yīng)用于農(nóng)作物生長(zhǎng)監(jiān)測(cè)、溫室大棚的監(jiān)控、作物病蟲(chóng)害的預(yù)防、遙感探測(cè)、作物的采摘、農(nóng)產(chǎn)品儲(chǔ)藏控制和農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)的無(wú)損監(jiān)測(cè)等方面。微觀上則利用熱成像技術(shù)研究作物的氣孔導(dǎo)度與葉片溫度之間的關(guān)系、氣孔開(kāi)度與外界氣體含量之間的關(guān)系，以及作物受病害侵染后，細(xì)胞改變情況與葉片溫度變化的關(guān)系及作物葉片的水分分布情況等。加速對(duì)作物病害脅迫監(jiān)測(cè)的進(jìn)展，使得對(duì)抗作物病害脅迫的方法具有科學(xué)依據(jù)，對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展具有重大意義。

1國(guó)內(nèi)外研究進(jìn)展

紅外熱成像技術(shù)在作物檢測(cè)方面的研究主要包括病害脅迫[2-4]、水分脅迫[5-7]及凍害脅迫檢測(cè)[8]。

1.1在作物病害脅迫方面的應(yīng)用

作物病害不僅嚴(yán)重影響農(nóng)作物的產(chǎn)量，而且還對(duì)食品安全造成極大的影響。但是，病害在發(fā)病初期往往不易被人覺(jué)察。而當(dāng)病害一旦發(fā)生，防治困難，且實(shí)施效果較差，將導(dǎo)致作物產(chǎn)量大幅減少，甚至絕產(chǎn)[9-10]。當(dāng)作物受病害脅迫時(shí)，會(huì)在傷口處形成傷素，同時(shí)傷處會(huì)產(chǎn)生大量化學(xué)信使如ABA等，經(jīng)一系列誘導(dǎo)作用，使作物產(chǎn)生多種防御反應(yīng)，形成許多防御反應(yīng)產(chǎn)物,以抑制或殺傷病原[11]。與其同時(shí)改變的是作物的蒸騰作用。作物經(jīng)氣孔開(kāi)閉來(lái)改變蒸騰作用，對(duì)病害脅迫進(jìn)行防御。當(dāng)蒸騰作用改變時(shí)，作物葉片組織的溫度隨之發(fā)生變化。此時(shí)，通過(guò)熱成像技術(shù)觀察作物的溫度變化趨勢(shì)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)作物病害的預(yù)警。

徐小龍[12]發(fā)現(xiàn)在可控條件下，于紅外熱像儀采集到的感染病毒的黃瓜葉片和番茄葉片的熱圖像。經(jīng)計(jì)算得出，黃瓜接種葉片和對(duì)照葉片約有1℃的溫度差異。而對(duì)于番茄葉片，徐小龍將浙雜品種選為實(shí)驗(yàn)材料，其接種葉片比對(duì)照葉片的溫度低0.5～1.2℃。目前，紅外熱成像技術(shù)可以通過(guò)葉片細(xì)胞的溫度變化。這更容易地觀察到大葉作物的葉溫變化，表明葉片溫度的差異可以作為辨別作物感病的一個(gè)可靠指標(biāo)。

朱圣盼[13]以番茄為實(shí)驗(yàn)材料，利用可見(jiàn)光采集系統(tǒng)、紅外熱圖像采集系統(tǒng)和多光譜圖像采集系統(tǒng)初步監(jiān)測(cè)其葉片的早期感病狀態(tài)。在監(jiān)測(cè)植物的葉子時(shí)使用了紅外熱像儀，并采用電子顯微鏡，葉綠素含量檢測(cè)等實(shí)驗(yàn)方法研究葉片內(nèi)部的變化。在植物早期病害監(jiān)測(cè)時(shí)的熱圖像中，可以很清楚地從圖像中看到病變部位與健康部位的溫度差異，為以后熱成像技術(shù)在作物預(yù)警方向的研究，奠定了理論基礎(chǔ)。

E-COerke等[14]對(duì)感染霜霉病的黃瓜進(jìn)行紅外熱圖像采集，并分析其葉片溫度的變化。在可控條件下，可以于熱像圖中明顯區(qū)分出黃瓜葉片的染病區(qū)域和健康區(qū)域，甚至在病斑肉眼可見(jiàn)前也可觀測(cè)到葉片中染病區(qū)域和健康區(qū)域的差別。但由于環(huán)境溫濕度較大，受其影響，只通過(guò)最大溫差(MTD)并不能量化黃瓜霜霉病感病程度。

CarlosBerdugo等[15]在甜菜最佳播種時(shí)間，即播種后第4周接種立枯絲核菌AG2-2IIIBand AG4后，采用紅外熱成像技術(shù)測(cè)量接種后的甜菜葉片溫度差異。此時(shí)，甜菜各品種間的發(fā)病率表現(xiàn)出顯著差異。該技術(shù)是可以用于鑒定作物抗性的一種新工具。

E.-C.Oerke 等[16]利用數(shù)字紅外熱成像技術(shù)，檢測(cè)和定量分析在不同時(shí)期接種蘋果黑星病病菌后的蘋果葉片，其病情的嚴(yán)重程度及對(duì)蘋果葉片蒸騰作用的影響。發(fā)現(xiàn)隨著病情發(fā)展，葉片最大溫差MTD與感染部位面積大小(r2linear = 0.85)及病斑面積占葉面積的百分比密切相關(guān)。MTD不僅可用于區(qū)分感病葉片和健康葉片，如在精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的篩選和檢測(cè)方面，也可用于感病的定量分析。

Lindenthal Miriam等[17]進(jìn)行了結(jié)合數(shù)字熱紅外技術(shù)、顯微鏡和氣體測(cè)量等設(shè)備觀察已接種霜霉病的黃瓜葉片的研究，并記錄病菌在黃瓜葉片組織中的發(fā)展?fàn)顩r和氣孔開(kāi)閉情況。因蒸騰速率和葉片溫度呈負(fù)相關(guān)(r= -0.762,P< 0.001,n= 18)，在病癥肉眼可見(jiàn)前，由于氣孔異常開(kāi)放，感病葉片比健康葉片溫度低0.8℃。最終，葉片因細(xì)胞過(guò)量失水以致組織壞死，無(wú)法正常冷卻，導(dǎo)致感病葉片溫度高于健康葉片。通過(guò)紅外熱成像技術(shù)，可以測(cè)定健康葉片和感病葉片間的MTD值，并在肉眼可見(jiàn)前可以將其區(qū)分出來(lái)，應(yīng)用于作物預(yù)警研究。

Manfred Stoll等[18]在可控條件下，對(duì)處于灌溉充足、水分脅迫兩種狀態(tài)下的接種霜霉病的盆栽葡萄葉片拍攝了紅外熱圖像，并研究其溫度變化。由于病菌侵染，處于灌溉充足和水分脅迫的葡萄葉片之間的熱成像具有鮮明對(duì)比。此外，該技術(shù)也可用來(lái)評(píng)估植物灌溉的均勻度，從而減少農(nóng)藥的使用量，優(yōu)化施藥效率。

Min Wang等[19]將黃瓜葉片接種尖孢鐮刀菌后，利用熱紅外攝像機(jī)監(jiān)視其應(yīng)激反應(yīng)。通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，在感病初期,葉片的蒸騰速率下降并導(dǎo)致葉片溫度上升，隨著細(xì)胞的失水死亡,葉片溫度略有下降。在葉片感病的后期，葉片細(xì)胞水平衡被破壞，組織死亡和脫水，最終導(dǎo)致細(xì)胞溫度上升。此時(shí)，細(xì)胞失控的水分流失不是因?yàn)闅饪组_(kāi)放，而是因?yàn)槿~片細(xì)胞的損傷。同時(shí)，紅外熱成像技術(shù)可用于黃瓜枯萎病的無(wú)損監(jiān)測(cè)，并能得到良好結(jié)果。

LChaerle等[20]以接種過(guò)煙草花葉病毒( TMV) 的煙草為研究材料，結(jié)合紅外熱成像技術(shù)，監(jiān)測(cè)肝病的煙草葉片的溫度變化。在感染病毒后,作物片細(xì)胞會(huì)產(chǎn)生水楊酸。在病斑肉眼可見(jiàn)前，被感染的葉面溫度會(huì)有所上升。

Stoll Manfred等[21]在溫室環(huán)境下，采用熱成像技術(shù)結(jié)合氣孔導(dǎo)度測(cè)量，對(duì)接種霜霉病的葡萄葉片在水分充足和水分脅迫兩種情況下進(jìn)行監(jiān)測(cè)。在接種4天之內(nèi)，熱響應(yīng)特征能明顯看出；并且，至少3天時(shí)間，病癥就可顯現(xiàn)出來(lái)。由于葉片溫度對(duì)氣孔導(dǎo)度高度靈敏，可以應(yīng)用熱成像技術(shù)監(jiān)測(cè)作物初期階段受迫時(shí)的溫度變化，在作物受病害脅迫時(shí)進(jìn)行預(yù)警。

當(dāng)受病害脅迫時(shí)，作物會(huì)產(chǎn)生防衛(wèi)反應(yīng)；與此同時(shí)，葉片產(chǎn)生應(yīng)激反應(yīng)并會(huì)導(dǎo)致蒸騰作用異常，造成葉片溫度升高或降低，病變部位發(fā)射的紅外射線因此而改變。熱成像儀通過(guò)接收改變的熱輻射并進(jìn)行成像，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)作物的早期病害診斷和預(yù)警。能夠看出，熱成像技術(shù)在作物脅迫預(yù)警方面具有很大潛力，也使得紅外成像技術(shù)應(yīng)用于植物病害的早期診斷成為可能。未來(lái)對(duì)作物病害研究中，熱成像技術(shù)將是一種對(duì)作物進(jìn)行早期病害診斷和預(yù)警的有效手段。

1.2在作物水分脅迫方面的應(yīng)用

植物的長(zhǎng)勢(shì)對(duì)水分極為敏銳，微小的水分脅迫即能抑制作物的生長(zhǎng)發(fā)育，影響其生長(zhǎng)速度。而冠層溫度直接反映了作物對(duì)土壤中水分的要求。紅外熱成像技術(shù)，可以用另一個(gè)角度，在肉眼可見(jiàn)前，觀察到植物的水分脅迫情況，為精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)在作物灌溉方面提供可靠指標(biāo)，指導(dǎo)種植者及時(shí)、快速地做好灌溉措施。

劉亞[22]使自交系玉米苗期遭受干旱脅迫，利用遠(yuǎn)紅外成像技術(shù)研究其葉溫的變化與生物量耐旱系數(shù)間的關(guān)系。通過(guò)實(shí)驗(yàn)可得出結(jié)論：將紅外圖像中苗期玉米葉面的溫差作為抗旱性篩選的一個(gè)有用指標(biāo)，充分說(shuō)明利用遠(yuǎn)紅外熱成像技術(shù)使得育種專家以此為依據(jù)篩選玉米耐旱成為可能。

王道杰[23]將油菜作為實(shí)驗(yàn)材料，使用遠(yuǎn)紅外成像技術(shù)檢測(cè)其處于水分脅迫下的葉片溫度的變化情況。結(jié)果表明：若該油菜品種在苗期抗旱性強(qiáng)，則其葉面溫度比苗期抗旱性弱的油菜品種高；而在水分脅迫下，抗旱性強(qiáng)的品種比抗旱性弱的品種存活率高。

程麒等[24]使用Fluke紅外熱像儀獲取棉花的冠層紅外熱圖像，并同時(shí)測(cè)量了棉花葉片氣孔導(dǎo)度Gs、凈光合速率Pn和葉面積指數(shù)LAI。通過(guò)計(jì)算水分脅迫指數(shù)，有效地監(jiān)測(cè)棉花冠層水分狀況。

Sigfredo Fuentes等[25]采用半自動(dòng)化及自動(dòng)化的方法，利用紅外熱像儀監(jiān)測(cè)了葡萄藤在水分脅迫下各指數(shù)的變化。結(jié)果表明：在同一個(gè)葡萄藤中獲得的冠層溫度指數(shù)等獨(dú)立于葉面積指數(shù)(LAI)。為在田里利用紅外熱成像儀自動(dòng)化采集和分析葡萄藤和其他作物邁出了第一步。

M Meron等[26]以紅外熱成像技術(shù)為基礎(chǔ)，根據(jù)棉花、西紅柿和花生等作物水分脅迫進(jìn)行特定地點(diǎn)的灌溉。該方法可以經(jīng)特定校準(zhǔn)后擴(kuò)展到其他作物。根據(jù)測(cè)試和開(kāi)發(fā)的方法，高空熱成像可以提供需要灌溉管理的特定地點(diǎn)的地圖。由上述可知，利用紅外成像技術(shù)進(jìn)行作物前期抗旱性鑒定是可行的。

黃春燕等[27]采用紅外熱像儀和非成像高光譜儀對(duì)棉花的5個(gè)生育時(shí)期的冠層進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，分別計(jì)算水分脅迫指數(shù)CWSI，并建立了相關(guān)模型方程。紅外熱成像技術(shù)作為無(wú)損檢測(cè)冠層信息的一種手段，可以消除背景干擾，有助于更準(zhǔn)確地計(jì)算棉花冠層的CWSI。

趙田欣等[28]以美洲黑楊和大青楊雜種為實(shí)驗(yàn)材料，選用溫度分辨率小于0.05℃的FLUKE Ti55紅外熱像儀，結(jié)合LI-6400型便攜式光合儀，設(shè)計(jì)了氣孔導(dǎo)度紅外熱像的測(cè)量實(shí)驗(yàn)，并根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)建立了氣孔導(dǎo)度Gs和溫度T之間的關(guān)系，得到了良好的結(jié)果，與實(shí)際測(cè)得的數(shù)據(jù)有線性關(guān)系。

王冰等[29]為了更好地選育花生的抗旱品種，提出采用熱敏度≤0.05℃的美國(guó)Fluke公司的Ti32遠(yuǎn)紅外熱成像儀，進(jìn)行水份脅迫下的花生幼苗葉片的檢測(cè)，并計(jì)算其溫度變化。結(jié)果表明：葉面溫差可以作為篩選花生品種苗期抗旱型的一個(gè)有用指標(biāo)。

Wiriya-Alongkorn Winai等[30]研究發(fā)現(xiàn)：在對(duì)龍眼樹(shù)進(jìn)行水分脅迫實(shí)驗(yàn)時(shí)，通過(guò)使用熱成像技術(shù)，并測(cè)量與水分脅迫指數(shù)(CWSI)等相關(guān)的各種參數(shù)，提出了用閾值為0.7的CWSI來(lái)區(qū)分干旱脅迫的龍眼樹(shù)和對(duì)照組，并得到了良好的結(jié)果。

當(dāng)作物受到干旱脅迫時(shí)，葉片隨之產(chǎn)生應(yīng)激反應(yīng)，具體表現(xiàn)為氣孔關(guān)閉、蒸騰作用改變及減少水分蒸發(fā)。通過(guò)紅外熱成像技術(shù)，結(jié)合相關(guān)分析方法，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)生活的指導(dǎo)。迄今為止，熱像圖在作物灌溉方面有著很廣泛的應(yīng)用前景，而該技術(shù)在實(shí)踐應(yīng)用中的進(jìn)一步的突破，將成為今后無(wú)損檢測(cè)技術(shù)在作物灌溉方面的應(yīng)用研究趨勢(shì)。

1.3在作物凍害脅迫方面的應(yīng)用

當(dāng)遭遇氣候驟變，氣溫降低時(shí)，容易引發(fā)作物凍害，這是一種非侵染性傷害。作物處于低溫時(shí)，容易導(dǎo)致其組織內(nèi)出現(xiàn)冰晶而受凍害。因此，對(duì)于作物凍害發(fā)生的檢測(cè)是非常有必要的。及時(shí)做好保溫防護(hù)措施，可以有效防止作物凍害的產(chǎn)生，謹(jǐn)防作物枯萎甚至死亡，以此提高作物產(chǎn)量。而紅外熱成像技術(shù)可以在肉眼不可見(jiàn)的情況下，根據(jù)作物內(nèi)部發(fā)射紅外線的不同，觀察到作物內(nèi)部冰核的侵害，為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方面及時(shí)做好相關(guān)措施，提供技術(shù)支持。

Wisniewski M等[31]提出使用紅外熱圖像的方法直接觀察植物的冰核及其形成，用裝有HgCdTe(8～12μm)探測(cè)器的圖像輻射計(jì)檢測(cè)植物受寒脅迫時(shí)的熱反應(yīng)，隨后將其紅外圖像使用相關(guān)紅外軟件進(jìn)行分析處理。圖像輻射計(jì)可清晰地監(jiān)測(cè)0.5[mu]L的小水滴結(jié)冰情況，使用紅外成像儀進(jìn)行觀測(cè)，可明顯看到不同溫度下的植物組織中的冰核及其形成。另外，利用熱成像技術(shù)很容易測(cè)出冰核的形成速率。紅外熱成像技術(shù)是一種非接觸、無(wú)損的研究冰核及其形成的極佳技術(shù)。

Pearce Roger S等[32]利用紅外熱成像技術(shù)對(duì)受凍大麥進(jìn)行了研究。研究發(fā)現(xiàn)：凍害的縱向蔓延速度為1～4cm/s，橫向蔓延速度為0.3cm/s；結(jié)冰現(xiàn)象慢慢從葉子邊緣向中脈蔓延，初次結(jié)冰的傳播并不是破壞性的；然而初次結(jié)冰的傳播是第2次結(jié)冰的先決條件，此次結(jié)冰會(huì)導(dǎo)致破壞性。

Fuller M P等[33]將紅外熱成像技術(shù)應(yīng)用在檢測(cè)馬鈴薯和花椰菜的冰核和冰凍的形成過(guò)程中，通過(guò)視頻顏色改變能很容易顯示出植物葉面的溫度曲線。而通過(guò)檢測(cè)馬鈴薯植株葉片，說(shuō)明了水分能夠激勵(lì)亞熱冰核的形成，同時(shí)若缺少表面水分將會(huì)呈現(xiàn)過(guò)冷現(xiàn)象(零下8℃)。

大量研究表明：作物葉片的生物冰核產(chǎn)生的絕大多數(shù)原因是冰核細(xì)菌[34]的作用，而除去生物冰核有助于防止作物凍害。在作物冷凍損傷發(fā)生前，不僅需要除去已經(jīng)產(chǎn)生的冰核，而且要防止冰核細(xì)菌產(chǎn)生新的冰核，從而起到防凍作用。而我國(guó)對(duì)于冰核的研究方面遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于發(fā)達(dá)國(guó)家，在生物冰核的研究應(yīng)用領(lǐng)域亟待進(jìn)一步發(fā)展。由于冰核研究的滯后性影響，限制了本國(guó)生物冰核資源的開(kāi)發(fā)和利用。熱成像能及時(shí)發(fā)現(xiàn)冰核，對(duì)各學(xué)者的生物冰核理論方面的研究有很大的指導(dǎo)作用，對(duì)生物冰核應(yīng)用方面的研究有極大地推動(dòng)作用。另外，對(duì)生物冰核的研究能很好地指導(dǎo)生產(chǎn)者及早做好防凍措施，對(duì)作物的生長(zhǎng)及生產(chǎn)有極大的積極意義。

2應(yīng)用展望

近年來(lái)，熱像儀和光譜儀均是工業(yè)及農(nóng)業(yè)上進(jìn)行作物檢測(cè)的熱點(diǎn)[35-38]。

然而，利用光譜檢測(cè)作物的生長(zhǎng)情況受光照的影響非常大。在天氣條件惡劣的情況下，光照不強(qiáng)，此時(shí)照在作物上的光線能量會(huì)受到很大影響。而光譜儀靠反射可見(jiàn)光的光線來(lái)成像，當(dāng)照在作物上的光線減弱時(shí)，相對(duì)的作物冠層反射光線也會(huì)減弱，此時(shí)光譜視覺(jué)技術(shù)將會(huì)受到很大的影響，給機(jī)器視覺(jué)技術(shù)在生產(chǎn)生活上的應(yīng)用帶來(lái)諸多不便。

紅外熱成像與光譜成像不同，是通過(guò)接收物體發(fā)射的紅外輻射實(shí)現(xiàn)對(duì)物體的檢測(cè)。紅外熱像儀的熱靈敏度一般小于0.1℃，能檢測(cè)并成像出物體各部位的微小溫差。該技術(shù)對(duì)光線要求低，不需要很強(qiáng)的光照即可對(duì)作物進(jìn)行檢測(cè)，并且有價(jià)格低、檢測(cè)無(wú)損、攜帶便捷等優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)，紅外熱像儀能反映出視場(chǎng)內(nèi)任意一點(diǎn)的溫度信息，通過(guò)使用相應(yīng)的熱像分析軟件，能夠得到溫度分布直方圖和其他的信息來(lái)幫助分析和了解被檢測(cè)的物體，可以幫助人們發(fā)現(xiàn)肉眼難以觀察到的事物，從其他角度來(lái)了解眾所周知的事物[39]。應(yīng)用紅外熱成像技術(shù)對(duì)作物進(jìn)行檢測(cè)，可以加深對(duì)作物應(yīng)對(duì)各種脅迫的原理的認(rèn)識(shí)。這使得人們能夠更好地理解作物在應(yīng)對(duì)各種脅迫時(shí)的反應(yīng)機(jī)制，對(duì)作物實(shí)施無(wú)損檢測(cè)的新技術(shù)有很大的研究意義和廣闊的應(yīng)用前景。

近年來(lái)，國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)將紅外熱成像技術(shù)應(yīng)用于農(nóng)業(yè)自動(dòng)化食品加工及質(zhì)量檢測(cè)方面進(jìn)行了廣泛而深入的研究。然而，國(guó)內(nèi)對(duì)于將紅外熱成像技術(shù)應(yīng)用于作物檢測(cè)方面的系統(tǒng)化研究還很少見(jiàn)。目前，紅外熱成像技術(shù)在作物早期病害檢測(cè)的應(yīng)用領(lǐng)域主要為黃瓜、番茄等大葉作物。該技術(shù)在小麥、水稻等窄葉糧食作物的病害早期診斷方面的研究，因儀器的精度問(wèn)題，有一定的難度。為此，可以結(jié)合數(shù)字圖像處理技術(shù)，對(duì)圖像進(jìn)行去噪、分割等處理后，實(shí)現(xiàn)小麥、水稻等作物的早期病害檢測(cè)。在農(nóng)產(chǎn)品估產(chǎn)方面，使用紅外熱成像技術(shù)，通過(guò)對(duì)小麥穗數(shù)的測(cè)量，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)小麥產(chǎn)量的估算[40]，幫助了解小麥長(zhǎng)勢(shì)及產(chǎn)量。由于冬小麥?zhǔn)侵袊?guó)主要的糧食作物，傳統(tǒng)的統(tǒng)計(jì)方法和傳統(tǒng)的地面調(diào)查方法既費(fèi)時(shí)又費(fèi)力，難以實(shí)時(shí)適應(yīng)冬小麥對(duì)相關(guān)決策管理的需求。熱紅外技術(shù)能夠?yàn)榧皶r(shí)準(zhǔn)確地為實(shí)現(xiàn)冬小麥的估產(chǎn)提供相關(guān)的理論依據(jù)和技術(shù)支持。除此之外，因?yàn)樗炔烧靶枰浪闫洚a(chǎn)量，提前安排采摘、運(yùn)輸?shù)拳h(huán)節(jié)，通過(guò)熱紅外技術(shù)還可以實(shí)現(xiàn)對(duì)樹(shù)上柑桔和蘋果等水果的識(shí)別，估算其產(chǎn)量，指揮機(jī)器實(shí)現(xiàn)水果的收獲工作，節(jié)省了人力、時(shí)間。目前，航空搭載熱紅外設(shè)備，即熱紅外遙感技術(shù)，測(cè)量作物冠層圖像是現(xiàn)在農(nóng)業(yè)檢測(cè)的熱門研究方向。該技術(shù)可用于監(jiān)測(cè)農(nóng)作物的長(zhǎng)勢(shì)和產(chǎn)量的估算，同時(shí)通過(guò)遙感技術(shù)測(cè)量作物冠層圖像，既可以監(jiān)測(cè)到作物對(duì)水分的需求，也可以實(shí)現(xiàn)對(duì)作物病害的檢測(cè)，提供需要灌溉管理的特定地點(diǎn)的地圖，優(yōu)化灌溉和施藥的效率，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)自動(dòng)化。

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The Application Progress of Infrared Thermography for Crop Stress Detection

Li Zhen1,2, Shi Zhixing1, Wang Cheng2, Song Peng2, Chen Zilong2, Luo Bin2, Zhang Yunli1

(1.College of Information Science and Technology, Agricultural University of Hebei, Baoding 071000, China; 2.Beijing Research Center for Information Technology in Agriculture, Beijing 100097, China)

Abstract：Infrared thermography is a sort of machine vision technology which is used for imaging through receiving thermal radiation from molecules and atoms with random movement continuously.At present, the theoretical methods of infrared thermography have been widely studied. This paper summarized the theory of infrared thermal imaging technology and introduced the application on agriculture briefly. The research actuality and progress application of thermal imaging technologies were described on crop detection in detail including crop disease stress detection, water stress analysis, and freezing injury stress analysis. The further use of the technology on crop detection was prospected by summarizing the characteristics and the advantages of thermal imaging technology.

Key words：thermal imaging technology； disease detection； stress analysis； image processing

文章編號(hào)：1003-188X(2016)01-0232-06

中圖分類號(hào)：S123;S121

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

作者簡(jiǎn)介：李真(1989-)，女(滿)，河北邯鄲人，碩士研究生，(E-mail)lizhen_219@163.com。通訊作者：史智興(1954-)，男，河北新樂(lè)人，教授，博士生導(dǎo)師，(E-mail)szx540105@163.com。

基金項(xiàng)目：公益性行業(yè)(農(nóng)業(yè))科研專項(xiàng)(201203026)；國(guó)家“863計(jì)劃”項(xiàng)目(2012AA10A503)

收稿日期：2015-01-23