基于智能手机的玉米冠层叶面积指数测定

作物冠层在降雨分配与水土保持中具有重要作用,叶面积指数(leaf area index,LAI)是常见的作物冠层量化指数.本研究根据玉米冠层特征,模拟不同生育期(拔节期、小喇叭期、大喇叭期、抽穗期和成熟期)玉米植株冠层模型,通过手机图像获取,冠层阴影面积提取及修正、模型构建与验证等流程进行玉米冠层LAI的测定实验.试验...     

基于玉米冠层原位监测的全生育期叶色建模及其应用

针对田间玉米冠层叶色变化难以定量描述问题,该文利用田问原位冠层监测系统,在摄像机自动曝光模式下连续采集多个玉米品种的冠层图像,揭示了复杂天气条件对图像和玉米冠层颜色的影响.利用概率密度统计分析方法分别计算玉米6个关键生育期的冠层亮度-色度分布,并针对冠层色度具有明确变化趋势且分离度较高的冠层亮度区间,建立了全生育期玉米冠层叶色模型.进而,基于该模型建立了适合不同玉米生育期的冠层图像自动分割方法,将玉米全生育期的冠层图像分割精度提升到82.6％,并揭示了不同品种玉米在叶片发育过程中冠层叶色与叶龄的相关性,利用登海605和农大108的冠层叶色预测出的生育期叶龄均方根误差RMSE (root mean squared error,RMSE)分别为1.14和1.41叶.试验结果表明,该文建立的玉米冠层叶色模型能够较好描述玉米关键生育期的冠层叶色变化规律,对玉米冠层图像分割、生育期估计、玉米品种表型鉴定具有重要意义.     

不同土壤水分条件下玉米叶片/冠层气孔导度的光谱监测模型

通过玉米水分控制试验,测定不同水分条件下各生育期叶片气孔导度、叶面积指数和冠层光谱反射率等,以分析玉米叶片气孔导度的变化规律及其与光谱植被指数的相关性,从而建立基于光谱植被指数和土壤湿度的叶片气孔导度模型。结果表明：玉米在可见光区和近红外中、长波区的反射率随着土壤水分的降低而上升,但叶片气孔导度（Gs）、叶面积指数（LAI）、比值植被指数（RVI）和归一化植被指数（NDVI）随着土壤水分的下降而降低;玉米NDVI和RVI与单叶片和冠层气孔导度均呈极显著指数函数关系（P〈0.01）,且对单叶片气孔导度的拟合效果优于对冠层导度的拟合效果,而经土壤湿度订正的RVI监测模型优于NDVI监测模型。表明通过测定冠层反射光谱率可实时、迅速地定量监测玉米叶片的气孔导度,为大面积作物气孔导度估算奠定基础。     

玉米冠层内外风速变化周期特征的研究

应用Morlet连续小波变换对玉米冠层内外 4个高度风速数据的变化分析结果表明 ,1h平均风速的连续小波变换提供了不同高度风速数据所包含的多种周期分量的清晰图像 ,1d和 18d周期是 4组风速数据包含的主要周期分量。连续小波变换的平均谱显示了风速数据的时间变异性和能量在不同周期分量中的分布     

不同条件下夏玉米冠层反射光谱响应特性的研究

通过对两个年份不同牛育阶段的田间夏玉米活体进行冠层反射光谱测定,该文分析了不同空间尺度、种植密度、观测角度、生育阶段、叶面积指数KAI、氮素胁迫、叶片含水量以及与杂草共生等8个条件下的冠层反射光谱响应特性,并探讨其发生机理,研究结果表明,夏玉米在不同条件下的冠层反射光谱响应均呈现出一定的规律性.在近红外波段,其反射率值随氮肥施用量的增加而增大,尤以750～1350 nm波段,但在可见光波段,反射率值降低;随着观测探头的逐步升高,反射率值降低:随杂草量的增多,反射率值逐渐增大.这些结果揭示了高光谱遥感田间夏玉米理化信息获取的巨大潜力,同时,为以后遥感反演建模提供了依据.     

不同时期小麦主栽品种冠层结构研究

研究表明,不同时期小麦主栽品种的冠层结构是不同的,当前品种鲁麦１４株高比５０、６０年代品种碧蚂１号和２号显著降低,上部节间相对较长,穗下节间构成指数Ｉ１值较大鲁麦１４冠层叶片长宽比值较碧蚂１号,济南２号低,旗叶倾角较大,上部叶片消光系数Ｋ较小,下部叶片受光状态较好,使抽穗开花后绿色叶面积下降速度减慢,故鲁麦１４较碧蚂１号和济南２号有一个较长时间的高光合期。对今后如何进一步改善品种的冠层结构与光合性     

扩行距、缩株距对春玉米冠层结构及产量的影响

为探究西辽河平原地区玉米扩行距、缩株距密植增产的生理生态机制,本研究以紧凑耐密玉米品种‘农华101’和半紧凑耐密玉米品种‘伟科702’为试验材料,在6×104株·hm-2(D1)、7.5×104株·hm-2(D2)、9×104株·hm-2(D3)密度下,设置扩行距、缩株距(KH,种植行距为100 cm,D1、D2和D3株距分别为16.67 cm、13.33 cm和11.11 cm)和当地农民常规种植(CK,种植行距为60 cm,D1、D2和D3株距分别为27.78 cm、22.22 cm和18.52 cm)2种种植模式,测定玉米吐丝期、乳熟期及完熟期玉米冠层叶面积指数、茎叶夹角、叶向值、透光率和产量及其构成因素,计算叶面积衰减率,研究扩行距、缩株距种植对春玉米产量及冠层结构特性的影响。结果表明,2品种KH种植下产量均显著大于CK,以D2密度下增产最明显;生育后期2品种KH种植下叶面积指数均大于CK,且乳熟期均达显著水平,D2密度下差异最大;2品种KH种植下均表现为上部叶片茎叶夹角较小,叶向值较大,而中部叶片和下部叶片茎叶夹角较大,叶向值较小。2品种KH种植下冠层透光率各层位均大于CK,其中顶层和穗位层均达显著水平;D1密度下,除2015年吐丝期‘伟科702’外均表现为顶层穗位层底层,D2、D3密度下,除2015年乳熟期D3密度下‘伟科702’外均表现为穗位层顶层底层,且以吐丝期D2密度下差异最为明显。综上所述,在较高密度种植下KH种植模式冠层结构更为合理,产量更高;且不同品种对KH种植模式的响应存在差异,其中‘农华101’各层位叶面积指数、茎叶夹角均小于‘伟科702’;各层位叶向值、冠层透光率均大于‘伟科702’;实测产量不同密度下均大于‘伟科702’,在7.5×104株·hm-2密度下产量最大,且‘农华101’较‘伟科702’增产更为明显。     

农作物冠层结构参数自动测量系统设计与试验

农作物冠层的结构参数,如叶面积指数与平均叶倾角,是影响太阳辐射在农田内进行重新分配的重要参数。在农业工程中,以玉米与小麦为例,这些参数的测量以传统的手持仪器为主,需要消耗较大的人力和时间,难以被应用于大区域尺度、长时间序列结构参数获取。该文设计并实现了一种基于无线传感器网络技术的农作物结构参数自动测量系统。系统由冠层上、下部光强测量节点、数据汇聚节点以及数据无线传输的路由节点组成,通过测量不同太阳高度角下冠层透过率来求解冠层的结构参数。数值模拟结果与野外实测结果表明,该文所用的结构参数反演算法稳定,测量系统可以较好的探测一天之中不同太阳高度角下的植被冠层太阳辐射透过率,基于方向透过率计算得到的叶面积指数与LAI2000仪器测量结果有较好的相关性,平均叶倾角和理论分布模式计算结果基本一致。该系统可以应用于对大区域尺度上的农作物长时间序列连续观测,提高农作物结构参数测量的自动化程度。     

水稻冠层图像分割方法对比研究

水稻冠层信息在自动化管理上具有重要指导意义,但田间多变光照强度环境显著降低了水稻冠层图像分割和信息提取的精度。为降低光照强度的干扰,本文基于RGB、CIEL~*a~*b~*、HSV色彩空间和多色彩空间(包括RGB、CIEL~*a~*b~*和HSV色彩空间)构建水稻冠层图像的色彩特征组合,然后通过支持向量机(SVM)的线性核函数对水稻冠层图像进行分类识别,其分割方法分别定义为rgb-SVM、lab-SVM、hsv-SVM和Multi-SVM。同时,利用此方法对不同光照强度下的水稻冠层图像进行分割,并与常用的Ex GOtsu分割方法进行对比,比较不同方法的分割效果和光强稳健性。结果表明,rgb-SVM的分割效果优于Ex GOtsu方法,但对晴天条件下获取的水稻冠层图像的分割误差仍较大,光强稳健性低;lab-SVM和hsv-SVM分割方法的分割精确度较低,存在一定的欠分割现象;基于多色彩空间和支持向量机的Multi-SVM分割方法的分割效果最佳,该方法对不同光强下获取的水稻冠层图像的分割误差均控制在4.00%以内,具有较好的光强稳健性。因此,基于多色彩空间和支持向量机的Multi-SVM分割方法能够相对准确地将水稻像元从水稻冠层图像中分割出来,且对田间多变光强条件具有一定的稳健性,可为田间水稻生长发育监测和自动化管理提供一定的技术支持。     

基于倾斜摄影的玉米种粒三维参数同步测量装置

为解决脱穗之后的玉米种粒三维特征的获取和分析这个重要而又困难的问题,该研究基于机器视觉技术开发了一种融合三维特征的玉米种粒考种装置。装置通过2块相互垂直的标定板来保留倾斜影像中的空间信息和标定数据,并据此计算三维数据。基于装置的标定数据,用图像处理的方法获取玉米种粒的长度、宽度和厚度数值。通过透视变换,从倾斜摄影图像分别得到水平正摄和垂直正摄的图像;玉米种粒轮廓的长轴和短轴以旋转盘的直径为参考进行计算;玉米种粒的厚度以垂直方向棋盘格标定数据为参考进行计算。按照10帧/s的帧率和1 280×720的图像分辨率启动图像记录系统。选取180粒不同品种的玉米种粒进行试验。种粒长轴、短轴和厚度测量的均方根误差分别为1.86、1.28和0.741 mm;决定系数分别是0.849 6、0.869 3和0.846 2。使用该装置并配合相应的方法能较为准确的一次性测量玉米种粒的三维参数,该研究可为玉米种粒的精细化考种提供参考。     

基于半球摄影法的果树叶面积指数检测张立俊3，洪添胜1,2,3，吴伟斌1,2,3※，Joseph Mwape Chileshe1,2,3

摘要：为解决传统方法中从数据获取到数据处理出现的误差,进一步改善操作方法,该文设计了一种半球摄影法检测系统,使用鱼眼镜头在不同位置下拍摄单棵果树。对拍摄的图像进行处理,并对叶面积指数测量值和真实值进行验证对比,研究影响测量叶面积指数的因素。研究结果表明：鱼眼镜头在不同方位、不同偏移、不同高度下拍摄,以及不同软件处理方法都会对叶面积指数的测量产生影响。最优化的参数组合为：选择果树东方位拍摄,鱼眼镜头距离柑橘树主干25 cm,距离地面高度89 cm;在软件处理分析时,应取LAI4R,天顶角设为60°,同时采用软件遮罩功能对与冠层无关的区域进行屏蔽。在上述方法操作下,系统线性回归模型的决定系数R2为0.8268,测量值与真实值的平均绝对误差为0.31,平均相对误差为14.19%。该方法可为单棵果树叶面积指数的检测提供研究基础。     

采用全景技术的机器视觉测量玉米果穗考种指标

为了在利用图像技术无损考察玉米果穗形态指标时,能够利用一幅图像显示整个玉米果穗的外形,从而减少多幅图像拼接产生的重叠和处理不便,该文提出一种新的基于机器视觉的玉米果穗考种方法与配套装置,首先拍摄旋转玉米果穗图像序列,应用SIFT（scale invariant feature transform）算法获取图像特征点,对特征点随机采样计算单应矩阵并进行一致性检测排除外点,将前后2帧图像注册到同一坐标系。然后采用动态规划法寻找前后2帧拼接图像的缝合线,按缝合线切割图像,以图像模板高斯滤波权值融合缝合线两侧图像消除曝光差异。依次拼接、融合图像序列生成果穗全景图。对果穗全景图进行考种指标检测,试验结果表明：基于机器视觉的测量值与人工测量方式不存在显著性差异（显著水平α=0.05）,该文所述方法可满足自动化考种的需求。     

基于深度学习的玉米拔节期冠层识别

为了满足田间玉米植株快速识别与检测的需求,针对玉米拔节期提出了基于深度学习的冠层识别方法,比较并选取了适于玉米植株精准识别和定位的网络模型,并研制了玉米植株快速识别和定位检测装置.首先拍摄玉米苗期和拔节期图像共计3000张用于训练深度学习模型,针对拔节期玉米叶片交叉严重的问题,提出了以玉米株心取代玉米整株对象的标记策略...     

玉米抽穗期雄穗对冠层反射率辐射传输特征的影响

为分析玉米雄穗对冠层可见光、近红外波段辐射传输特征的影响,运用四维轨道塔吊系统获取连续2 a玉米抽穗期的冠层光谱,并在抽穗初期和末期分别进行了3个梯度的剪穗试验,分析玉米抽穗期冠层二向反射率特征以及雄穗干物质含量特征。结果表明：1）比较抽穗期不同时间冠层反射率的模拟值和实测值得出,在抽穗初期实测值高于模拟值,随着生育期的推进,模拟值逐渐高于实测值。但在可见光波段整个抽穗期实测值均高于模拟值,在近红外波段模拟值总体高于实测值。2）分析不同穗梯度冠层二向反射率特征发现,在可见光波段,太阳主平面和垂直太阳主平面方向上,2个散射方向的无穗反射率值在所有观测角度上均最高,1/2穗次之,全穗最低;近红外波段,在太阳主平面方向,3个穗梯度反射率差异不大,但在垂直太阳主平面方向,后向散射方向反射率值总体高于前向散射方向反射率值,且无穗反射率值依然总体高于1/2穗和全穗;在垂直观测条件下得到相同的结果。3）分析PROSAIL模型模拟值和农学参数相关性,得出模拟值与叶绿素含量、叶面积指数在全波段呈显著负相关,无穗实测值和模拟值分别与叶面积指数和叶绿素含量相关性表现一致。4）在玉米整个抽穗期雄穗鲜质量变化差异较大,而干质量变化差异不大。研究可为修正辐射传输模型、提高模拟精度,使之更好地应用于植被理化参数反演提供科学依据。     

夏玉米冠层叶片表观自由空间的差异研究

叶片自由空间在环境与冠层养分交换间具有重要作用,是目前植物营养学研究的重要领域之一。通过盆栽试验,以不同株型夏玉米为试材,研究了不同施氮水平（N 0、0.15和0.30 g /kg）下玉米冠层叶片表观自由空间（AFS）的差异。结果表明,不同生育期叶片AFS差异极显著（P0.01）,表现为随生育期推进,叶片AFS、生物量和全氮含量均逐渐降低;除成熟期,其它各生育期品种与施氮水平对叶片AFS的影响均存在显著的交互作用。施氮对叶片生物量的影响不显著,但施氮后叶片全氮含量显著增加。不同施氮水平下,植株冠层叶片AFS也存在显著差异,中量施氮处理（即N 0.15 g /kg）植株叶片AFS值（9.49 %）明显高于与不施氮处理（9.03 %）,但随施氮量进一步增加,叶片AFS下降,施氮量为N 0.30 g /kg时,叶片AFS为8.62 %;不同施氮水平各生育期不同叶层间叶片AFS、生物量和全氮含量差异显著（P0.05）。不同品种间叶片全氮含量和AFS存在显著差异（P0.05）,以紧凑型品种陕单902叶片AFS最大,平均为9.24 %,显著高于其它品种;中间型品种农大108与平展型品种陕单9号间差异不显著,二者平均分别为9.06 %和8.85 %;不同株型品种各生育期不同叶层间叶片全氮含量和AFS缺乏规律性。相关分析表明,叶片全氮与叶片AFS存在极显著正相关（R=0.9481）,说明植物冠层叶片AFS大小除受遗传特性影响外,植物体和介质氮素营养水平不同,AFS也存在差异,且这些差异随生育期变化而不同。     

基于冠层温度的夏玉米水分胁迫指数模型的试验研究

探讨并建立了适合于中国华北地区夏玉米水分状况监测的作物水分胁迫指数(CWSI)模型。通过不同的田间试验处理和观测,得到了适合夏玉米的CWSI经验模型中的经验关系,且表现明显。该研究建立了不同生育阶段的经验模型,经过初步的检验和分析,认为这一模型是合理的,可以应用于田间的基于冠层温度信息的夏玉米水分状况监测。     

基于三维冠层模型的玉米光合作用和光能利用模拟

光线分布和叶片光合特征在冠层内部具有极强的时空异质性,基于三维冠层模型的玉米光合模型是精确评估品种高光效的重要手段。该研究将作物三维冠层模型、光线分布模型、光合模型与光能利用模型相耦合,建立了玉米冠层光合生产模型3DMaizeCaP,设置3个不同株型的玉米品种（矮单268、京科968和郑单958）,2种不同光照条件（晴天和阴天）,通过大田试验与模型模拟研究揭示了玉米冠层光合速率和光能利用效率对品种和环境的响应。结果表明,矮单268、京科968和郑单958的叶片最大光合速率和暗呼吸速率均随节位下降呈线性降低的垂直分布规律,各品种中矮单268的最大光合速率最大,而暗呼吸速率最小;冠层净光合速率日变化趋势明显,矮单268在阴天和晴天下的冠层最大净光合速率（以CO2计）为21.6和26.2 μmol/(m2·s),均显著（P<0.05）高于京科968（20.8和24.9 μmol/(m2·s)）和郑单958（19.6和24.4 μmol/(m2·s)）;矮单268的日CO2净同化量在阴天和晴天下均显著（P<0.05）高于郑单958,增幅分别高达14.8%和12.4%,各品种间株型虽有显著差异（P<0.05）,但冠层日累积光截获并无显著差异（P>0.05）;单叶尺度上,各叶片中第16节位的单叶日净同化量达到最大;矮单268的光能利用效率最大,在阴天和晴天下分别为3.22和3.03 g/MJ,比京科968分别高4.5%和5.6%,比郑单958分别高7.7%和7.8%;初始光量子效率对玉米冠层光能利用效率的敏感性显著高于最大光合速率（P<0.05）。从提高玉米冠层光能利用效率考虑,建议设计株型紧凑、叶片光合性能强的玉米品种。研究可为定量研究玉米冠层光合速率提供估算方法,也可为高光效品种选育提供评价依据和鉴定技术。     

基于车载式冠层光谱传感器的玉米拔节期叶绿素含量诊断

CropspecTM是一种基于735 nm 和808 nm的车载式主动作物冠层光谱传感器,能够快速、无损地检测作物氮素营养状态。为了评价其检测精度,针对农大8号和京农科等2种玉米作物品种,使用该检测系统在拔节期采集作物冠层在808nm和735nm波段处的反射率。然后组合计算了DVI735, NDVI735, PVI735和 RDV735 等常规的植被指数,并基于RVI735构造了一种新的植被指数MRVI735。通过分析各植被指数与叶绿素含量指标SPAD值之间的相关关系得出 :对于农大8号,MRVI735、NDVI735和RVI735与叶绿素含量指标的相关性较好,相关系数分别是:-0.7482、-0.6763和-0.6786,达到强相关水平。对于京农科,NDVI735、MRVI735和RVI735与叶绿素含量指标的相关性较好,相关系数分别是:0.7270、0.7252和0.7245,达到强相关水平。对于2个玉米品种,都分别选取了相关系数最好的一个和两个植被指数为参数,分别建立了一元线性回归模型和二元线性回归模型。农大8号的一元模型和二元模型的R2