基于光场相机的大豆冠层叶面积无损测量方法研究

大豆上、中、下冠层叶面积分布是大豆植株株型状况评价、产量预测的重要依据,而传统上、中、下冠层叶面积测量方法采用大田切片法,该方法过程繁琐,且会对叶片造成伤害。针对这一问题,引入光场相机重聚焦技术分别得到聚焦在上、中、下叶片的重聚焦图像,通过图像处理技术提取聚焦平面的叶片,去掉离焦平面的叶片,分别得到上、中、下层的投影面积。选用开花期103盆宏秋品种大豆植株作为校正集,根据光场相机的标定计算各冠层叶片的校正系数,获得修正后的各冠层叶片投影面积。建立大豆植株各冠层投影面积和真实叶面积的回归模型,并选20盆作为预测集来验证各回归模型。研究发现:上层叶面积模型的决定系数为0.945,预测集的最大误差为4.48%,均方根误差为4.376;中层叶面积模型的决定系数为0.796,预测集的最大误差为13.62%,均方根误差为7.273;下层叶面积模型的决定系数为0.914,预测集的最大误差为8.63%,均方根误差为1.529。上层和下层叶面积测量模型相关性高,由于上层叶片的遮挡,中层叶面积模型相关性略低。     

基于低空遥感的果树冠层信息提取方法研究

【目的】 果树冠层信息是反映果树生长状况的重要参数,准确提取果树的冠层信息对于果园的精细管理十分必要。【方法】 文章以苹果树和桃树为研究对象,利用无人机遥感获取果园影像数据,首先通过Mask R-CNN实例分割算法对果园果树冠层进行逐一分割,同时提取果树冠幅和冠层面积信息。然后利用果园正射影像结合QGIS软件,对果树冠层位置信息进行提取和可视化并通过目视解译对果树冠层参数信息提取结果进行评估。【结果】 当交并比为0.5时,模型检测分割结果最优,测试集语义分割精确度为66.3%,目标检测精确度达到63.9%。总体冠层面积实测值与模型预测面积之间的平均相对误差为12.44%,均方根误差为0.5 m²。冠幅实测值与模型预测的面积之间的平均相对误差为16.39%,均方根误差为0.39 m,在一定范围内验证了模型对冠层面积和冠幅信息提取的可靠性。【结论】 结合无人机遥感数据和Mask R-CNN实例分割算法可有效地将果树冠层分割出来,并且能够较为准确地提取果树冠层的相关参数信息,可为果园的精细管理提供一定的技术支撑。     

基于三维模型的不同树龄苹果树冠层结构评价

【目的】对高纺锤形苹果树的冠层生长规律进行研究,为苹果高纺锤形树形的生长管理提供参考。【方法】以M26中间砧短枝富士为试材,选择4,8,12年生3个树龄的果树作为3个处理,人工测量和统计各树龄冠层基本信息及枝组结构,构建3个树龄果树的虚拟树体模型,比较实际树体照片与虚拟树体,基于构建的三维模型计算果树冠层总叶面积（total leaf area,TLA）、照射叶面积（projected leaf area,PLA）、光截获效率（silhouette to total leaf area ratio,STAR）、叶面积指数（Leaf Area Index,LAI）等指标,建立3个树龄果树的虚拟果园,并模拟计算其中单株果树的光截获效率,用LAI-2000冠层分析仪测定各树龄冠层的LAI,并与三维模型计算结果进行比较和验证。【结果】数字化得到的果树冠层基本信息及枝组结构与人工测量统计结果均无显著差异,但数字化得到的枝组结构更为准确。与实际树体照片相比,虚拟树体图像整体上能够展示树体实际生长情况。3个树龄果树冠层的TLA与PLA分别为6.41,11.60,19.69 m²和2.38,3.88,5.77 m²,随树龄的增长而显著上升;STAR值分别为0.37,0.33和0.29,随树龄增长而下降,但三者之间差异并不显著,LAI分别为1.78,3.87和3.28;在虚拟果园中,模拟计算得到的4,8和12年生果树的STAR值分别为0.30,0.18和0.19,其中4年生与8,12年生果树之间有显著差异。冠层叶面积指数实测值与三维模型模拟值的均方根误差（RMSE）为0.171,可知模型的精准度高。【结论】高纺锤形富士苹果树幼树有较好的光截获效率,随树龄增长单株果树的光截获效率有所下降。且相较于低龄果园,高龄果园中果树冠层光截获效率下降明显,建议果园管理中应注意合理控制种植密度和枝叶密度,以改善高龄果园冠层的光照分布。     

多源遥感数据结合的橡胶林有效叶面积指数升尺度估测

【目的】针对传统森林叶面积指数监测的小尺度、对植被具有破坏性以及低效率。【方法】以机载LiDAR数据和Landsat 8 OLI数据为主要信息源,使用LiDAR点云基于Beer-Lambert定理反演得到点云条带区橡胶林有效叶面积指数,并用样地实测叶面积指数对其进行差异性检验。其次,以LiDAR点云得到有效叶面积指数作为训练样本结合Landsat 8 OLI数据,分别使用偏最小二乘回归模型和BP神经网络模型对有效叶面积指数进行升尺度光学遥感估测。【结果】1)LiDAR点云反演得到的有效叶面积指数与样地实测的叶面积指数之间极显著相关且差异不显著,相关系数为0.82。2)研究所建立的遥感估测模型中,BP神经网络回归模型的估测结果优于偏最小二乘回归模型,其决定系数R2为0.54,均方根误差RMSE为1.23,相对均方根误差rRMSE为47.68%。【结论】在森林参数获取和林业调查中,机载激光雷达数据与光学遥感数据的结合可有效提高工作效率、降低调查成本、效弥补人工调查的不足。     

苹果结果期果园温度空间分布规律

苹果园中温度是影响苹果质量及产量的主要因素。为明确苹果结果期果园中温度空间分布变化规律,在北京普通苹果园中进行了实地试验,通过采样的方法测量了3个果树冠层及果树间隙不同高度各16个点的温度,通过分析测量数据,结果表明,在不同高度空气温度在水平方面具有相似的变化趋势;空气温度在单个冠层的变化快慢及变化幅度和果树所处的环境有关,处于果园边缘或周围环境不均衡的果树冠层的温度变化幅度对整个冠层温度极差的贡献最大;在同一位置点,温度在不同高度的极差较小,至少87.5%以上的极差小于0.5℃;相同高度层、不同冠层的温度极差相差较大,差值最大达到1.6℃;果树间隙的温度极差处于整个果园冠层的水平方向温度极差和垂直方向温度极差之间。在另外果园的结果期进行了验证试验,结果验证了结论的正确性。     

基于分层理论与三维激光扫描的单木叶面积指数反演技术研究

以荔枝树、黑松、马尾松作为研究对象,采用LAI_-2200和Stonex X300三维激光扫描仪获取孤立冠层叶面积指数(LAI_g)、反演整体冠层叶面积指数(LAI_z),同时耦合分层理论,通过平面投影、轮廓提取、叶倾角矫正,得到分层叶面积指数(LAI_f);分析LAI_g、LAI_z、LAI_f三者间关系,验证单木LAI_反演精度。结果表明:单木叶面积分层垂直分布趋势与冠层叶片垂直分布轮廓趋势基本一致;荔枝、黑松和马尾松的LAI_z分别比LAI_f低75.78%、47.75%和18.21%;LAI_f与LAI_g具有极高的相关性,决定系数R2为0.992 3。因此,耦合分层理论与三维激光扫描技术的单木LAI_反演技术可以满足调查需求,为今后全方位多角度森林调查提供了重要的发展方向。     

基于移动式三维激光雷达的柑橘冠层结构信息的获取

基于移动式三维激光雷达,建立了一种柑橘冠层结构信息(树高、冠幅、分枝角度)的获取方法:1)利用移动式三维激光雷达获取柑橘三维点云数据;2)选定SOR滤波组合(k,α)分别为(100,0.9),(20,1.2),(100,0.9)对冠层残缺叶片点云和叶片边缘点云进行滤波处理;3)利用Mean shift算法求取植株点云中心结合采集点角度,完成点云初始匹准;4)运用ICP算法进行精准拼接并构建完整植株的三维模型,提取柑橘的株高、冠幅和枝干角度信息.验证结果表明,三维模型获取树高、冠幅、枝干角度的相对误差分别小于等于2.5％、小于等于4.5％、小于等于5.5％,判定系数R2大于0.97,均方根误差大于5.1.     

库尔勒香梨冠层光合有效辐射研究初探

为了解两种树形库尔勒香梨树冠内的光合有效辐射日变化、三维分布特征和叶面积指数大小,利用HOBOware自动气象站和SUNSCAN冠层分析系统进行测定分析。结果表明：两种树形不同方位之间的光合有效辐射日变化趋势具有较大差异,总体趋势是“低-高-低”的单峰变化曲线,不同树形辐射值表现出不稳定的上下浮动;光合有效辐射的三维分布大致呈现两种趋势,疏散分层形辐射值由树冠外围向树干内膛呈现递减趋势,由冠层下部到冠层上部递增,其冠层上部辐射值波动较大,而冠层下部则维持较低稳定水平：开心形的辐射值由冠层外围向冠层内膛递增,由树冠上层向树冠下层递减。疏散分层形的叶面积指数在不同方向上的均值显著大于开心形,同种树形在不同时期的叶面积指数均值比较认为,衰老期叶面积指数均值明显高于盛果期。     

基于冬小麦冠层数码图像的叶面积指数和叶片SPAD值的估算

为探究冠层图像分析技术在冬小麦长势监测中应用,6个施氮水平的田间试验条件下,在冬小麦拔节期采集冠层图像,并同步测定冬小麦叶面积指数和叶片SPAD值.通过图像分析软件计算了冬小麦冠层覆盖度及红、绿、蓝亮度值等10种色彩指数,分析了叶面积指数及叶片SPAD值与色彩指数和冠层覆盖度的相关性,利用逐步回归方法构建了叶面积指数及叶片SPAD值的估算模型.结果表明:冬小麦拔节期叶面积指数与冠层覆盖度及几个色彩指数呈极显著相关;叶片SPAD值与红光标准化值等几个色彩指数呈极显著相关;利用叶面积指数估算模型计算的预测值与实测值的线性回归方程的决定系数为0.771,相对均方根误差为25.181％;利用叶片SPAD值估算模型计算的预测值与实测值的线性回归方程的决定系数为0.644,相对均方根误差为6.734％.相关分析和估算模型验证结果表明,基于冠层图像分析的冬小麦拔节期叶面积指数和叶片SPAD值的监测是可行的.     

果树冠层形态特征测量与分析研究进展

冠层是果树最先接触外界环境与光照的部位,是果树光合作用和呼吸作用的直接通道。果树冠层的形态特征不仅直接塑造了果树丰富的外观造型,同时也间接反映了果树的生长状况和产量潜力。综述了国内外研究者提出的针对果树冠层形态特征的多种测量技术和分析方法,并对今后果树冠层形态特征分析的主要研究目标进行展望,以期为相关人员进一步开展果树冠层形态特征研究和应用提供有益的参考。     

冠层分析仪在苹果树冠结构光学特性方面的研究

冠层结构光学特性研究在森林和农田生态领域应用较多,而在果树上涉及很少。运用WinsCano-py2004a冠层分析仪对陕西渭北8个县110棵苹果树的冠层结构光学特性进行了测定。结果表明,渭北地区苹果树冠层的特征指标中,间隙指数、开度、叶面积指数与冠层光合有效辐射通量和定点因子有显著相关性,并且不同树体间差别很大,表明间隙指数、开度、叶面积指数等对于果树冠层的光截获能力影响较大,而平均叶角和聚集因子等指标与冠层光合有效辐射通量和定点因子无明显相关性且不同树体间相差不大,表明叶分配角和平均叶角等对于冠层光截获无明显影响;初步认为Wins Canopy2004a冠层分析仪可用在苹果树冠层结构分析方面,合理进行苹果树冠结构及光学特性的评价。     

矮化中间砧短枝富士苹果高纺锤树形冠层结构与光能截获的三维模拟

【目的】建立苹果冠层结构的三维虚拟植物模型,为精确、量化评价果树冠层空间结构及光截获提供方法指导,为果树树形选择及优化提供理论依据。【方法】以14年生矮化中间砧高纺锤形富士（西府海棠/M26/礼泉短富）为试材,以田间树体数字化测定为基础,获取枝叶特定形态参数,利用计算机模拟重建三维虚拟植物。借助虚拟植物模型进行虚拟试验,定量研究冠层结构、光截获和果实的空间分布。【结果】确定了树体枝叶间异速生长关系：枝（梢）长度分别与枝（梢）叶片数量和枝（梢）的总叶面积、叶片长度分别与叶柄长度和叶片宽度、叶片长度的平方与叶面积间均呈显著线性关系。结合三维数字化技术与枝叶间异速生长关系,构建了苹果冠层三维虚拟植物模型,结果表明：叶片数量及叶片面积模拟值与实测值间决定系数分别为0.92和0.95,均方根误差分别为1.18和31.5 cm²,相对误差分别为7.15%和5.86%。模型精度可满足冠层结构与光截获评价要求;模型可量化模拟各类枝梢及整体冠层叶面积、体积、光照射叶片面积、冠层或枝（梢）叶片被光线照射到的照射叶面积与总叶面积比值（STAR）、郁闭度、叶面积密度相对方差（ξ）及STAR值的日动态变化。矮化中间砧高纺锤树形枝（梢）主要分布于冠层高度0.5-2.5 m和距树干水平距离20-80 cm空间范围内,占总枝梢叶面积比例74.88%。整体冠层体积、郁闭度分比为4.47 m³、44.62%;营养短枝（梢）、营养长枝（梢）及果台副梢分别占树体体积的69.73%、43.50%和41.26%,三者郁闭度分别为60.77%、54.12%和83.15%,平均STAR值分别为0.10、0.23和0.13;各类枝（梢）STAR值空间分布规律明显,随冠层高度及距树干水平距离增大而逐渐增加。果实主要分布于冠层高度0.5-2.0 m和距树干水平距离20-60 cm空间区域;单位面积产量4.1×10⁴ kg/667 m²;冠层适宜的营养短枝（梢）、营养长枝（梢）、果台副梢叶面积比例为69.70%-73.13%﹕11.25%-15.18%﹕11.16%-14.27%,适宜STAR值分别为0.08、0.14和0.11。整体冠层、营养短枝（梢）和果台副梢的STAR值日变化曲线近似于双峰曲线,营养长枝（梢）STAR值日变化为单峰曲线;各类枝（梢）STAR值皆与果台副梢数量呈显著负相关关系,与果实可溶性固形物、单果重及横径呈显著正相关关系。【结论】三维虚拟植物模型可用于果树冠层结构及光截获的精准量化评价,STAR值可量化评价冠层光截获效率。     

自然光照条件下苹果识别方法对比研究

针对自然光照条件下果园苹果识别效果不佳的问题,从苹果的颜色分割和形状提取2方面进行对比研究,提出一种自然光照条件下的苹果识别方法。利用错检率、漏检率和处理速度3个量化指标综合对比分析颜色阈值、SVM和BPNN 3种苹果颜色分割方法的处理效果。比较6种边缘检测算法对苹果区域图像的边缘检测效果,并使用Hough圆检测算法对苹果形状进行提取,以获得苹果的圆心和半径。试验结果表明:由BPNN的苹果颜色分割方法以及结合Log和Hough的苹果形状提取方法所构建的果实识别算法具有较高的鲁棒性和准确性,能有效克服果实遮挡、重叠和颜色变异等问题,果实平均识别率可达91.6%。     

基于无人机影像阴影去除的苹果树冠层氮素含量遥感反演

【目的】去除无人机多光谱遥感影像中的阴影,以提高苹果树冠层氮素含量反演模型精度。【方法】以山东省栖霞市苹果园为试验区,利用2019年6月采集的无人机多光谱影像,分别基于归一化阴影指数（normalized shaded vegetation index,NSVI）和归一化冠层阴影指数（normalized difference canopy shadow index,NDCSI）去除果树冠层多光谱影像中的阴影,提取非阴影区域果树冠层光谱信息;通过相关性分析方法,将基于原始光谱影像和基于NSVI、NDCSI去除阴影后提取的光谱数据与实测叶片氮素含量进行相关性分析,分别筛选氮素含量的敏感波段并构建光谱参量;采用偏最小二乘（partial least square,PLS）及支持向量机（support vector machine,SVM）方法构建果树冠层氮素含量反演模型并进行精度检验。【结果】绿光波段和红光波段为果树冠层氮素含量反演的敏感波段;阴影削弱了果树冠层的光谱信息,去除阴影前后,冠层多光谱各波段光谱差异较大,在红边波段及近红外波段尤为明显;基于2个阴影指数去除阴影后构建的氮素反演模型精度均有提升,最优模型为基于NDCSI去除阴影后构建的支持向量机氮素含量反演模型,该模型建模集R²和RPD分别为0.774、1.828;验证集R²和RPD分别为0.723、1.819。【结论】基于NDCSI可有效去除无人机多光谱果树冠层影像中的阴影,提高氮素含量反演精度,为果园氮素精准管理提供了有效参考。     

乔砧苹果郁闭园不同改造方法对冠层光照和叶片状况及产量品质的影响

 【目的】成龄乔砧苹果郁闭园改造是生产中的主要问题,通过对改形后再次郁闭园进行不同改造,比较几种处理方法的改造效果,找出最佳的改造方法,为其推广应用提供理论依据。【方法】以改形后再次郁闭的18年生乔化‘红富士’苹果（3 m×4 m）为材料,研究不同处理对冠层光照、各类枝(梢)叶片数量、质量及产量品质的影响。【结果】间伐（处理Ⅰ）冠层光照条件好,各类枝(梢)平均叶片数量多、质量高、果实硬度大,可溶性固形物含量高,着色最好,叶面积指数合理,产量较高。疏大枝（处理Ⅱ）树冠光照和叶片状况及果实品质均比间伐处理差,但优于不疏大枝树（处理Ⅲ）。冠层内相对光照强度处理Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ分别为26.4%、20.8%和14.3%,冠层内不同方位相对光照强度和日变化为处理Ⅰ＞处理Ⅱ＞处理Ⅲ。处理Ⅰ各类型新梢的平均叶片数量分别比处理Ⅱ和处理Ⅲ高4.56%、15.91%,单叶面积分别比处理Ⅱ和Ⅲ高0.46%和7.28%。而产量是处理Ⅱ＞处理Ⅰ＞处理Ⅲ。果实品质是处理Ⅰ＞处理Ⅱ＞处理Ⅲ。【结论】对密度3 m×4 m改形后再次郁闭果园实行间伐,可改善树冠光照条件,使叶面积指数达3.26,提高叶片质量和果实品质,产量也较高,且这种方法改造的果园管理方便,能根本性解决乔化苹果园光照恶化问题,适宜渭北苹果产区推广应用。     

叶幕结构与光合作用的关系研究

为了研究不同叶幕结构与光合作用之间的相关性,为农业生产和理论研究提供方向.通过对影响叶幕结构的因素:栽植密度与叶幕厚度、叶幕方位角和倾斜度、叶幕高度与行间距离、叶幕开张度、叶面积系数、叶面积密度;果树的光合特性:叶片的需光特性、果树净光合速率(Pn)的季节和日变化规律;影响光合作用的内、外界因子;光能的截留和分配的分析,提出研究中存在的问题,为以后的研究提供方向.     

苹果树冠层叶片形态特征研究

为了更好地认识苹果树的冠层结构,定量化描述冠层中叶片的形态特征。通过选取两个品种苹果树冠层不同类型枝条的叶片形态指标,利用SPSS软件对数据进行分析处理。利用数理统计方法对大量叶片形态特征数据进行了统计分析、数据拟合和误差分析,建立了苹果树不同类型枝条上叶片形态特征的数学模型。不同品种苹果树不同枝条类型,具有相同的叶片形态特征,随着叶位提升,发生规律性变化。通过对这些形态特征的分析研究,可以对苹果树冠层有更直观的认识,为构建准确、符合生理性状的果树三维模型提供必要的知识模型支撑。同时提高了基于三维模型进行果树冠层生理生态功能的仿真模拟研究的可信度。     

运用投影寻踪法建立苹果树蒸腾量的预测模型

[目的]运用投影寻踪回归分析法建立苹果树蒸腾量的预测模型,为更方便更好地预测苹果树蒸腾量提供指导。[方法]根据2009年5～9月气象站观测数据,对气温、相对湿度、风速、太阳辐射、大气压、土壤温度、叶温和水面蒸发量进行分析,并应用投影寻踪回归分析法建立了各气象因子与苹果树蒸腾量的预测模型。[结果]气象数据分析表明,大气水势随着气温增高呈减小的趋势,但随着气温降低和湿度增加而增加。气温、净辐射与作物叶水势均呈抛物线关系。随着净辐射的增大,作物消耗的水量增大,叶水势降低。由叶水势与土壤含水率关系可知,当土壤含水率减少时,苹果根系难以吸收到足够的水分,不能满足叶片蒸腾耗水的需求,导致叶片含水量偏低,叶水势也随着下降。苹果叶水势随着土壤含水率的降低而降低。[结论]运用投影寻踪回归分析法建立了气象因子对苹果树蒸腾量的预测模型,且预测精度较高。     

轮台白杏开心形树形冠内光分布特征

[目的]通过对轮台白杏开心形树形冠内光分布的解析,旨在深入了解盛果期轮台白杏生产园典型树体结构及其光能利用现状,为其整形修剪提供理论依据.[方法]采用等体积(50 cm×50 cm×50 cm)树冠立体分隔法,利用LAI-2000冠层分析仪和LI-191线状量子传感器测定每一树冠分隔体内叶面积指数、透光率和光合有效辐射的日变化及时节变化.[结果]盛果期轮台白杏生产园冠层消光系数(K)为0.808 5;冠内相对光合有效辐射强度上层>中层>下层,中部和内膛有交错,小于外围,在14:00达到高峰;冠内相对光合有效辐射强度随时节变化逐渐减小,叶幕稳定后冠内整体相对光合有效辐射强度在70;以下,无效光区占树冠体积的67.19;.[结论]轮台县盛果期轮台白杏生产园开心形树形主枝开张角度太小,冠层消光系数偏大,冠内光照分布不均匀,无效光区占树冠比例过高,不利于树冠对光能的有效利用.