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红外热像仪在农业领域的应用


时间:2018-09-26

应用领域:农业


   日本在农业方面,正面临着如劳动者老年化、后继无人、TPP(跨太平洋战略经济伙伴协定)导致的贸易自由化等诸多非常棘手的问题。为了化解这些问题,围绕农业最佳化和自动化的研究也开展的如火如荼。

   由东京大学大学院工学系研究科的三宅亮教授、秋天县立大学生物资源科学部的小川敦史教授、广岛大学纳米材料与生物结合科学研究所的小出哲士准教授等组成的研究团队,在科学技术振兴机构战略的基础研究(JST CREST)方面,以“针对建立在农田用耐用仪器与农作物循环系统流体回路模型基础上的性状改变推测技术的研究”为研究课题进行了大量的科研工作。

   广岛大学纳米材料与生物结合科学研究所(RNBS)的小出哲士准教授研究团队,担任的是对农作物栽培过程中的各种数据进行采集和分析这部分的科研工作。使用红外热成像摄像机FLIR AX8获取的农作物栽培过程的温度图像,使得至今为止无法看到的以时间为序列的农作物表面温度实现了“可视化”,对农业的最佳化和自动化研究起到了非常重要的作用。

   农业人口老年化与生产经验
   按照广岛大学纳米材料与生物结合科学研究所小出哲士准教授的话来说,“要想真正继承到农家老把式的经验和技巧,首先就必须对各种数据进行必要的采集”。

   日本在农业方面,针对劳动者老年化、后继无人等现象,以从多种角度实现自动化为目标的科研活动正在不断扩大。日本现在仍然是位列世界第五的农业大国。但可惜的是,现实情况其农业人口的百分之六十以上为65岁以上的老年者,35岁以下的强壮劳动力仅占5%,这已经形成了非常严重的问题。

   继承农业生产经验和技巧,对于生产农作物而言是最为重要的一件事,近些年来,由于后继人员匮乏,所以科研人员正不断通过各种渠道对农业生产经验进行数据化处理。现在变得越来越重要的一点是,上述这些数据如何能够在实际生产中得到充分的利用。而重中之重又是,对肥料和养分的调整。小出哲士准教授这样说到,“日本各地的气候基本上都不相同,而且即使在日本国内,由于存在各种各样的因素,所以气候环境也始终处于变化之中。

   以去年为例,东北地区与常年相比,就发生了日照不足的情况。 但是由于使用了FLIR AX8,使得对农作物表面温度数据的积累工作成为可能。现在所推进的研究,不仅仅是通过对温度数据的积累可以测量到整体的温度分布,还希望能够实现仅针对特定区域的日照时间长短等农作物信息的“可视化”。

   在气候环境变化方面,往往会根据常年情况进行预测,但现实情况是常常会与预测发生很大偏差。但人们期待着,如果通过长期安装固定式摄像头,能够实时且定期地同时采集到温度数据、热成像以及可视图像的话,则今后就有可能实现更加有的放矢,即以完全顺应环境变化的形式、根据不同环境情况来施投肥料或养分。

   决定大米等级命运的育种工作
   日本在农业方面,虽然如上所述存在着后继无人的现象,但与之相反的是,农作物的品种改良(=育种)却非常盛行,这其中大米的品种每年都在不断增加。目前,就日本的大米品种数量而言,仅仅是在国内进行过品种注册的就有800种以上,品种改良的速度可谓非常之快。

   在品种改良方面,红外热成像摄像机可以起到非常大的帮助作用。

   近些年来,日本的高温化趋势变得越来越明显,已经到了可以称之为气候异常的程度。受到这种高温化现象影响的不仅仅是人类或动物,农作物也同样深受其扰。以大米为例,如果在大米成熟阶段遇到持续高温天气,会发生所谓的“高温障碍”,也就是会形成大量的未成熟白色米。而发生这种情况也不仅仅全部是由于气温高所导致的,农业人员的浇水或施肥管理没有跟上也是原因之一。

   大米如果发生这样的“高温障碍”,其本身的等级将受到很大的影响。

   而针对这种情况,如果通过导入红外热成像摄像机,实时获取到温度分布或热成像数据,可以发现大米成长与“高温障碍”发生趋势的关联性的话,则有可能通过尽早地采取对策,营造出适合大米成长的环境,将大米所受的损失控制在最小的限度之内。另外,通过对温度数据的积累,可以了解到禾苗或稻叶的日照时间及温度分布情况,进而通过提供与其相对应的灌水量,也可以减轻大米所受到的损失。更进一步的话,人们期待着数据积累还可以成为在明年、后年是否提早或推迟进行育苗的判断依据,也就是可以对仅仅靠人类生产经验所无法对应的部分进行有数据依据的补足。



   红外热成像摄像机特别有效果的理由,在于它可以实时对稻叶的温度状况进行监视。传统的方法是通过将稻叶置于测量仪腔体内,对其光合成状态进行测量,而使用红外热成像摄像机,是在稻叶不受任何干扰的情况下测量稻叶温度,因此有可能了解到稻叶温度与蒸腾作用的关系。人们期待着以这样的状态观测为切入口,可以通过改善对稻田的管理来提升水稻品质,防止发生以往的那种由于“高温障碍”所导致的等级下降情况。小出哲士准教授这样说到,“我们将进一步深化研究,并希望我们的研究成果今后可以应用到广岛县特产的农作物生产上”。

   针对未来农业的愿景
   针对科研目标方面小出哲士准教授这样说到,“作为针对未来的愿景,我们追求的最大目标是,使下一代栽培技术实现实用化,推广图像传感技术,使得农业人员都能够使用它,并且该技术还应该是简便易行的”。传统的农耕方法,是根据农家老把式的经验和技巧等农业知识为依据进行育苗,而通过定期的实时获取温度数据来得出稻子或稻叶的温度趋势曲线的做法,至今为止是没有人尝试过的,所以它是初次试水。而通过这样的记录温度趋势,非常有可能可以测量出水稻的光合成状态。而针对高温障碍的趋势可以实现可视化的FLIR AX8,在这方面发挥着非常大的作用。
   当前,针对JST CREST科研项目各个大学在使用着各种各样的传感器件,同时各大学都在努力设法从众多传感器件中筛选出对下一代栽培技术有帮助作用的传感器及传感信息。我们FLIR公司的红外热成像摄像机,由于采取的是温度数据与图像相叠加的结合型技术,所以我们非常自信,它一定会对农业发展作出极大的贡献。

   我们期待着,以红外热成像摄像机为首的图像传感技术,能够为提升日本农业的生产效率、发展下一代栽培技术作出积极的贡献。