红外热成像技术在作物胁迫检测方面的应用

李　真，史智兴，王　成，宋　鹏，陈子龙，罗　斌，张云丽

(1.河北农业大学 信息科学与技术学院,河北 保定　071000；2.北京农业信息技术研究中心，北京　100097)



红外热成像技术在作物胁迫检测方面的应用

李真1，2，史智兴1，王成2，宋鹏2，陈子龙2，罗斌2，张云丽1

(1.河北农业大学 信息科学与技术学院,河北 保定071000；2.北京农业信息技术研究中心，北京100097)

摘要：红外热成像技术是通过接收事物自身的分子及原子无规则运动产生的热辐射后，对事物进行成像的一种机器视觉技术。目前，国内外均在红外热成像方面做了较深入的理论方法研究。为此，简要地概括了红外热成像技术的原理，介绍了该技术在农业上的应用，并从作物病害胁迫检测、水分胁迫分析、冻害胁迫分析3个方面，具体说明了红外热成像技术在作物胁迫检测方面的研究现状。最后，通过总结热红外技术的特点及优势，对未来该技术在作物检测方面的研究方向进行了展望。

关键词：热成像技术；病害检测；胁迫分析；图像处理

0引言

红外热成像技术是一项新型机器视觉技术。该技术研究红外辐射的发射传输及接收的原理和规律，通过转换和处理接收到的红外信息，运用景物自身各部分辐射的差异获得图像的细节[1]。热成像技术通过对事物进行成像，能够从另一个角度观察到事物的自身的变化。该技术之前多用于军事及工业上。随着热成像技术的发展及精度的提高，目前热成像技术开始应用于农业生产领域。利用热成像技术对作物的长势进行热成像后，结合相关分析方法，有利于实时监测作物生长发育的变化情况，并可通过变化情况来实现对作物生产的指导。近年来热成像技术在农业研究方面，开始有了一定的应用，其应用原理如图1所示。

图1　红外热成像原理图

物体发射的红外辐射通过光学元件汇聚到探测器上，然后将入射的辐射转化成电信号，随之通过信号放大和模数转换，并通过处理系统后，即形成了红外热图像。通过该方法可实现对物体的无损非接触检测，通过智能检测进行分析和判断。

目前，红外热成像技术宏观上主要应用于农作物生长监测、温室大棚的监控、作物病虫害的预防、遥感探测、作物的采摘、农产品储藏控制和农产品品质的无损监测等方面。微观上则利用热成像技术研究作物的气孔导度与叶片温度之间的关系、气孔开度与外界气体含量之间的关系，以及作物受病害侵染后，细胞改变情况与叶片温度变化的关系及作物叶片的水分分布情况等。加速对作物病害胁迫监测的进展，使得对抗作物病害胁迫的方法具有科学依据，对国民经济的发展具有重大意义。

1国内外研究进展

红外热成像技术在作物检测方面的研究主要包括病害胁迫[2-4]、水分胁迫[5-7]及冻害胁迫检测[8]。

1.1在作物病害胁迫方面的应用

作物病害不仅严重影响农作物的产量，而且还对食品安全造成极大的影响。但是，病害在发病初期往往不易被人觉察。而当病害一旦发生，防治困难，且实施效果较差，将导致作物产量大幅减少，甚至绝产[9-10]。当作物受病害胁迫时，会在伤口处形成伤素，同时伤处会产生大量化学信使如ABA等，经一系列诱导作用，使作物产生多种防御反应，形成许多防御反应产物,以抑制或杀伤病原[11]。与其同时改变的是作物的蒸腾作用。作物经气孔开闭来改变蒸腾作用，对病害胁迫进行防御。当蒸腾作用改变时，作物叶片组织的温度随之发生变化。此时，通过热成像技术观察作物的温度变化趋势，可以实现对作物病害的预警。

徐小龙[12]发现在可控条件下，于红外热像仪采集到的感染病毒的黄瓜叶片和番茄叶片的热图像。经计算得出，黄瓜接种叶片和对照叶片约有1℃的温度差异。而对于番茄叶片，徐小龙将浙杂品种选为实验材料，其接种叶片比对照叶片的温度低0.5～1.2℃。目前，红外热成像技术可以通过叶片细胞的温度变化。这更容易地观察到大叶作物的叶温变化，表明叶片温度的差异可以作为辨别作物感病的一个可靠指标。

朱圣盼[13]以番茄为实验材料，利用可见光采集系统、红外热图像采集系统和多光谱图像采集系统初步监测其叶片的早期感病状态。在监测植物的叶子时使用了红外热像仪，并采用电子显微镜，叶绿素含量检测等实验方法研究叶片内部的变化。在植物早期病害监测时的热图像中，可以很清楚地从图像中看到病变部位与健康部位的温度差异，为以后热成像技术在作物预警方向的研究，奠定了理论基础。

E-COerke等[14]对感染霜霉病的黄瓜进行红外热图像采集，并分析其叶片温度的变化。在可控条件下，可以于热像图中明显区分出黄瓜叶片的染病区域和健康区域，甚至在病斑肉眼可见前也可观测到叶片中染病区域和健康区域的差别。但由于环境温湿度较大，受其影响，只通过最大温差(MTD)并不能量化黄瓜霜霉病感病程度。

CarlosBerdugo等[15]在甜菜最佳播种时间，即播种后第4周接种立枯丝核菌AG2-2IIIBand AG4后，采用红外热成像技术测量接种后的甜菜叶片温度差异。此时，甜菜各品种间的发病率表现出显著差异。该技术是可以用于鉴定作物抗性的一种新工具。

E.-C.Oerke 等[16]利用数字红外热成像技术，检测和定量分析在不同时期接种苹果黑星病病菌后的苹果叶片，其病情的严重程度及对苹果叶片蒸腾作用的影响。发现随着病情发展，叶片最大温差MTD与感染部位面积大小(r2linear = 0.85)及病斑面积占叶面积的百分比密切相关。MTD不仅可用于区分感病叶片和健康叶片，如在精准农业的筛选和检测方面，也可用于感病的定量分析。

Lindenthal Miriam等[17]进行了结合数字热红外技术、显微镜和气体测量等设备观察已接种霜霉病的黄瓜叶片的研究，并记录病菌在黄瓜叶片组织中的发展状况和气孔开闭情况。因蒸腾速率和叶片温度呈负相关(r= -0.762,P< 0.001,n= 18)，在病症肉眼可见前，由于气孔异常开放，感病叶片比健康叶片温度低0.8℃。最终，叶片因细胞过量失水以致组织坏死，无法正常冷却，导致感病叶片温度高于健康叶片。通过红外热成像技术，可以测定健康叶片和感病叶片间的MTD值，并在肉眼可见前可以将其区分出来，应用于作物预警研究。

Manfred Stoll等[18]在可控条件下，对处于灌溉充足、水分胁迫两种状态下的接种霜霉病的盆栽葡萄叶片拍摄了红外热图像，并研究其温度变化。由于病菌侵染，处于灌溉充足和水分胁迫的葡萄叶片之间的热成像具有鲜明对比。此外，该技术也可用来评估植物灌溉的均匀度，从而减少农药的使用量，优化施药效率。

Min Wang等[19]将黄瓜叶片接种尖孢镰刀菌后，利用热红外摄像机监视其应激反应。通过研究发现，在感病初期,叶片的蒸腾速率下降并导致叶片温度上升，随着细胞的失水死亡,叶片温度略有下降。在叶片感病的后期，叶片细胞水平衡被破坏，组织死亡和脱水，最终导致细胞温度上升。此时，细胞失控的水分流失不是因为气孔开放，而是因为叶片细胞的损伤。同时，红外热成像技术可用于黄瓜枯萎病的无损监测，并能得到良好结果。

LChaerle等[20]以接种过烟草花叶病毒( TMV) 的烟草为研究材料，结合红外热成像技术，监测肝病的烟草叶片的温度变化。在感染病毒后,作物片细胞会产生水杨酸。在病斑肉眼可见前，被感染的叶面温度会有所上升。

Stoll Manfred等[21]在温室环境下，采用热成像技术结合气孔导度测量，对接种霜霉病的葡萄叶片在水分充足和水分胁迫两种情况下进行监测。在接种4天之内，热响应特征能明显看出；并且，至少3天时间，病症就可显现出来。由于叶片温度对气孔导度高度灵敏，可以应用热成像技术监测作物初期阶段受迫时的温度变化，在作物受病害胁迫时进行预警。

当受病害胁迫时，作物会产生防卫反应；与此同时，叶片产生应激反应并会导致蒸腾作用异常，造成叶片温度升高或降低，病变部位发射的红外射线因此而改变。热成像仪通过接收改变的热辐射并进行成像，可以实现对作物的早期病害诊断和预警。能够看出，热成像技术在作物胁迫预警方面具有很大潜力，也使得红外成像技术应用于植物病害的早期诊断成为可能。未来对作物病害研究中，热成像技术将是一种对作物进行早期病害诊断和预警的有效手段。

1.2在作物水分胁迫方面的应用

植物的长势对水分极为敏锐，微小的水分胁迫即能抑制作物的生长发育，影响其生长速度。而冠层温度直接反映了作物对土壤中水分的要求。红外热成像技术，可以用另一个角度，在肉眼可见前，观察到植物的水分胁迫情况，为精准农业在作物灌溉方面提供可靠指标，指导种植者及时、快速地做好灌溉措施。

刘亚[22]使自交系玉米苗期遭受干旱胁迫，利用远红外成像技术研究其叶温的变化与生物量耐旱系数间的关系。通过实验可得出结论：将红外图像中苗期玉米叶面的温差作为抗旱性筛选的一个有用指标，充分说明利用远红外热成像技术使得育种专家以此为依据筛选玉米耐旱成为可能。

王道杰[23]将油菜作为实验材料，使用远红外成像技术检测其处于水分胁迫下的叶片温度的变化情况。结果表明：若该油菜品种在苗期抗旱性强，则其叶面温度比苗期抗旱性弱的油菜品种高；而在水分胁迫下，抗旱性强的品种比抗旱性弱的品种存活率高。

程麒等[24]使用Fluke红外热像仪获取棉花的冠层红外热图像，并同时测量了棉花叶片气孔导度Gs、净光合速率Pn和叶面积指数LAI。通过计算水分胁迫指数，有效地监测棉花冠层水分状况。

Sigfredo Fuentes等[25]采用半自动化及自动化的方法，利用红外热像仪监测了葡萄藤在水分胁迫下各指数的变化。结果表明：在同一个葡萄藤中获得的冠层温度指数等独立于叶面积指数(LAI)。为在田里利用红外热成像仪自动化采集和分析葡萄藤和其他作物迈出了第一步。

M Meron等[26]以红外热成像技术为基础，根据棉花、西红柿和花生等作物水分胁迫进行特定地点的灌溉。该方法可以经特定校准后扩展到其他作物。根据测试和开发的方法，高空热成像可以提供需要灌溉管理的特定地点的地图。由上述可知，利用红外成像技术进行作物前期抗旱性鉴定是可行的。

黄春燕等[27]采用红外热像仪和非成像高光谱仪对棉花的5个生育时期的冠层进行数据采集，分别计算水分胁迫指数CWSI，并建立了相关模型方程。红外热成像技术作为无损检测冠层信息的一种手段，可以消除背景干扰，有助于更准确地计算棉花冠层的CWSI。

赵田欣等[28]以美洲黑杨和大青杨杂种为实验材料，选用温度分辨率小于0.05℃的FLUKE Ti55红外热像仪，结合LI-6400型便携式光合仪，设计了气孔导度红外热像的测量实验，并根据实验数据建立了气孔导度Gs和温度T之间的关系，得到了良好的结果，与实际测得的数据有线性关系。

王冰等[29]为了更好地选育花生的抗旱品种，提出采用热敏度≤0.05℃的美国Fluke公司的Ti32远红外热成像仪，进行水份胁迫下的花生幼苗叶片的检测，并计算其温度变化。结果表明：叶面温差可以作为筛选花生品种苗期抗旱型的一个有用指标。

Wiriya-Alongkorn Winai等[30]研究发现：在对龙眼树进行水分胁迫实验时，通过使用热成像技术，并测量与水分胁迫指数(CWSI)等相关的各种参数，提出了用阈值为0.7的CWSI来区分干旱胁迫的龙眼树和对照组，并得到了良好的结果。

当作物受到干旱胁迫时，叶片随之产生应激反应，具体表现为气孔关闭、蒸腾作用改变及减少水分蒸发。通过红外热成像技术，结合相关分析方法，可以实现对农业生产生活的指导。迄今为止，热像图在作物灌溉方面有着很广泛的应用前景，而该技术在实践应用中的进一步的突破，将成为今后无损检测技术在作物灌溉方面的应用研究趋势。

1.3在作物冻害胁迫方面的应用

当遭遇气候骤变，气温降低时，容易引发作物冻害，这是一种非侵染性伤害。作物处于低温时，容易导致其组织内出现冰晶而受冻害。因此，对于作物冻害发生的检测是非常有必要的。及时做好保温防护措施，可以有效防止作物冻害的产生，谨防作物枯萎甚至死亡，以此提高作物产量。而红外热成像技术可以在肉眼不可见的情况下，根据作物内部发射红外线的不同，观察到作物内部冰核的侵害，为农业生产方面及时做好相关措施，提供技术支持。

Wisniewski M等[31]提出使用红外热图像的方法直接观察植物的冰核及其形成，用装有HgCdTe(8～12μm)探测器的图像辐射计检测植物受寒胁迫时的热反应，随后将其红外图像使用相关红外软件进行分析处理。图像辐射计可清晰地监测0.5[mu]L的小水滴结冰情况，使用红外成像仪进行观测，可明显看到不同温度下的植物组织中的冰核及其形成。另外，利用热成像技术很容易测出冰核的形成速率。红外热成像技术是一种非接触、无损的研究冰核及其形成的极佳技术。

Pearce Roger S等[32]利用红外热成像技术对受冻大麦进行了研究。研究发现：冻害的纵向蔓延速度为1～4cm/s，横向蔓延速度为0.3cm/s；结冰现象慢慢从叶子边缘向中脉蔓延，初次结冰的传播并不是破坏性的；然而初次结冰的传播是第2次结冰的先决条件，此次结冰会导致破坏性。

Fuller M P等[33]将红外热成像技术应用在检测马铃薯和花椰菜的冰核和冰冻的形成过程中，通过视频颜色改变能很容易显示出植物叶面的温度曲线。而通过检测马铃薯植株叶片，说明了水分能够激励亚热冰核的形成，同时若缺少表面水分将会呈现过冷现象(零下8℃)。

大量研究表明：作物叶片的生物冰核产生的绝大多数原因是冰核细菌[34]的作用，而除去生物冰核有助于防止作物冻害。在作物冷冻损伤发生前，不仅需要除去已经产生的冰核，而且要防止冰核细菌产生新的冰核，从而起到防冻作用。而我国对于冰核的研究方面远远落后于发达国家，在生物冰核的研究应用领域亟待进一步发展。由于冰核研究的滞后性影响，限制了本国生物冰核资源的开发和利用。热成像能及时发现冰核，对各学者的生物冰核理论方面的研究有很大的指导作用，对生物冰核应用方面的研究有极大地推动作用。另外，对生物冰核的研究能很好地指导生产者及早做好防冻措施，对作物的生长及生产有极大的积极意义。

2应用展望

近年来，热像仪和光谱仪均是工业及农业上进行作物检测的热点[35-38]。

然而，利用光谱检测作物的生长情况受光照的影响非常大。在天气条件恶劣的情况下，光照不强，此时照在作物上的光线能量会受到很大影响。而光谱仪靠反射可见光的光线来成像，当照在作物上的光线减弱时，相对的作物冠层反射光线也会减弱，此时光谱视觉技术将会受到很大的影响，给机器视觉技术在生产生活上的应用带来诸多不便。

红外热成像与光谱成像不同，是通过接收物体发射的红外辐射实现对物体的检测。红外热像仪的热灵敏度一般小于0.1℃，能检测并成像出物体各部位的微小温差。该技术对光线要求低，不需要很强的光照即可对作物进行检测，并且有价格低、检测无损、携带便捷等优点。同时，红外热像仪能反映出视场内任意一点的温度信息，通过使用相应的热像分析软件，能够得到温度分布直方图和其他的信息来帮助分析和了解被检测的物体，可以帮助人们发现肉眼难以观察到的事物，从其他角度来了解众所周知的事物[39]。应用红外热成像技术对作物进行检测，可以加深对作物应对各种胁迫的原理的认识。这使得人们能够更好地理解作物在应对各种胁迫时的反应机制，对作物实施无损检测的新技术有很大的研究意义和广阔的应用前景。

近年来，国外发达国家对将红外热成像技术应用于农业自动化食品加工及质量检测方面进行了广泛而深入的研究。然而，国内对于将红外热成像技术应用于作物检测方面的系统化研究还很少见。目前，红外热成像技术在作物早期病害检测的应用领域主要为黄瓜、番茄等大叶作物。该技术在小麦、水稻等窄叶粮食作物的病害早期诊断方面的研究，因仪器的精度问题，有一定的难度。为此，可以结合数字图像处理技术，对图像进行去噪、分割等处理后，实现小麦、水稻等作物的早期病害检测。在农产品估产方面，使用红外热成像技术，通过对小麦穗数的测量，可以实现对小麦产量的估算[40]，帮助了解小麦长势及产量。由于冬小麦是中国主要的粮食作物，传统的统计方法和传统的地面调查方法既费时又费力，难以实时适应冬小麦对相关决策管理的需求。热红外技术能够为及时准确地为实现冬小麦的估产提供相关的理论依据和技术支持。除此之外，因为水果等采摘前需要估算其产量，提前安排采摘、运输等环节，通过热红外技术还可以实现对树上柑桔和苹果等水果的识别，估算其产量，指挥机器实现水果的收获工作，节省了人力、时间。目前，航空搭载热红外设备，即热红外遥感技术，测量作物冠层图像是现在农业检测的热门研究方向。该技术可用于监测农作物的长势和产量的估算，同时通过遥感技术测量作物冠层图像，既可以监测到作物对水分的需求，也可以实现对作物病害的检测，提供需要灌溉管理的特定地点的地图，优化灌溉和施药的效率，实现农业自动化。

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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

文章编号：1003-188X(2016)01-0232-06

中图分类号：S123;S121

文献标识码：A

作者简介：李真(1989-)，女(满)，河北邯郸人，硕士研究生，(E-mail)lizhen_219@163.com。通讯作者：史智兴(1954-)，男，河北新乐人，教授，博士生导师，(E-mail)szx540105@163.com。

基金项目：公益性行业(农业)科研专项(201203026)；国家“863计划”项目(2012AA10A503)

收稿日期：2015-01-23