红外热像仪走进智慧农业
传统的农业耕作方式存在成本高、效益低且环境污染等诸多问题，由粗放式传统农业向信息化精准农业转化是农业发展的必然趋势。精准农业（Precision Agriculture，简称PA），能够快速获取作物信息并进行解析，是其发展的必要条件。红外热像仪具有快速响应的优点，并可通过手持或机器搭载的方式，做到无接触、无损地获取作物热像信息。另外，在所有监测作物指标中，作物的表面温度被认为是响应最快的指标，能够在作物出现肉眼可视症状前察觉到作物的胁迫。因此，红外热成像技术被认为是精准农业发展中最有前景的技术手段之一。
干旱、冻害以及侵染性病害会对农作物的生理造成影响，其中部分生理影响使作物表面温度产生的变化相较于正常作物的温度十分显著，因此红外热像仪可用于监测作物生长或作物存储的部分生理状况，并且有助于实现农业监测方面的智能化、信息化管理作业。
本文介绍了热红外成像技术的基本原理和常用的图像处理手段，总结了红外热像仪在目前国内外农业中的研究与应用进展（包括水分胁迫、侵染性病害监测、冻害胁迫、产量预测以及其他应用），分析了红外热像仪在农业领域的开发与应用中所面临的难题和未来发展趋势。
水分胁迫监测
水具有较高的比热容、稳定的化学性质、高溶解性以及巨大的汽化潜热，其性质奠定了蒸腾作用的物理基础。作物对水分含量十分敏感，水分对其生长趋势具有显著的影响。同时作物水分胁迫状态也是农田灌溉调度、产量预测等方面的重要指标。因此，在农业热红外监测中，水分胁迫状况是重要的监测指标之一。
侵染性病害监测
病害的监测在农业中占有重要地位，在早期发现病害引起作物生理上的变化，就能进行预防治疗，减小其对产量的影响。通常可将作物病害分为侵染性病害与非侵染性病害。非侵染性病害通常由环境因素导致，如水分胁迫。侵染性病害则是由病原生物侵染宿主所引起的病害。对于侵染性病害，在传统目测监测方法中，如能观察到叶表发生的变化，则此时大多数作物病害已处于较严重的时期。
在病毒监测中，红外热像仪可获取病毒感染部位的温度随时间变化情况，将其与可见光图片作对比，可验证将红外热像仪应用于早期检测中的可行性。红外热像仪在病毒早期监测中具有良好的效果，为基于机器视觉的病毒早期监测提供了较可见光监测更具有时效性的监测手段。
冻害胁迫监测
冻害胁迫指的是作物长时间在0℃以下，植物体内的水因温度过低而发生固体变化形成冰核导致其丧失生理活性，植物内部的冰晶形成与发展还与一种细菌有关，最终引发植株的死亡。用红外热像仪观察冰核的形成与冰冻传播特征，有利于更好地探索作物冻害胁迫的实质。通过观察恢复常温后的作物生存状况是一种检测作物抗冻性的常用方法。用红外热像仪研究抽穗后小麦的局部冻害胁迫特征。通过热成像观察两种小麦的茎和麦穗在7种0℃以下气温中冰核形成过程。结果表明，这两种小麦在－5℃时达到承受冻害胁迫的极限，比在其他温度下更具有抗冻性，并且认为大多数品种的小麦都应具有相似的特点。在基于多元数据的遥感监测中，红外热成像遥感反演技术与其他遥感技术相结合可被用于冻害胁迫的监测。
产量预测
基于统计学的抽样调查测产法具有较高精度的预测结果，但该方法需要消耗大量的人力物力，且效率低下，性价比低。通过获取作物的红外热成像信息特征进行测产，可明显提高效率。
在产量预测中，由于红外热成像提取的特征与某种胁迫有关，因此基于红外热像仪产量预测的实质是研究预测产量与胁迫之间的关系，胁迫通常是水分胁迫。有学者最早通过红外热像仪提取特征值测产，利用胁迫积温指数（Stress Degree Day，简称SDD）来调度灌溉量，并发现该指数与产量成负相关关系。假设将衡量水分胁迫状况的指数作为产量预测的特征值，则在作物的哪个生长阶段获取该特征值便是第2个研究点。用红外热像仪研究不同的转基因玉米，发现在玉米籽粒形成期的水分胁迫指数与玉米的产量存在负相关关系，且相关性达到了显著水平。
其他方面
仓储监测
为保障成品粮在仓储过程中的品质安全，需对成品粮仓储结露进行监测，预防结露的发生。仓储堆内的温度、湿度以及微气流速度是直接影响结露发生的3个关键因素。同等湿度下，随着仓库温度的变化，会析出冷凝水，从而影响储粮生态系统。在研究仓储堆热传递数学模型时，利用红外热像仪观察仓内温度场，分析仓内热量传递过程以及气场的流动方式。再利用垂直隔膜进行仓内谷物分离，并通过其温度场来查看热量在仓内的均匀化程度。在进行小麦粮堆耦合模型及结露预测研究时，利用红外热成像图片呈现的温度场图片进行图像灰度化二值化处理，找出受热区域的边缘点并计算其面积，比较前后的图片，得出受热面积的变化，进而推断出仓内气体的自然对流现象。
农药雾滴沉积效果
农药雾滴在作物上会产生蒸发吸热的物理现象，基于该原理，雾滴的沉积效果也可用红外热像仪进行衡量。在研究无人机喷雾参数对雾滴沉积的影响时，利用红外热像仪获取田间温度的喷雾前后温差变化信息，从而求出水稻冠层温差变化率，以表征雾滴沉积量的指标。
虫害监测
虫害的监测在农业应用中拥有重要的地位，植食性昆虫的取食行为可以改变寄主植物的表现形态，并引起寄主植物一系列的生理、生化应激反应，从而改变寄主植物与以后或同时取食该植物的同种或异种昆虫之间的物理和化学信息联系，植食性昆虫种内和种间相互作用很大程度上通过寄主植物得以实现。
目前，在研究早期监测虫害的手段中，红外热像仪关键还是在于监视对象的表面温度。从本质看，虫害所引起的作物生理特征的改变，是由昆虫引起的病害，如因昆虫身上携带的病毒传播，感染或昆虫吸吮汁液而引起的水分胁迫。因此红外热像仪对于虫害监测中的意义更多是在于一种辅助的作用。
脱叶剂效果
脱叶剂拥有破坏叶绿体膜的作用，会使作物叶片的生理活性下降，降低蒸腾速率。为了观察脱叶剂的使用效果，可使用热像仪监测施药前后的冠层温度进行药效评估。研究结果表明，晴朗无云的中午是监测的最佳时段，初步证明了红外热像仪评估药效的可行性。
从当前研究看，红外热像仪在农业方面的监测开始走向结合无人机遥感的路线，这也是未来的发展趋势。红外热像仪在农业上的应用虽还处在发展阶段，作为精准农业最有前景的信息获取技术已经在农业生产、作物监测以及抗性检测中发挥了重要的作用。在精准农业中，精确且有效地获取作物的红外热成像特征仍然是农业精准管理和作业的重点与难点，相关技术与方法的突破对实现精准农业、信息化农业与智能化农业管理具有重要意义。
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