红外热成像技术在畜禽养殖中的应用研究进展_张建华.pdf

宁夏农林科技，Ningxia Journal of Agri.and Fores.Sci.&Tech.2022，63（09）：52-58 农林经济与信息技术 基金项目：宁夏自然科学基金项目“基于红外热成像的滩羊体温检测技术研究”（2022AAC03434）、宁夏回族自治区重点研发计划“滩羊智慧化养殖关键装备研发与示范应用”（2022BBF02021）。作者简介：张建华（1988），女，内蒙古乌兰察布人，硕士，助理研究员，主要从事农业信息化方面的研究工作。收稿日期：2022-07-10修回日期：2022-07-16红外热成像技术在畜禽养殖中的应用研究进展张建华，李 锋，张学俭宁夏农林科学院农业经济与信息技术研究所，宁夏 银川750002摘要：随着我国畜禽养殖业规模化、集约化发展，畜禽健康检测成为亟待解决的问题。红外热成像技术具有高效、方便、无接触的特点，是畜禽智慧养殖中疫病诊断和健康监测的有效手段。本文针对红外热成像技术在畜禽养殖中的应用研究进展进行阐述，介绍了红外热成像技术工作原理，分析了环境温度、湿度、光照、风速和测试距离影响红外热成像测量精度的机理，详述了畜禽养殖过程中红外热成像技术在疫病检测、发情判断和应激评估三个方面的应用研究现状，红外热成像技术可以改善动物福利诊断，保护公共卫生，提高生产价值，应用前景广阔，但受环境温湿度、光照、距离、测温部位等多因素影响，成熟的模型较少，下一步需要研究人员在多种环境条件下，建立不同种类动物体表温度与直肠温度的普适性的温度补偿模型，构建的温度巡检系统，为畜禽健康检测提供重要技术支撑。关键词：红外热成像技术；畜禽；疫病；发情；应激中图分类号：S854.4文献标识码：A文章编号：1002-204X（2022）09-0052-07doi:10.3969/j.issn.1002-204x.2022.09.014Research Progress in Application of Infrared Thermal Imaging Technology inLivestock and Poultry BreedingZhang Jianhua,Li Feng,Zhang Xuejian(Institute of Agricultural Economy and Information Technology,Ningxia Academy of Agriculture and ForestrySciences,Yinchuan,Ningxia 750002)Abstract With the development of large-scale and intensive livestock and poultry breeding in China,thedetection of livestock and poultry health has become an urgent problem to be solved.With the advantages ofefficiency,convenience and non-contact,the infrared thermal imaging technology is an effective means ofdiagnosing diseases and monitoring health in intelligent livestock breeding.In this paper,the research progressin the application of infrared thermal imaging technology in livestock and poultry breeding was elaborated.Theprinciple of infrared thermal imaging technology was introduced.The mechanism of the influence on themeasurement accuracy of infrared thermal imaging was analyzed,such as ambient temperature,humidity,lighting,wind speed and testing distance.Moreover,the applications of the technology in the diagnosis ofdiseases,outbreak judgement and stress evaluation were studied in detail.The results indicated that the infraredimaging technology can improve animal welfare diagnosis,protect public health and increase production value,with a broad application prospect.However,mature models are limited due to the influence of ambienttemperature and humidity,lighting,distance,and measured temperature location and etc.Researchers areexpected to establish general temperature compensation models for the relationship between surface temperatureand rectal temperature of different animal species under various environmental conditions,build temperatureinspection systems and provide important technical support for livestock health detection.Key words Infrared thermal imaging technology;Livestock and poultry;Epidemic;Outbreak;Stress5263 卷 09 期畜禽养殖业是农村经济的支柱产业，在保障人民生活需求、增加农民收入等方面具有极其重要的意义。近年，畜禽养殖由传统零散养殖逐渐发展为规模化、集约化和精细化养殖，随着饲养密度的增加，养殖环境越来越差，畜禽健康隐患不断，疫病频发，传统的依靠工作人员观察判断畜禽健康状况的方法已经不能满足规模化养殖场的需要。畜禽生理参数可以直观反映其生理和健康情况，其中体温是最具代表性的生理参数，疫病、发情、热应激等都会引发畜禽温度变化，如乳房炎、蹄腐病和流产型衣原体病等疾病均会导致畜禽体温或局部温度显著升高1-3，传统的水银体温计或电子体温计测温，耗时耗力，效率低下，容易造成个体间的交叉感染和应激反应，无法满足规模化牧场管理的需求和福利化动物养殖。红外热成像技术采用非接触式测温，具有非侵入、精度高、范围大、快速和高灵敏度等优点，能有效解决个体应激反应，避免交叉感染，在畜禽疫病快速诊断和智慧化健康管理等方面有广阔应用前景。1红外热成像技术原理自然界中所有温度高于绝对零度（-273.6）的物体都在不断地向外界辐射红外光波，这种现象被称为热福射。热辐射的强弱会随着物体或物体部位的温度变化而变化。畜禽如牛、羊和鸡等均为恒温动物，其产生的红外辐射与机体的组织构造、代谢情况及热平衡等息息相关，所以，其产生的红外辐射强度在一定程度上反映了畜禽个体内部机能状态4。当畜禽发情或发生疫病时，其机体局部或整体温度会随之发生变化，产生的热辐射也会发生变化。基于此，应用红外热成像（Infrared thermography，IRT）技术对畜禽体表热辐射数据进行采集分析，通过监测其辐射强度和分布情况，分析畜禽个体机能变化，从而判断其发情状况和健康状况。红外热成像技术利用红外探测器捕获畜禽体表辐射的红外光波强度及分布情况，并将辐射强度按照实际分布情况以一定的空间分辨率转换为数字图像，利用成像系统处理后得到热图像信号，以反映体表各点温度的高低与分布5。热红外图像是一种由温度矩阵形成的伪色彩图像，可以直观展示检测对象的温度分布情况。其工作原理如图 1 所示。图 1红外热成像原理2影响因素畜禽不断向外辐射的红外光波中携带着畜禽个体温度信息，理论上，利用红外热成像技术可以准确获取任意场景下畜禽的温度信息，但在实际应用中，畜禽辐射的红外光波在到达红外探测器之前需要经过空气传输，部分红外辐射能会损耗，所以测温精度会受到一定的影响。并且由于畜禽不是黑体，表面发射率小于 1，不能完全吸收环境辐射到畜禽的红外辐射能，所以探测器接收到的红外光波包含有由畜禽表面反射的环境中的红外光波，也会影响到测温精度6。因此，开展环境因素和测量距离对红外热成像精度影响研究有重要意义。2.1环境温度温度是影响畜禽红外热成像的主要环境因素。首先，环境温度无时无刻不在影响着畜禽表面热辐射。畜禽作为恒温动物，体温是恒定的，但其表面不断与周围环境进行热量传递，环境温度与体温差距越大，热量流失越快，畜禽为稳定体温，不断加快新陈代谢，产生更多热量，畜禽表面温度也会随着发生变化，随之产生的热辐射也会发生变化。其次，环境温度影响着畜禽热辐射衰减速度。由于畜禽产生的热辐射经过空气传输才能到达红外探测器，在此过程中，空气会损耗一部分热能，空气温度与畜禽温度差距越大，损耗的热能越多，被红外探测器接受到的热辐射与畜禽产生的热辐射差距越大。最后，环境温度会影响红外热像仪稳定性。环境温度变化会引起红外热像仪镜筒、壳体温度变化，从而影响红外图像输出的稳定性7。目前，红外热成像技术研究中，环境温度作为红外热像相机的输入参数，已经进行了温度补偿，但通过研究发现环境温度对畜禽红外成像温度测量精度影响还是非常显著，环境温度越低，IRT 温度的偏差幅度越大，这可能是由于环境温度与动物体内温度差异越大，体表热交换速率越高，造成 IRT 温度偏差的变化。因此，环境温度对 IRT 测温的影响不容忽视8-9。禽畜红外探测器成像系统张建华，等红外热成像技术在畜禽养殖中的应用研究进展5363 卷 09 期张建华，等红外热成像技术在畜禽养殖中的应用研究进展2.2环境湿度空气中水蒸气会吸收一部分畜禽辐射的红外光波，所以环境湿度也影响畜禽红外热成像精度。环境湿度也是红外热像相机的输入参数，在畜禽红外测温研究中研究非常少，福建农林大学何金成博士团队关于环境湿度对奶牛红外热成像温度影响的试验研究，发现环境湿度对奶牛眼睛、鼻子和体表平均红外热成像温度影响显著，但与环境温度相比，环境相对湿度对 IRT 测温的影响要小得多10。2.3光照当畜禽处于阳光下时，会吸收一部分太阳的辐射，反射一部分直射光，畜禽表面温度显著升高，红外热成像仪受反射太阳光影响，获得的 IRT 温度偏差较大，对红外热成像测温精度影响很大，所以尽量选择室内、阴天或晚上进行红外测温11。2.4风速风速越大，空气对流速度越快，畜禽与空气之间的热对流加快，使得畜禽 IRT 温度变化越大。风速为 1.9m/s 的情况下，奶牛 IRT 眼睛温度降低了 0.430.13，在较高的风速（3.3m/s）下，温度下降了 0.780.33。所以畜禽红外热成像测温应考虑风速的影响，尽量选择在无风或风力很小的条件下进行12-14。2.5测试距离测试距离越大，畜禽辐射的红外光波在空气中传输距离越远，损耗越大，且红外热像仪视场角增大，使用红外热像仪测量物体表面温度时，误差随之增大15-16。在实际应用中，畜禽依从性差，随机活动，导致测试距离不确定，从而使得 IRT 测量温度与实际