• 紅外熱像儀走進智慧農業

    傳統的農業耕作方式存在成本高、效益低且環境污染等諸多問題,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并進行解析,是其發展的必要條件。紅外熱像儀具有快速響應的優點,并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,作物的表面溫度被認為是響應最快的指標,能夠在作物出現肉眼可視癥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。

    干旱、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面溫度產生的變化相較于正常作物的溫度十分顯著,因此紅外熱像儀可用于監測作物生長或作物存儲的部分生理狀況,并且有助于實現農業監測方面的智能化、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,總結了紅外熱像儀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、產量預測以及其他應用),分析了紅外熱像儀在農業領域的開發與應用中所面臨的難題和未來發展趨勢。

    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、產量預測等方面的重要指標。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??蓪⒆魑锊『Ψ譃榍秩拘圆『εc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。對于侵染性病害,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于較嚴重的時期。

    在病毒監測中,紅外熱像儀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,可驗證將紅外熱像儀應用于早期檢測中的可行性。紅外熱像儀在病毒早期監測中具有良好的效果,為基于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。用紅外熱像儀觀察冰核的形成與冰凍傳播特征,有利于更好地探索作物凍害脅迫的實質。通過觀察恢復常溫后的作物生存狀況是一種檢測作物抗凍性的常用方法。用紅外熱像儀研究抽穗后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,并且認為大多數品種的小麥都應具有相似的特點。在基于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于凍害脅迫的監測。

    產量預測

    基于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,由于紅外熱成像提取的特征與某種脅迫有關,因此基于紅外熱像儀產量預測的實質是研究預測產量與脅迫之間的關系,脅迫通常是水分脅迫。有學者最早通過紅外熱像儀提取特征值測產,利用脅迫積溫指數(Stress Degree Day,簡稱SDD)來調度灌溉量,并發現該指數與產量成負相關關系。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。用紅外熱像儀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系,且相關性達到了顯著水平。

    其他方面

    倉儲監測

    為保障成品糧在倉儲過程中的品質安全,需對成品糧倉儲結露進行監測,預防結露的發生。倉儲堆內的溫度、濕度以及微氣流速度是直接影響結露發生的3個關鍵因素。同等濕度下,隨著倉庫溫度的變化,會析出冷凝水,從而影響儲糧生態系統。在研究倉儲堆熱傳遞數學模型時,利用紅外熱像儀觀察倉內溫度場,分析倉內熱量傳遞過程以及氣場的流動方式。再利用垂直隔膜進行倉內谷物分離,并通過其溫度場來查看熱量在倉內的均勻化程度。在進行小麥糧堆耦合模型及結露預測研究時,利用紅外熱成像圖片呈現的溫度場圖片進行圖像灰度化二值化處理,找出受熱區域的邊緣點并計算其面積,比較前后的圖片,得出受熱面積的變化,進而推斷出倉內氣體的自然對流現象。

    農藥霧滴沉積效果

    農藥霧滴在作物上會產生蒸發吸熱的物理現象,基于該原理,霧滴的沉積效果也可用紅外熱像儀進行衡量。在研究無人機噴霧參數對霧滴沉積的影響時,利用紅外熱像儀獲取田間溫度的噴霧前后溫差變化信息,從而求出水稻冠層溫差變化率,以表征霧滴沉積量的指標。

    蟲害監測

    蟲害的監測在農業應用中擁有重要的地位,植食性昆蟲的取食行為可以改變寄主植物的表現形態,并引起寄主植物一系列的生理、生化應激反應,從而改變寄主植物與以后或同時取食該植物的同種或異種昆蟲之間的物理和化學信息聯系,植食性昆蟲種內和種間相互作用很大程度上通過寄主植物得以實現。

    目前,在研究早期監測蟲害的手段中,紅外熱像儀關鍵還是在于監視對象的表面溫度。從本質看,蟲害所引起的作物生理特征的改變,是由昆蟲引起的病害,如因昆蟲身上攜帶的病毒傳播,感染或昆蟲吸吮汁液而引起的水分脅迫。因此紅外熱像儀對于蟲害監測中的意義更多是在于一種輔助的作用。

    脫葉劑效果

    脫葉劑擁有破壞葉綠體膜的作用,會使作物葉片的生理活性下降,降低蒸騰速率。為了觀察脫葉劑的使用效果,可使用熱像儀監測施藥前后的冠層溫度進行藥效評估。研究結果表明,晴朗無云的中午是監測的最佳時段,初步證明了紅外熱像儀評估藥效的可行性。

    從當前研究看,紅外熱像儀在農業方面的監測開始走向結合無人機遙感的路線,這也是未來的發展趨勢。紅外熱像儀在農業上的應用雖還處在發展階段,作為精準農業最有前景的信息獲取技術已經在農業生產、作物監測以及抗性檢測中發揮了重要的作用。在精準農業中,精確且有效地獲取作物的紅外熱成像特征仍然是農業精準管理和作業的重點與難點,相關技術與方法的突破對實現精準農業、信息化農業與智能化農業管理具有重要意義。

    本文來自搜狐網站編輯發布

    評論已關閉

    综合AV_第1页,国产在线精品亚洲第1页,亚洲 欧洲 国产 伦综合,综合图区_第1页