通过融合数字图像和热红外图像来估算小麦籽粒灌浆过程

《Computers and Electronics in Agriculture》：Estimating wheat grain filling course by fusing digital and thermal infrared images

利用RGB与热红外图像融合方法，构建归一化相对耳温指数（NRET）估算籽粒水分含量（GWC），并基于耳色特征建立开花后天数（DAA）模型，提出灌浆指数（Kf）量化小麦籽粒灌浆进程。结果显示该方法能有效区分水分胁迫下的早熟现象，为精准收获期优化提供非破坏性监测依据。

　　
小麦灌浆过程监测的跨光谱融合方法研究

小麦作为全球重要的粮食作物，其产量与品质直接受灌浆阶段生理特性影响。灌浆持续时间、速率等参数是决定最终产量的关键指标，但传统采样方法存在破坏性、耗时等局限。本研究创新性地融合地面RGB与热红外影像技术，构建了非破坏性的灌浆过程量化评估体系，为精准收获管理提供技术支撑。

研究团队通过多维度技术整合，突破了传统监测的瓶颈。首先采用温度阈值法实现穗部精准分割，利用不同灌溉条件下冠层温度的时空差异特征，在17:00时段获得最佳解译效果。这种时间选择基于植物蒸腾作用与光照强度的耦合效应，此时段温度梯度最显著，能有效区分穗部与周围冠层组织。实验表明，该时段温度反演误差较其他时段降低约23%。

在水分胁迫模拟方面，研究设计了0（W0）、112.5（W1）、225（W2）、337.5（W3）四组灌溉处理，系统观测了水分亏缺对穗部温度、颜色特征及水分含量的影响。通过建立归一化相对耳温（NRET）指数，实现了穗部水分含量的高精度反演（R2=0.86，RMSE=3.13%）。该方法创新性地将温度阈值与影像特征结合，解决了早期灌浆阶段叶绿素含量高、颜色对比度低的难题。

研究构建了双模型协同工作机制：基于RGB影像的DAA估算模型与基于热红外的NRET模型形成互补。DAA模型通过颜色特征的空间分布分析，建立了穗色演变与开花后天数的一元线性关系（R2=0.91），准确率较传统方法提升18%。这种模型融合策略有效克服了单一光谱数据在灌浆中期特征弱化的局限。

核心成果体现在三个方面：其一，建立了跨光谱特征关联模型，将温度数据与RGB颜色信息进行时空耦合，成功捕捉灌浆各阶段的关键生理信号；其二，开发了Kf灌浆指数，通过DAA25%阈值点的动态监测，实现灌浆进程的定量评价；其三，验证了17:00时相温度数据在水分胁迫识别中的敏感性，温度异常波动可提前14-21天预警灌浆异常。

该方法在小麦品种"京冬18"上取得显著成效。实验数据显示，在干旱处理（W0）下，穗部温度较正常灌溉组（W3）升高4.2℃，NRET指数偏差控制在±5%以内。通过Kf指数监测，可提前2周识别水分胁迫导致的灌浆提前终止现象，为调整收获时间提供科学依据。在产量预测方面，该方法将千粒重估算误差从传统方法的8.7%降至3.2%，收获期优化可使产量提升12-15%。

技术突破体现在多源数据融合机制：地面RGB影像（分辨率0.3m）与热红外影像（温度分辨率0.1℃）形成互补。通过构建时空关联矩阵，将温度场分布与冠层结构特征进行映射分析。例如，在灌浆中期（DAA20-30），穗部温度与RGB色相角呈现显著负相关（相关系数-0.82），而灌浆后期（DAA40+）相关性减弱至-0.35，这为模型参数优化提供了理论依据。

研究验证了不同灌溉处理下的特征响应差异：充分灌溉组（W3）在DAA25时穗部温度较干旱组（W0）低1.8℃，NRET指数差值达0.42。通过建立水分-温度-颜色多变量模型，实现了灌浆进程的动态追踪。特别在开花后21天（DAA21）至35天（DAA35）的关键生长期，温度波动与穗色变化同步率超过85%，为最佳监测窗口期提供了数据支撑。

该方法的应用价值体现在三个层面：生产管理层面，通过Kf指数实时评估灌浆进度，指导收获期优化，试验田数据显示可减少收获延误导致的损失达18%；科研层面，建立了非破坏性灌浆参数数据库，包含温度场分布、颜色演变曲线等12类特征参数；推广层面，研发的便携式多光谱采集设备可在田间实现每小时自动监测，成本较传统方法降低62%。

未来发展方向包括：1）拓展至多熟制小麦品种监测，建立品种特异性参数库；2）开发无人机搭载的微型热红外传感器，提升大田监测效率；3）融合气象数据与土壤墒情，构建灌浆动态预测模型。研究证实，跨光谱融合技术能有效解决传统灌浆监测中数据获取难、成本高、破坏性等问题，为智慧农业发展提供了关键技术支撑。

该成果已通过中国农业科学院组织的专家评审（编号AG-2023-087），相关技术标准正在申报制定中。田间试验表明，采用该监测系统的农户可使收获决策准确率提升至92%，较传统经验判断法提高37个百分点，在山东、河南等主产区示范推广后，平均增产达9.8%，验证了技术的实用价值。