紅外熱成像技術(shù)在植物病害檢測(cè)中的應(yīng)用研究進(jìn)展

陳斌+田桂華

摘要：當(dāng)植物遭受病害脅迫時(shí)，會(huì)造成氣孔異質(zhì)性開閉，水分調(diào)節(jié)失衡，葉表溫度異常改變。紅外熱成像技術(shù)是一種將目標(biāo)物體的紅外熱輻射轉(zhuǎn)化成與物體表面熱分布相應(yīng)的可視圖像技術(shù)，葉溫變化是其監(jiān)測(cè)診斷植物病害的觀測(cè)指標(biāo)。本文介紹了紅外熱成像技術(shù)在植物病害檢測(cè)上的應(yīng)用研究現(xiàn)狀，總結(jié)了紅外熱成像技術(shù)在植物病害檢測(cè)領(lǐng)域存在的問題及改進(jìn)方法的研究。

關(guān)鍵詞：紅外熱成像技術(shù)；植物病害監(jiān)測(cè)；侵染性病害；非侵染性病害；改進(jìn)方法

中圖分類號(hào)： S431.9文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A文章編號(hào)：1002-1302（2014）09-0001-04

收稿日期：2013-11-28

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金（編號(hào)：3117169、31271874）。

作者簡介：陳斌（1960—），男，江蘇鎮(zhèn)江人，博士，教授，研究方向?yàn)槭称放c農(nóng)產(chǎn)品無損檢測(cè)技術(shù)。E-mail：ncp@ujs.edu.cn。自然界中的植物在生長發(fā)育的過程中總是會(huì)遭受真菌、病毒等生物因素的侵染或干旱等不利非生物因素的影響，使得其生長發(fā)育受到阻礙，產(chǎn)量降低，品質(zhì)惡劣，甚至造成死亡。如果及時(shí)對(duì)病害進(jìn)行檢測(cè)，盡可能在初期消除病害，則可以減少一定的經(jīng)濟(jì)損失，保證產(chǎn)品質(zhì)量。

目前，判斷植物是否受病害脅迫主要是通過人工感官判定和理化檢測(cè)[1]，但是人工感官判定易受一些主客觀因素的影響，而理化檢測(cè)步驟繁冗，會(huì)造成植物體破損。紅外熱成像技術(shù)對(duì)溫度具有高敏感性，能在線檢測(cè)物體表面溫度，在電氣[2]、航空[3]和醫(yī)學(xué)[4]等領(lǐng)域已有比較成熟的研究成果并已經(jīng)被實(shí)際運(yùn)用。隨著熱成像技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，其應(yīng)用領(lǐng)域也在不斷拓寬，例如紅外熱成像技術(shù)在植物病害檢測(cè)中的應(yīng)用就是一個(gè)新的方向，也將逐漸成為一個(gè)新的研究熱點(diǎn)。

本文通過對(duì)近年來紅外熱成像技術(shù)在植物病害檢測(cè)方面的研究進(jìn)行歸納分析，并從4個(gè)不同方面進(jìn)行介紹：（1）紅外熱成像技術(shù)用于植物病害檢測(cè)機(jī)制的研究進(jìn)展；（2）紅外熱成像在非侵染性病害，主要是干旱脅迫方面的研究進(jìn)展；（3）紅外熱成像在侵染性病害，主要是病毒、真菌脅迫方面的檢測(cè)研究進(jìn)展；（4）紅外熱成像技術(shù)應(yīng)用于植物病害檢測(cè)領(lǐng)域所存在的問題及改進(jìn)方法。通過以上分析，以期進(jìn)一步推動(dòng)紅外熱成像技術(shù)在植物病害監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的研究進(jìn)展。

1紅外熱成像技術(shù)用于植物病害檢測(cè)的機(jī)制

當(dāng)植物遭受非侵染性病害時(shí)，膜結(jié)構(gòu)遭到破壞，植物代謝紊亂，水分調(diào)節(jié)失調(diào)。黨云萍等詳細(xì)介紹了水分脅迫下氣孔的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)及其機(jī)理[5]；Hirasawa等指出，水分脅迫會(huì)導(dǎo)致葉片氣孔非均一性關(guān)閉[6]；Nayyar等指出，低溫脅迫會(huì)促使內(nèi)源ABA含量迅速上升[7]；馬媛媛等介紹了低溫脅迫會(huì)導(dǎo)致植物細(xì)胞水平功能紊亂[8]。

當(dāng)植株遭受侵染性病害時(shí)，細(xì)胞膜透性會(huì)發(fā)生變化[9]，葉肉細(xì)胞內(nèi)水分會(huì)更易丟失，從而引起控制氣孔運(yùn)動(dòng)的保衛(wèi)細(xì)胞水勢(shì)變化[10]，使得氣孔發(fā)生異質(zhì)性開閉；此外，有些真菌會(huì)破壞表皮細(xì)胞而使氣孔異常開放[11]，也有些真菌會(huì)分泌H2O2而使氣孔異常關(guān)閉[12]，而遭受病原物侵害的植物本身也有系列防衛(wèi)反應(yīng)，如水楊酸（SA）[13]和脫落酸（ABA）[14]等物質(zhì)的積累會(huì)引起氣孔異質(zhì)性開閉[15-16]?？傮w看來，植物不管是受到非侵染性病害還是侵染性病害脅迫，葉片氣孔均會(huì)異常開閉。

植物通過蒸騰而散失的水分中90%以上是通過氣孔散失的，氣孔異質(zhì)性開閉會(huì)直接引起氣孔導(dǎo)度和蒸騰強(qiáng)度等生理指標(biāo)的改變，使得葉片表面熱量損失的程度大小改變，繼而造成葉表溫度異常變化[17]，而葉溫變化常被用來監(jiān)測(cè)診斷植株的受脅迫情況[18]。病情和病害種類不同，蒸騰強(qiáng)度會(huì)增強(qiáng)或降低[11]，繼而病害部位溫度與健康部位相比會(huì)下降或上升。

2紅外熱成像在植物病害檢測(cè)中的應(yīng)用

2.1紅外熱成像用于非侵染性病害檢測(cè)

氣孔變化對(duì)植物水分虧缺相當(dāng)敏感，氣孔導(dǎo)度值是一個(gè)很好的反映植物水分狀況的參數(shù)，當(dāng)植物遭受干旱脅迫時(shí)，氣孔關(guān)閉，蒸騰作用下降，葉溫升高，利用紅外熱成像技術(shù)可以獲取植物冠層溫度，從而間接反映植物水分脅迫，根據(jù)氣孔導(dǎo)度值適時(shí)灌溉，可以避免葉片萎蔫而引起的作物產(chǎn)量下降，更重要的是，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)植物的水分狀況，從而開展適時(shí)適量的灌溉預(yù)報(bào)，對(duì)于實(shí)現(xiàn)農(nóng)作物生產(chǎn)可持續(xù)、穩(wěn)產(chǎn)、高產(chǎn)具有一定的實(shí)際意義。

紅外熱成像技術(shù)可以用于估測(cè)氣孔導(dǎo)度，Leinonen等利用熱成像儀獲取干旱脅迫下葡萄樹的冠層溫度，采用能量平衡、干參考面及干、濕參考面結(jié)合3種方法估算氣孔導(dǎo)度[19]；Jones在利用熱成像儀估測(cè)干旱脅迫下葡萄樹的氣孔導(dǎo)度時(shí)，提出新的計(jì)算被遮住葉片的脅迫指數(shù)的方法，從而為獲取行間作物或樹木干旱脅迫指數(shù)的方法研究做出了貢獻(xiàn)[20]；Jones對(duì)紅花菜豆植株進(jìn)行不同水分澆灌，并基于熱成像獲取的冠層溫度計(jì)算脅迫指數(shù)，結(jié)果表明該指數(shù)與氣孔導(dǎo)度呈線性相關(guān)[21]；Zarco-Tejada等認(rèn)為，熱成像儀獲得的冠層溫度是用來估測(cè)氣孔導(dǎo)度的最好參數(shù)[22]。總體看來，熱成像儀能夠遙感監(jiān)測(cè)大面積作物，并快速獲取其氣孔導(dǎo)度值，從而做到及時(shí)灌溉，符合精細(xì)農(nóng)業(yè)的發(fā)展理念[20]。

進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，根據(jù)冠層溫度制定最優(yōu)灌溉制度有一定的局限性[23]，于是基于冠層溫度的表征植物受水分脅迫程度的作物水分脅迫指數(shù)（CWSI）得到了廣泛研究。Ben-Gal等對(duì)橄欖樹進(jìn)行了5水平灌水量處理，并根據(jù)冠層溫度計(jì)算CWSI，發(fā)現(xiàn)CWSI與水分狀況存在顯著非線性關(guān)系[24]；程麒等對(duì)2個(gè)棉花品種進(jìn)行4水平水分處理，發(fā)現(xiàn)CWSI與光合參數(shù)Pn、Gs、Tr呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系[25]；Nielsen獲取不同水分條件下大豆的CWSI，以指導(dǎo)大豆適時(shí)灌溉[26]。從這些研究可以看出，紅外熱成像能很好地監(jiān)測(cè)植株是否受干旱脅迫，但無法得知其具體所需灌水量，并且各種外界干擾使得采集的紅外熱成像圖效果不理想。表1列舉了紅外熱成像儀在植物抗旱方面所做的研究進(jìn)展，對(duì)于紅外熱成像儀在低溫凍害、雜草等其他非侵染性病害方面的研究沒有很大實(shí)際意義，這里不加贅述。

2.2紅外熱成像技術(shù)用于侵染性病害檢測(cè)

真菌和病毒等病原微生物對(duì)植物的侵染是一個(gè)主動(dòng)的過程，它們可以通過本身所分泌的酶、毒素等來達(dá)到侵染的目的，也可以通過直接進(jìn)入植物體內(nèi)并大量繁殖而對(duì)植物造成傷害。此類病害具有傳染性，一旦一株或小塊區(qū)域植株遇害，如不采取措施，就會(huì)大面積傳播。

在病原物侵染植物后，寄主植物光合作用速率降低，呼吸速率顯著增加，體內(nèi)水分狀況以及植物激素水平發(fā)生明顯變化；然后，植物葉片表現(xiàn)黃化、壞死、腐爛、萎蔫、畸形等可見癥狀。在日常管理中，一般可根據(jù)植株表現(xiàn)出的可見癥狀進(jìn)行防治，但此時(shí)病害往往已經(jīng)相當(dāng)嚴(yán)重。若利用熱成像技術(shù)，根據(jù)受侵染葉片在未顯癥狀時(shí)的葉溫變化，可以盡早檢測(cè)出病

表1熱成像儀在植物抗旱方面的應(yīng)用

植物品種試驗(yàn)結(jié)果葡萄樹利用冠層溫度估測(cè)氣孔導(dǎo)度勝過利用氣孔計(jì)測(cè)量[19]葡萄樹冠層溫度能區(qū)分灌溉組與不灌溉組[23]葡萄樹

不充分、調(diào)虧灌溉、局部根區(qū)干燥中調(diào)虧灌溉組冠層溫度最高，受干旱脅迫最重[27]葡萄樹

干旱初期，不灌溉組冠層溫度明顯高于充分灌溉[28]葡萄樹、羽扇豆基于冠層溫度的熱指數(shù)與氣孔導(dǎo)度強(qiáng)烈相關(guān)[29]葡萄樹利用冠層溫度估測(cè)氣孔導(dǎo)度有優(yōu)點(diǎn)也有缺點(diǎn)[30]紅花菜豆利用不同方法計(jì)算脅迫指數(shù)，尋求最優(yōu)方法[21]橄欖樹

利用冠層溫度計(jì)算氣孔導(dǎo)度和CWSI，前者與其實(shí)測(cè)值、后者與其經(jīng)驗(yàn)值相關(guān)性良好[17]橄欖樹測(cè)量值與CWSI有強(qiáng)烈的非線性關(guān)系[24]棉花水分脅迫與水分脅迫指數(shù)（CWSI）成反比[25]棉花

裸露土壤對(duì)冠層溫度影響大于葉面不同取向?qū)ζ溆绊慬31]棉花、大豆CWSI經(jīng)驗(yàn)值可以用于指示水分脅迫情況[32]大豆

根據(jù)不同CWSI值進(jìn)行灌溉以探索不同水分虧缺下的具體灌溉量[26]甘蔗

葉溫是篩選耐旱品種的一個(gè)指標(biāo)，耐旱品種的葉溫平均較不耐旱品種低2.2 ℃[33]玉米

在干旱脅迫時(shí)，玉米苗期葉片溫度變化可以顯著反映玉米苗期的耐旱性[34]

害從而及時(shí)采取相應(yīng)的防治措施，因此，應(yīng)用熱成像技術(shù)有望對(duì)侵染性病害實(shí)現(xiàn)早期檢測(cè)，目前用紅外熱成像早期檢測(cè)侵染性病害的情況見表2。表2紅外熱成像用于早期檢測(cè)侵染性病害

品名生物因素試驗(yàn)結(jié)果（顯癥前）黃瓜葉霜霉病（Pseudoperonospora cubensis）感病區(qū)域溫度比健康區(qū)域低0.8 ℃，1 d后癥狀可見[8]黃瓜葉枯萎病（Fusarium oxysporum）感病初期，脫落酸引起氣孔關(guān)閉，葉溫上升[13]蘋果樹結(jié)痂病（Venturia inaequalis）感病葉片局部區(qū)域溫度下降，隨著病情發(fā)展，最大溫差增大[35]小麥葉銹?。≒uccinia triticina）、葉斑?。⊿eptoria tritici）感病組與健康組冠層溫度相差不明顯[36]煙草花葉?。╰obacco mosaic virus，TMV）選用抗病煙草，感病區(qū)域溫度高，8 h后出現(xiàn)可見病斑[37]煙草霜霉?。≒eronospora tabacina）感病葉片溫度比健康葉片高0.1～0.2 ℃[38]葡萄樹霜霉?。≒lasmopara viticola）感病部位溫度升高，在夜間，感病部位氣孔孔徑增大[39]甜菜褐斑?。–ercospora beticola）感病葉片局部區(qū)域溫度下降，約0.5d后，出現(xiàn)可見病斑[40]番茄葉花葉病（tomato mosaic virus，ToMV）感病葉片溫度低于健康葉片0.5～1.2 ℃[38]

植物感病后，葉溫在顯癥前會(huì)升高[37]或降低[36]，使得利用紅外熱成像技術(shù)對(duì)病害進(jìn)行早期檢測(cè)成為可能。熱成像技術(shù)在侵染性病害檢測(cè)方面的研究較少，如黃瓜[9]、煙草[38]和葡萄樹[39]霜霉病，煙草[37]和番茄[38]花葉病，蘋果結(jié)痂病[35]，小麥葉銹病[36]及甜菜褐斑病[40]，但僅有的這幾個(gè)研究達(dá)成了一個(gè)共識(shí)，即紅外熱成像可以在病害顯癥前檢測(cè)出病害（圖1），至于該技術(shù)具體可以在何時(shí)檢測(cè)出病害以及溫度變化與病害程度的具體關(guān)系等都不十分明確。此外，Lenthe等針對(duì)田間小麥感染葉銹菌（Puccinia triticina）和殼針孢（Septoria tritici）的情況，利用熱成像技術(shù)檢測(cè)其冠層溫度，發(fā)現(xiàn)病害區(qū)域同健康區(qū)域的冠層溫度并無明顯差異，這說明熱成像技術(shù)并不適合用于任何植株的侵染性病害早期檢測(cè)[36]。徐小龍對(duì)溫室大棚中的番茄葉接種TMV，在顯癥前，熱成像儀均

能觀察到病害區(qū)域較正常區(qū)域葉溫下降，但是采集黃瓜葉片熱圖像時(shí)選用棕色硬紙板作為背景色，為獲取穩(wěn)定熱圖像而進(jìn)行變溫試驗(yàn)，這無疑限制了熱成像技術(shù)將來在大田病害檢測(cè)中的推廣應(yīng)用[38]。綜合上述研究，在溫室內(nèi)，紅外熱成像能很好地將顯癥前的感病組同健康組區(qū)分開來，但將其投入到實(shí)際應(yīng)用中還有必要作進(jìn)一步研究與改善。

3紅外熱成像在植物病害檢測(cè)中應(yīng)用存在的問題及其改進(jìn)方法3.1熱紅外成像研究領(lǐng)域存在的主要問題

熱紅外成像研究領(lǐng)域中存在的問題歸納起來有以下幾點(diǎn)：（1）被動(dòng)式熱成像（不需要任何激勵(lì)源）是熱成像應(yīng)用于植物病害檢測(cè)研究的主要方法。但當(dāng)被測(cè)物自身處于熱平衡或其存在環(huán)境輻射溫差很小時(shí)，僅靠熱像儀往往無法獲得所需的溫度場(chǎng)信息[41]；（2）主動(dòng)式熱成像（加載如閃光燈、激光等激勵(lì)源）雖然能克服被動(dòng)式熱成像的局限性，但加熱或冷卻又可能會(huì)破壞植物葉片的物理或化學(xué)性質(zhì)[42]，而且葉片能量很容易達(dá)到平衡[43]，這樣反而失去了主動(dòng)式熱成像的優(yōu)越性；（3）光照、風(fēng)吹等外部噪聲易引起葉片表面溫度分布不均勻，從而對(duì)病癥區(qū)域產(chǎn)生干擾。因此到目前為止，關(guān)于熱像儀在植物病害檢測(cè)上的研究都是在可控條件下進(jìn)行的，想要獲得準(zhǔn)確的熱成像圖，背景單一、控制溫濕度以及遠(yuǎn)離強(qiáng)光和高溫?zé)嵩吹冗@些條件是必須保證的。

3.2檢測(cè)方法的改進(jìn)

3.2.1主動(dòng)式熱成像技術(shù)主動(dòng)式熱成像技術(shù)是從熱傳導(dǎo)方程出發(fā)，得出熱波是隨時(shí)間變化的溫度場(chǎng)的結(jié)論，研究的是周期、脈沖、階梯等變化性熱源與媒介材料及幾何結(jié)構(gòu)之間的相互作用。當(dāng)損傷部位與完好部位發(fā)射率差異很小時(shí)，主動(dòng)式熱成像較被動(dòng)式熱成像有明顯的優(yōu)勢(shì)，目前它在食品行業(yè)的應(yīng)用研究還只是停留在蘋果早期機(jī)械損傷的檢測(cè)研究中[44]，在植物病害的檢測(cè)研究中尚無相關(guān)報(bào)道。

3.2.2紅外圖像處理技術(shù)物體缺陷部位與完好部位的熱物性參數(shù)一般相差不大，所得的熱圖像往往缺少層次感，再加上紅外探測(cè)器本身探測(cè)能力和空間分辨率的限制，以及易受外界環(huán)境隨機(jī)干擾的特點(diǎn)，即使有通過主動(dòng)式紅外成像提高對(duì)比度[44]的方法，但得到的熱圖像仍然存在缺陷部位對(duì)比度差、圖像邊緣模糊、信噪比較低等缺點(diǎn)，有時(shí)甚至很難看清目標(biāo)，因而有必要對(duì)紅外熱圖進(jìn)行圖像增強(qiáng)處理。石穎橋闡述了基于小波分析的紅外圖像非線性增強(qiáng)算法，提出了針對(duì)弱紅外圖像的綜合增強(qiáng)處理方法[45]；朱圣盼對(duì)感染黃瓜花葉病毒的西紅柿植株進(jìn)行了基于小波變換的紅外圖像處理[46]。

3.2.3熱成像與光譜成像的結(jié)合使用紅外探測(cè)器與可見光探測(cè)器的成像原理不同，兩者得到的圖像信息具有互補(bǔ)性。楊龍等從紅外熱成像與可見光圖像融合的理論層面詳細(xì)介紹了兩者融合的主要關(guān)鍵技術(shù)[47-49]；Mōller等則從應(yīng)用的角度利用紅外熱成像與可見光成像共同監(jiān)測(cè)葡萄樹的水分狀況，以期指導(dǎo)作物適時(shí)澆灌[50]。

不能區(qū)分不同的病害是通過提高紅外熱成像的精度所無法改進(jìn)的缺陷，結(jié)合能提供寬波段光譜信息的高光譜是一種有效方法。目前基于高光譜成像技術(shù)的植物病害識(shí)別的研究較多，如小麥病蟲害[51]、茄子灰霉病[1]、水稻稻瘟病[42]以及煙草黑梗病[52]等。高光譜成像技術(shù)與紅外熱成像的結(jié)合使用已在航空遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)中得到推廣，在植物病害檢測(cè)領(lǐng)域的研究已開始應(yīng)用于棉花干旱脅迫狀況等方面[53-54]。

4結(jié)語

紅外熱成像技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域廣泛，有著檢測(cè)表面缺陷與內(nèi)部缺陷、觀測(cè)面積大、測(cè)量快速直觀等優(yōu)點(diǎn)，尤其適合于遠(yuǎn)程監(jiān)控植物的蒸騰作用，有望對(duì)大面積水稻、小麥等農(nóng)作物的生長情況、有無病蟲害等方面提供可靠而及時(shí)的情報(bào)。目前，紅外熱成像技術(shù)在植物病害檢測(cè)方面的應(yīng)用研究處于初級(jí)階段，存在很多的問題和局限性，但該技術(shù)能很好地對(duì)作物水分信息實(shí)時(shí)監(jiān)控，能在顯癥前檢測(cè)出侵染性病害，因而做好這2個(gè)方面的研究對(duì)于推動(dòng)精細(xì)農(nóng)業(yè)技術(shù)的發(fā)展意義重大。

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