棉花冠層結構測定方式探索范文

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植物冠層結構是指群落中地上部分器官的數量和空間排列方式。其要素包括植物葉、莖、枝、花和果等的大小、形狀、角度、位置分布以及在時空上的動態變化。良好的作物冠層往往和高產緊密聯系,測量獲得植物冠層結構的基本參數信息以了解植物冠層與環境之間的相互作用過程,是對棉花采取調控措施的主要依據[1-3]。測定冠層結構的儀器根據其原理的不同可分為三類,分別為基于空隙率分析、基于空隙大小分布分析和基于輻射數據采集技術。國內外對棉花冠層結構特征的研究很多[4-7],但用儀器實際測定冠層特征時,明顯會存在個人掌握的尺度不夠統一和主觀判斷的差異等缺陷,影響了信息的適時采集、造成分析處理結果的準確性不高。因此針對具體的田間環境,建立采集冠層信息的相對標準操作方法,以減小人為誤差影響顯得尤為重要。針對新疆棉花覆膜栽培模式,研究儀器測量時間、在田間放置位置、測定高度等因素對棉花冠層結構影響,確定棉花冠層結構測定最適時間、測點和高度。

1冠層測定的原理

1.1試驗所用儀器試驗用近年來在棉花冠層結構測定中使用較普遍的美國CID公司產的CI-110數字式植物冠層圖像分析儀[8-12],該儀器原理是基于空隙大小分布分析冠層特征。它主要是通過魚眼成像原理,將攝像頭水平放置在近地面處對作物群體照相,每次成像形成一個Image文件,存儲在儀器中,用專用軟件對獲取的圖像進行數字化及相關處理,通過計算出直接輻射透過系數或植物冠層下可視天空比例來獲取相關的參數。

1.2測量參數

1.2.1葉面積指數(Leafareaindex,LAI)。是指單位土地面積上某一指定層次內所包含的總的葉面積,它通常是指作物群落內從地面到層頂的葉子總面積。

1.2.2平均葉傾角(Meanfoliageinclinationangle,MFIA)。是指葉面法線方向與Z軸方向的夾角,即平均葉傾角為葉片與主莖間的夾角。

1.2.3散射輻射透過率(Transmissioncoefficientfordiffusepenetration,TC)。散射輻射是指太陽輻射以散射的形式到達地面的輻射,對光合作用有較大的輔助作用。

1.2.4直射輻射透過率(Transmissioncoefficientforradiationpenetration,T)。直接輻射是指太陽輻射以平行光的方式到達地面的輻射,是光合作用的主要成分。

1.2.5消光系數(Extinctioncoefficient,K)。是描述作物群體中葉面積遮蔭程度或者消弱輻射(光)程度的參數。K表示一定方向的入射平行光下在作物群體或某一水平層內,平均單位葉面積所形成的水平陰影面積。K反應了群體結構,好的株型K值較小。

1.2.6葉片分布(Leafdistribution,LD)。是指作物葉片在植株上不同層次、不同方位角中的分布。2影響棉花冠層結構特征參數準確性的幾個關鍵測定步驟

2.1儀器田間放置位置的選擇CI-110數字式植物冠層圖像分析儀采用空隙比計算方法,其前提是假設葉片隨機分布。棉花行距較大,新疆棉花平均行距30cm,尤其當采用寬窄行種植時,棉田是有大空隙的非均勻性群體。任意選擇測點位置,有可能高估直接輻射透過系數,從而低估葉面積指數。所以在棉田必須選擇合適的儀器放置位置。魚眼鏡頭放置于棉花行內不同位置獲得的圖片顯示的空隙有很大不同。圖1中左圖是魚眼鏡頭放置在棉花行間拍攝出的照片,空隙較大;右圖是魚眼鏡頭放置在緊鄰棉花主莖附近的測點拍攝出的照片,空隙較小。雖然專用數據處理軟件允許對所采集的冠層圖像中認為非圖像區域進行屏蔽,但由于屏蔽區是由中心向四周發散式的扇形區(圖2),圖像中心有大的空隙時無法進行屏蔽。拍照時應在計算機顯示屏上觀察無人影等其它外界影響時才開始拍照,盡量減少屏蔽次數。因此,棉花冠層結構的測定位置應選擇在緊鄰棉花主莖附近,不要把魚眼鏡頭放在棉花行內或2行正中間的位置,避免魚眼鏡頭直射天空。并且棉花不同生育期冠層結構的測點都應在同一位置,確保數據的一致性,減小實驗誤差影響。在測量棉花冠層之前應先觀察一下實驗小區的大小。如果小區太小,魚眼鏡頭觀察到的視野可能超出被測小區葉層的邊緣,會低估葉面積指數。反過來,如果被測小區四周為較密集的冠層,則測量的LAI是準確的。所以小區的最小半徑應為冠層高度的3倍左右。如果魚眼鏡頭觀察到的視野超出小區范圍,則可采用兩種方法進行處理:1)選擇屏蔽區域,這樣就可排除圖像中與冠層無關的區域。2)適當調整天頂角的起始值,以減小魚眼鏡頭的視野范圍。對于田間試驗,至少要均勻的在每個小區對角線上取4個測定點進行測量,小區棉花冠層結構特征數據取各個測定點數據的平均值。由于邊際效應的影響,為了確保所測得的數據能夠體現小區真實的棉花冠層特征,在選擇測定點時應避開邊行,根據小區的大小在中間行均勻選擇4~8個點進行測定。

2.2測定時間對棉花冠層結構參數準確性影響由于陽光強度、露水等影響,測定時間對棉花冠層測定結構的準確性也有影響[13]。表1是同一小區同一測定位置在8月5日的不同時間測定的結果,中午12:00測定的葉面積指數都小于早晨和傍晚測定結果,原因是此時的散射輻射透過系數較大,魚眼鏡頭會過高地估計透光系數,使葉面積指數測定值偏小。雖然早晨10:00前的散射輻射透過系數也比較低,但由于新疆地理氣候條件的影響,在此時間段試驗地的露水很大,會影響魚眼鏡頭的拍攝效果。因此,棉花冠層結構應在傍晚19:00-21:00之間,或沒有直射光或在多云天氣的時候測定。因為這個時段的散射輻射透過系數較低,相對來說葉面積指數較高,較接近真實值。

2.3適宜測定高度的確定不同高度拍攝的魚眼圖像分析得出的冠層數據會存在差異。2個棉花品種在距地面10cm處測定的葉面積指數都大于20cm和30cm處的測定結果(表2)。其原因是高度較高時被測區域一些葉片低于魚眼鏡頭的高度無法進入拍照范圍,并且越接近冠層頂部散射輻射透過系數越大,葉面積指數就會越小。不同棉花品種的株型、子葉節高度等都有差異,測量高度可根據品種特性進行適當調節,原則上所有葉片都必須在魚眼鏡頭的拍攝范圍內,而且在棉花生育期冠層結構的測定都必須按統一的高度進行。

3圖像分析處理中的幾個關鍵

3.1天頂角劃分天頂角的劃分范圍為1~10,對同一圖像設置不同天頂角數目,處理出來的冠層數據會存在差異。在分析魚眼圖像時天頂角分區(Zenithdivi-sions)設置為5、方位角分區(Azimuthaldivision)設置為4時結果較好。分析處理同一批冠層圖像時天頂角分區和方位角分區應一致,減小誤差影響。

3.2圖像屏蔽通常情況下不需要對魚眼圖像進行屏蔽。但在圖像中出現與棉花冠層無關的人或物體;或者是被測試驗小區太小,魚眼鏡頭拍攝到相鄰小區的冠層;或是在太陽光很強的條件下拍攝出的魚眼圖像會出現很亮的光斑,使葉片的清晰度受到影響等情況下,需要進行屏蔽,從而得到比較準確的數據。

3.3閾值水平的界定對魚眼圖像進行閾值的界定,是為了對被測區域進行閾值水平(Thresholdlevel)的設定,閾值水平不同得到的冠層特征參數差別很大。閾值水平的劃分范圍為1%~100%,閾值越高其定義的圖像面積越大,葉面積指數也就越大。對同一圖像設定不同閾值水平進行分析(表3),發現一般情況下閾值水平越接近100%,其定義的圖像區域會超出實際葉片區域,使葉面積指數偏大;而閾值水平越接近10%,其定義的圖像區域則無法完全覆蓋實際葉片區域,使葉面積指數偏小。因此,閾值水平一般設定為50%,在這個閾值水平下魚眼圖像分析出的結果較好。同一批圖像的閾值水平要一致,但在棉花冠層稀疏拍攝出魚眼圖像空隙較大時,則需要調整閾值水平來準確定義實際葉片區域。

4結論

試驗小區大小、測點位置、測定時間及測定高度都是影響冠層測定準確性的因素。棉花冠層特征測定宜在小區中間行的棉株附近選取4~8個點,而且各生育期測定位置基本固定;測定時間宜在傍晚沒有直射光的19:00-21:00,或在多云天氣進行;魚眼鏡頭放置于離地面10cm處,能獲取理想的圖像。在分析魚眼圖像時,閾限水平設置為50%,天頂角分區為5,方位角分區為4,分析結果較為準確。