紅外熱像技術在農業生產中的應用

背景

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，能夠快速獲取作物信息并進行分析，是其發展的必要條件。紅外熱成像技術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，因此紅外熱成像技術可用于監測作物生長或作物儲存的部分生理狀況，并且有助于實現農業監測方面的智能化、信息化管理作業。

• 農業中的熱紅外成像技術

熱紅外成像技術具有無損、反應快速、遠距離監測以及綠色分析等特點，目前已在農業監測的領域中得到廣泛使用，可以監測作物的生理信息與生態脅迫。應用熱紅外成像技術的主要目的使獲取對象的溫度并進行進一步的分析，其分析難點在于圖像的分割方法、特征提取和計算指標或建模等。

• 熱成像技術在農業中應用場景

1. 農作物生長監測

農作物在生長過程中受環境和氣候的影響較大，并在農產品的質量和產量上間接反映出來。因此，及時獲取農作物相關信息對農業生產的調控起到積極的信息參考作用。運用高分辨率的紅外熱像儀，可以快速、準確地測定農作物表面溫差變化，并同步監測環境因子（土壤水分含量和氣候條件），實時監測農作物的生長狀況，以探索環境因子對農作物生理指標的影響，從而預測植物的生長趨勢，并及時反映作物是否受干旱、高溫等環境的脅迫和生理脅迫。例如，作物冠層溫度與土壤水分密切相關，冠層溫度的變化直接反映了作物對土壤分布的需求，因此可以用熱成像技術對農作物的生長情況進行監控。熱成像技術還能有效識別作物在輕微、中等和嚴重等3種級別的水分脅迫時的生長情況，為細化農田的排水節水提供參考。此外，在果蔬成熟期，通過熱成像技術對其進行熱溫的測定可以評估氣候對果蔬的脅迫情況。

2. 苗圃溫室大棚監控

在苗圃溫室大棚內，由于種子和幼苗對微氣候的變化非常敏感，實時記錄溫室氣候參數情況及氣象條件超限報警，是規模化農業生產和科學化管理的手段。利用紅外熱成像技術準確監控溫室內待定區域的熱量異常現象，可以大大提高溫室作物的生產品質和生產效率。例如，針對馬鈴薯塊莖繁殖的熱輻射特征，利用紅外熱像儀監控馬鈴薯塊莖在萌芽、出苗和孕蕾時期的熱紅外信息，指導控制土壤溫度水分、溫室氣候和光照條件，可以大大提高馬鈴薯塊莖的繁殖存活率。

3. 農作物病蟲害預防

農作物病蟲害是現代農業的主要災害之一，具有種類多、影響大和時常爆發成災的特點，其發生范圍和嚴重程度對農業生產常造成重大損失，因此必須建立可靠的病蟲害監測預防機制。紅外熱成像技術作為一種有效的預防性維護技術，可以在病蟲害擴散前快速、準確、安全地找到病蟲害源頭。例如，煙草植物在感染TMV病毒后，葉子中回產生水楊酸，導致新陳代謝終止，葉片氣孔關閉，呼吸停止，從而使葉面溫度升高，可以用紅外熱成像技術進行預測研究。

• 應用熱成像技術主要優勢

1. 不接觸目標對象監測，對其無損傷；
2. 能實現大面積、遠距離的監測；
3. 測量速度相對較快、測溫精度相對較高；
4. 與可見光成像技術相比，環境適應性相對較強，能全天候工作；

• 應用的局限性

1. 成像系統易受環境影響較大，尤其是在復雜的環境中難以實現精確的測量；
2. 該技術是利用物體不同部分表面的紅外輻射差異成像，因此對在常溫下各部分溫度差異不明顯的目標難以準確成像；
3. 該技術對溫度不穩定的物質的監測能力較弱；
4. 紅外熱像儀比同級別的可見光攝像頭的價格相對較高。