棉花冠层结构测定方式探索范文

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植物冠层结构是指群落中地上部分器官的数量和空间排列方式。其要素包括植物叶、茎、枝、花和果等的大小、形状、角度、位置分布以及在时空上的动态变化。良好的作物冠层往往和高产紧密联系,测量获得植物冠层结构的基本参数信息以了解植物冠层与环境之间的相互作用过程,是对棉花采取调控措施的主要依据[1-3]。测定冠层结构的仪器根据其原理的不同可分为三类,分别为基于空隙率分析、基于空隙大小分布分析和基于辐射数据采集技术。国内外对棉花冠层结构特征的研究很多[4-7],但用仪器实际测定冠层特征时,明显会存在个人掌握的尺度不够统一和主观判断的差异等缺陷,影响了信息的适时采集、造成分析处理结果的准确性不高。因此针对具体的田间环境,建立采集冠层信息的相对标准操作方法,以减小人为误差影响显得尤为重要。针对新疆棉花覆膜栽培模式,研究仪器测量时间、在田间放置位置、测定高度等因素对棉花冠层结构影响,确定棉花冠层结构测定最适时间、测点和高度。

1冠层测定的原理

1.1试验所用仪器试验用近年来在棉花冠层结构测定中使用较普遍的美国CID公司产的CI-110数字式植物冠层图像分析仪[8-12],该仪器原理是基于空隙大小分布分析冠层特征。它主要是通过鱼眼成像原理,将摄像头水平放置在近地面处对作物群体照相,每次成像形成一个Image文件,存储在仪器中,用专用软件对获取的图像进行数字化及相关处理,通过计算出直接辐射透过系数或植物冠层下可视天空比例来获取相关的参数。

1.2测量参数

1.2.1叶面积指数(Leafareaindex,LAI)。是指单位土地面积上某一指定层次内所包含的总的叶面积,它通常是指作物群落内从地面到层顶的叶子总面积。

1.2.2平均叶倾角(Meanfoliageinclinationangle,MFIA)。是指叶面法线方向与Z轴方向的夹角,即平均叶倾角为叶片与主茎间的夹角。

1.2.3散射辐射透过率(Transmissioncoefficientfordiffusepenetration,TC)。散射辐射是指太阳辐射以散射的形式到达地面的辐射,对光合作用有较大的辅助作用。

1.2.4直射辐射透过率(Transmissioncoefficientforradiationpenetration,T)。直接辐射是指太阳辐射以平行光的方式到达地面的辐射,是光合作用的主要成分。

1.2.5消光系数(Extinctioncoefficient,K)。是描述作物群体中叶面积遮荫程度或者消弱辐射(光)程度的参数。K表示一定方向的入射平行光下在作物群体或某一水平层内,平均单位叶面积所形成的水平阴影面积。K反应了群体结构,好的株型K值较小。

1.2.6叶片分布(Leafdistribution,LD)。是指作物叶片在植株上不同层次、不同方位角中的分布。2影响棉花冠层结构特征参数准确性的几个关键测定步骤

2.1仪器田间放置位置的选择CI-110数字式植物冠层图像分析仪采用空隙比计算方法,其前提是假设叶片随机分布。棉花行距较大,新疆棉花平均行距30cm,尤其当采用宽窄行种植时,棉田是有大空隙的非均匀性群体。任意选择测点位置,有可能高估直接辐射透过系数,从而低估叶面积指数。所以在棉田必须选择合适的仪器放置位置。鱼眼镜头放置于棉花行内不同位置获得的图片显示的空隙有很大不同。图1中左图是鱼眼镜头放置在棉花行间拍摄出的照片,空隙较大;右图是鱼眼镜头放置在紧邻棉花主茎附近的测点拍摄出的照片,空隙较小。虽然专用数据处理软件允许对所采集的冠层图像中认为非图像区域进行屏蔽,但由于屏蔽区是由中心向四周发散式的扇形区(图2),图像中心有大的空隙时无法进行屏蔽。拍照时应在计算机显示屏上观察无人影等其它外界影响时才开始拍照,尽量减少屏蔽次数。因此,棉花冠层结构的测定位置应选择在紧邻棉花主茎附近,不要把鱼眼镜头放在棉花行内或2行正中间的位置,避免鱼眼镜头直射天空。并且棉花不同生育期冠层结构的测点都应在同一位置,确保数据的一致性,减小实验误差影响。在测量棉花冠层之前应先观察一下实验小区的大小。如果小区太小,鱼眼镜头观察到的视野可能超出被测小区叶层的边缘,会低估叶面积指数。反过来,如果被测小区四周为较密集的冠层,则测量的LAI是准确的。所以小区的最小半径应为冠层高度的3倍左右。如果鱼眼镜头观察到的视野超出小区范围,则可采用两种方法进行处理:1)选择屏蔽区域,这样就可排除图像中与冠层无关的区域。2)适当调整天顶角的起始值,以减小鱼眼镜头的视野范围。对于田间试验,至少要均匀的在每个小区对角线上取4个测定点进行测量,小区棉花冠层结构特征数据取各个测定点数据的平均值。由于边际效应的影响,为了确保所测得的数据能够体现小区真实的棉花冠层特征,在选择测定点时应避开边行,根据小区的大小在中间行均匀选择4~8个点进行测定。

2.2测定时间对棉花冠层结构参数准确性影响由于阳光强度、露水等影响,测定时间对棉花冠层测定结构的准确性也有影响[13]。表1是同一小区同一测定位置在8月5日的不同时间测定的结果,中午12:00测定的叶面积指数都小于早晨和傍晚测定结果,原因是此时的散射辐射透过系数较大,鱼眼镜头会过高地估计透光系数,使叶面积指数测定值偏小。虽然早晨10:00前的散射辐射透过系数也比较低,但由于新疆地理气候条件的影响,在此时间段试验地的露水很大,会影响鱼眼镜头的拍摄效果。因此,棉花冠层结构应在傍晚19:00-21:00之间,或没有直射光或在多云天气的时候测定。因为这个时段的散射辐射透过系数较低,相对来说叶面积指数较高,较接近真实值。

2.3适宜测定高度的确定不同高度拍摄的鱼眼图像分析得出的冠层数据会存在差异。2个棉花品种在距地面10cm处测定的叶面积指数都大于20cm和30cm处的测定结果(表2)。其原因是高度较高时被测区域一些叶片低于鱼眼镜头的高度无法进入拍照范围,并且越接近冠层顶部散射辐射透过系数越大,叶面积指数就会越小。不同棉花品种的株型、子叶节高度等都有差异,测量高度可根据品种特性进行适当调节,原则上所有叶片都必须在鱼眼镜头的拍摄范围内,而且在棉花生育期冠层结构的测定都必须按统一的高度进行。

3图像分析处理中的几个关键

3.1天顶角划分天顶角的划分范围为1~10,对同一图像设置不同天顶角数目,处理出来的冠层数据会存在差异。在分析鱼眼图像时天顶角分区(Zenithdivi-sions)设置为5、方位角分区(Azimuthaldivision)设置为4时结果较好。分析处理同一批冠层图像时天顶角分区和方位角分区应一致,减小误差影响。

3.2图像屏蔽通常情况下不需要对鱼眼图像进行屏蔽。但在图像中出现与棉花冠层无关的人或物体;或者是被测试验小区太小,鱼眼镜头拍摄到相邻小区的冠层;或是在太阳光很强的条件下拍摄出的鱼眼图像会出现很亮的光斑,使叶片的清晰度受到影响等情况下,需要进行屏蔽,从而得到比较准确的数据。

3.3阈值水平的界定对鱼眼图像进行阈值的界定,是为了对被测区域进行阈值水平(Thresholdlevel)的设定,阈值水平不同得到的冠层特征参数差别很大。阈值水平的划分范围为1%~100%,阈值越高其定义的图像面积越大,叶面积指数也就越大。对同一图像设定不同阈值水平进行分析(表3),发现一般情况下阈值水平越接近100%,其定义的图像区域会超出实际叶片区域,使叶面积指数偏大;而阈值水平越接近10%,其定义的图像区域则无法完全覆盖实际叶片区域,使叶面积指数偏小。因此,阈值水平一般设定为50%,在这个阈值水平下鱼眼图像分析出的结果较好。同一批图像的阈值水平要一致,但在棉花冠层稀疏拍摄出鱼眼图像空隙较大时,则需要调整阈值水平来准确定义实际叶片区域。

4结论

试验小区大小、测点位置、测定时间及测定高度都是影响冠层测定准确性的因素。棉花冠层特征测定宜在小区中间行的棉株附近选取4~8个点,而且各生育期测定位置基本固定;测定时间宜在傍晚没有直射光的19:00-21:00,或在多云天气进行;鱼眼镜头放置于离地面10cm处,能获取理想的图像。在分析鱼眼图像时,阈限水平设置为50%,天顶角分区为5,方位角分区为4,分析结果较为准确。