为解决农作物冠层热红外图像边缘灰度级分布不均且噪声较大, 而传统图像分割方法难以实现其目标区域有效识别的难题, 以苗期红小豆冠层热红外图像为研究对象, 将模糊神经网络和仿射变换有机结合, 提出了基于热红外图像处理技术的农作物冠层识别模型。 首先利用五层线性归一化模糊神经网络的自适应特性, 选取高斯隶属度函数, 自动计算冠层可见光图像识别的推理规则, 有效地分割了可见光图像中的冠层区域。 通过分析3种分割指标和熵, 定量评价可见光图像冠层分割质量。 网络迭代38次时, 误差精度为0.000 952, 该算法平均有效识别率为96.13%, 获取可见光冠层图像的像元信息熵值范围为2.454 4~5.198 7, 与标准算法所得冠层图像的像元信息熵仅相差0.245 9。 然后以取得可见光图像的冠层有效区域为参考图像, 采用仿射变换算法, 调整优选平移、 旋转、 缩放等图像变换因子, 配准原始热红外图像, 提出了基于仿射变换的冠层热红外图像识别方法。 对于初始温度范围值在16.35~19.92 ℃的农作物热红外图像, 计算选取旋转幅度为1.0和缩放因子为0.9时, 作为异源图像的最优配准参数, 获取目标图像的最大温差为3.17 ℃, 相对于原图像的平均温度值由18.711 ℃下降至17.790 ℃, 进而实现了基于热红外图像处理技术的农作物冠层识别。 最后以熵的互信息作为监督指标, 对农作物冠层热红外图像识别方法进行评价。 提出的冠层热红外图像识别方法, 所获取的目标图像与初始热红外图像的平均互信息为4.368 7, 标准目标图像和初始热红外图像的平均互信息为3.981 8, 二者仅相差0.486 9。 同时, 两种冠层热红外图像的平均温度差值为0.25 ℃, 高效消除了原始热红外图像的背景噪声。 结果表明本研究方法的有效性和实用性, 能够为应用热红外图像反映农作物生理生态信息特征指标参数提供技术借鉴。
热红外成像 图像处理 神经网络 仿射变换 冠层识别 Thermal infrared images Image processing Fuzzy neural network Affine transformation algorithm Canopy recognition
1 南京农业大学工学院/江苏省现代设施农业技术与装备工程实验室, 江苏 南京 210031
2 John Innes Centre, Earlham Institute, Norwich Research Park, Norwich, NR4 7UH, UK
3 南京农业大学作物表型组学交叉研究中心, 江苏 南京 210014
针对土壤遮挡时根系图像信息不全的问题, 提出一种热红外成像根系表型检测方法, 结合Criminisi改进算法实现根系图像信息的增强和修复, 并研究玉米根系表型与种子活力之间的关系。 首先, 设计一种适应于玉米根系构型的环形双层石英培养装置迫使玉米根系贴壁生长, 分别将老化0, 1, 3和6 d的玉米种子种植在环形培养装置中。 基于水和土壤比热容具有显著差异的特点, 利用水对玉米苗根茎进行滴灌, 并通过热空气对培养装置中的玉米根系进行短时热激励, 再用红外热像仪采集根系红外热像, 利用土壤与根土间隙水流温度的差异实现土壤遮挡处根系的热成像。 其次, 对预处理后的根系热像, 进行端点和最佳匹配对判定, 并利用Criminisi改进算法对红外热像中的断根连接, 实现根系热红外图像的修补。 最后, 利用以上方法分别对不同老化天数的玉米种子幼苗进行根系表型检测验证。 结果表明, 所提出的热红外成像方法可有助于土壤遮挡处根系的表型图像信息增强, 比彩色图像提取的根系表型参数精度提高约0.5%~10%。 玉米种子老化1d后其根系表型参数总根长（RTL）和总根数（RTN）未见明显差异, 但老化3d和6d的种子其根系表型参数具有显著差异, RTL减少20%～35%, RTN减少10%～55%, 反映了玉米种子长时间老化后其活力存在显著下降。 不同老化天数的玉米根系表型参数RTL和RTN均与老化天数呈显著负相关, 可作为种子活力的重要指标参数, 其中, 种子根系RTN参数对老化更为敏感, 更能够直观反映种子的活力水平, 老化1和3 d的种子发根与未老化种子相比均推迟1 d; 老化6 d的种子其发根则推迟2 d, 且后续根系发育一直迟缓。 所提的基于热红外成像的根系表型检测结合Criminisi改进算法的根系表型检测方法, 可用于作物根系表型高通量无损检测, 具有广阔的应用前景。
根系表型 热红外成像 图像修复 种子 无损检测 Root phenotype Thermal infrared imaging Image restoration Seed Nondestructive detection 光谱学与光谱分析
2020, 40(9): 2845
1 浙江大学生物系统工程与食品科学学院, 浙江 杭州 310058
2 农业农村部光谱学重点实验室, 浙江 杭州 310058
3 浙江大学现代光仪器国家重点实验室, 浙江 杭州 310058
4 金华职业技术学院, 浙江 金华 321017
将热红外成像技术和低空遥感技术相结合, 基于冠层和叶片两个尺度对菌核病侵染油菜的过程进行检测研究。 从冠层尺度分析, 首先获取整株样本的温度值（平均温度与最大温差）, 并采集其生理指数（气孔导度、 CO2浓度、 蒸腾速率及光合速率）。 然后, 将染病样本与健康样本的温度值进行判别分析, 并对其进行单因素方差分析。 从结果可知, 平均温度和最大温差值都可以对染病样本与健康样本进行区分, 且最大温差相较平均温度结果较明显。 同时单因素方差分析也显示, 最大温差三次检测中均存在显著性差异。 对获取的生理指数进行分析, 发现染病样本与健康样本之间可以通过生理指数进行明显区分。 另外, 将生理指数与叶片温度进行相关性分析, 结果表明二氧化碳浓度与叶片温度之间的三次检测均存在显著性差异。 基于叶片尺度, 首先从单一叶片来看健康区域和染病区域的温度差异, 可以明显区分出染病区域和健康区域的温度差异。 然后, 提取健康区域与染病区域的的温度值（最大温度、 最小温度、 平均温度以及最大温差）对进行对比分析, 并对其进行单因素方差分析。 结果表明, 以上四个温度指标均可以区分叶片的染病区域和健康区域。 但根据单因素方差分析结果可知, 与冠层尺度相同, 最大温差三次检测中均存在显著性差异, 可以实现对油菜菌核病的早期识别。
热红外成像 油菜菌核病 气孔导度 Grab Cut算法 Thermal infrared imaging Sclerotinia stem rot of oilseed rape Stomatal conductance Grab Cut algorithm
1 西北农林科技大学机械与电子工程学院, 陕西 杨凌 712100
2 农业部农业物联网重点实验室, 陕西 杨凌 712100
由条形柄锈菌引起的小麦条锈病是一种世界性范围内普遍流行的重大病害, 实现其早期检测对病害的有效防控与小麦的安全生产具有重要意义。 旨在实验室环境下分析小麦接种条锈病菌后16天的热红外图像与叶片温度变化, 研究热红外成像技术用于小麦条锈病早期检测的可行性。 实验发现, 随着接种天数的增加, 接种病害的小麦植株较健康小麦, 叶片的平均温度会逐渐降低, 叶片间的最大温差会不断加大。 接种后第6天, 热红外成像技术可观测到小麦条锈病病斑, 较肉眼观察提前了4天。 接种后第16天, 接种叶片的平均温度比健康叶片低2.5 ℃, 最大温差比健康叶片高2.28 ℃。 同时, 通过对健康、 发病以及潜伏期的小麦叶片的显微结构分析, 发现条锈病孢子入侵叶片, 使细胞结构破环, 气孔导度增大, 蒸腾作用加剧, 从而导致叶片表面温度降低。 可见, 热红外成像技术可以对小麦条锈病进行早期检测。
热红外成像 小麦条锈病 叶片温度 早期检测 潜伏期 显微成像 Infrared thermal imaging Wheat stripe rust Leaf temperature Early detection Incubation peri-od Microstructure 光谱学与光谱分析
2018, 38(10): 3303
1 中国科学院上海技术物理研究所 空间主动光电技术重点实验室, 上海 200083
2 中国科学院大学, 北京 100049
为解决强背景弱信号场景下热红外成像系统噪声制约图像信噪比的问题, 提出了一种基于低秩矩阵近似理论的低噪宽幅热红外成像技术.利用面阵摆扫方式实现宽幅扫描成像并构建严格的观测矩阵, 通过加权核范数最小化方法求解去噪的低秩矩阵形式.试验证明该技术具有较高的峰值信噪比与降噪鲁棒性, 在宽幅成像的同时也提高了探测灵敏度.研究成果在红外弱目标识别、广域侦查等领域具有一定应用价值.
热红外成像 降噪 低秩矩阵近似 面阵摆扫 thermal imaging denoising low rank matrix approximation array whisk broom
1 山东省林业科学研究院, 山东 济南 250014
2 山东省沂源县毫山林场, 山东 淄博 256100
3 山东农业大学林学系, 山东 泰安 271018
植物的水分和能量代谢在其生命活动中起着至关重要的作用。 尽管用热红外成像技术研究此类功能已有报道, 直接用于林木生长状态检测的研究为数不多。 本研究通过创建温差指数缩小了观测间的热温波动, 提高了热像温度观测的精度, 增加了被测对象间的可比性。 在此基础上, 用热红外成像技术检测了侧柏［Platycladus orientalis (L.) Franco］伐根面以及生长锥木芯之边材与心材的差异和变化, 研究了侧柏树干和鳞叶的水分和能量代谢的关系。 结果发现随活力状态的变化侧柏林木边材与心材树液(sap)比值不同, 而且不同活力状态的侧柏其鳞叶同样表现出热温的差异。 相对于叶面积与边材面积的比值而言, 热红外光谱更多地反映了树液的状态而不是木材的比例。 边材和心材的树液比反映在热红外成像设备中的则是边材与心材的热温比值, 该指标有潜力早期反映侧柏树木健康。 柏肤小蠹(Phloeosinus aubei Perris)和双条杉天牛(Semanotus bifasciatus Motschulsky)等蛀干害虫是常见的侧柏衰弱木、 濒死木、 枯立木、 伐倒木和新栽幼树上寄生的害虫。 经过大量的热红外成像观测, 侧柏衰弱木和蛀干害虫受害木边材和心材热温比明显地增大。 因此, 该技术有潜力成为检测侧柏林木活力和确定受害状况的重要指标, 成为侧柏生态公益林抚育和经营管理的重要依据。
热红外成像 侧柏 衰弱木 蛀干害虫 过密林分 林窗更新 Thermo-image Chinese arborvitae Low health Wood bores Overcrowded stand Canopy gap regeneration 光谱学与光谱分析
2015, 35(12): 3410
中国科学院上海技术物理研究所中国科学院空间主动光电技术重点实验室，上海 200083
长波红外(8?12.5 m)焦平面的性能在很多方面弱于中短波红外器件，其非均匀性及盲元状况较严重。本课题首次在国内引进了法国Sofradir公司的320×256像元HgCdTe长波红外焦平面探测器MARS VLW RM4，其波长响应范围为7.7 ?12 m。基于一套高帧频低噪声信息获取系统，经过动态范围标定，实现了一套动态范围为250?330 K、噪声等效温差(Noise Equivalent Temperature Difference, NETD)小于50 mK的热红外成像系统。针对焦平面各像元的响应特性，研究了适用于热红外成像系统的非均匀性及盲元校正方法，提出了基于辐射定标的非均匀性校正和盲元检测。经实验验证，其校正效果优于两点定标法，且易于工程实现，基于辐射定标的结果可实现精确的温度反演。
热红外焦平面 热红外成像系统 辐射定标 盲元检测 非均匀性校正 thermal infrared focal plane thermal infrared imaging system radiation calibration blind pixel detection non-uniformity correction
