馬偉 王秀 矯雷子 徐波

背景

由于大自然中黑體輻射現象，任何物體都依據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，會造成氣孔異質性開閉，水分調節(jié)失衡，葉表溫度異常改變。該處植株組織相應發(fā)生的變化導致植株的局部溫度表現為溫度偏高或偏低。熱成像系統采集植株紅外輻射信息，并轉換為數字信號，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，圖1為基于紅外熱成像的變量施藥原理圖。施藥的霧滴沉積關系到施藥質量的優(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，根據獲得的施藥對象作物的信息來調整施藥控制參數，實現“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。

紅外熱成像系統的作物識別

紅外熱成像系統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過嘗試改進，首次將蟻群優(yōu)化算法應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，結果表明，該算法與傳統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導，經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手段。周建民等[3]將紅外熱成像技術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。

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，其膜結構首先遭到破壞，隨之代謝結構發(fā)生紊亂，水分調節(jié)失調，其表面的溫度就會產生異常的分布。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，葉片的細胞內水分相對流失過快，引發(fā)葉片氣孔的變化調節(jié)細胞水勢的變化，同時有些真菌分泌物也會關閉氣孔，另外植物本身的自衛(wèi)系統激素的積累也會引起植物氣孔的異常開閉。氣孔的異質性開閉引發(fā)氣孔導度和蒸騰強度等諸多生理指標的改變，從而改變葉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提供了機理基礎。當病原物侵染植物后，在潛伏期內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初步得到驗證。研究表明在溫室內，紅外熱成像技術能很好的將潛伏期的感病組和健康組區(qū)分出來，實現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對植物病害進行早期診斷，研究表明該技術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，從而達到提高農作物產量和質量的目的，而且還可以大幅度的減少農藥使用量。

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量的重要評價指標，快速的獲取其空間分布數據對于藥械參數的調整優(yōu)化具有重要的作用。張京等[5]基于紅外熱成像技術研究采用新型無人駕駛直升機進行航空噴藥，其噴霧參數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果一致，紅外熱成像技術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)測提供了新的技術手段和方法。

結論

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]所述其在農業(yè)上的應用現狀，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

[1] 陳浩，方勇，朱大洲，等.基于蟻群算法的玉米植株熱紅外圖

像邊緣檢測[J].農機化研究，2015，（6）：49-52.

[2] 徐惠榮.紅外熱成像在樹上柑桔識別中的應用研究[J].紅外與

毫米波學報，2004，23（5）：353-356.

[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].中國農機化，2012，（3）：132-136.

[4] 徐小龍.基于紅外熱成像技術的植物病害早期檢測的研究[D].

杭州：浙江大學，2012.

[5] 張京，何雄奎，宋堅利，等.無人駕駛直升機航空噴霧參數對

霧滴沉積的影響[J].農業(yè)機械學報，2012，43（12）：94-96.

[6] 周建民，周其顯，劉燕德，等.紅外熱成像技術在農業(yè)生產中

的應用[J].農機化研究，2010，32（2）：1-4.

[7] 陳斌.紅外熱成像技術在植物病害檢測中的應用研究進展[J].

江蘇農業(yè)科學，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。