基于双远心镜头的高精度叶面积测量方法研究

叶片是植物重要的光合器官,也是植物进行蒸腾的主要场所。植物叶面积的检测对于评估作物的长势和建立植物的生长模型有着非常重要的研究意义。针对现有基于机器视觉测量叶面积存在的缺陷,提出一种采用双远心镜头的高精度叶面积测量方法,该方法不需要对图像进行畸变校正,采用图像边缘增强、亚像素提取和图像分割等先进图像处理算法,使得图像边缘提取精度达到0.1个像元,叶面积测量精度达到3×10~(-6) mm~2。试验结果表明,该方法不仅测量精度高,而且大大提高测量效率。     

基于棋盘格的可变参照物叶面积测量方法研究

为进一步提高在图像处理方面的叶片面积测量精度,提出一种基于棋盘格的可变参照物叶面积测量方法。首先利用智能手机拍摄叶片图像,进行叶片图像分割,根据叶片分割结果选择与其面积相近的棋盘格作为参照矩形,然后提取棋盘格亚像素级角点信息实现图像几何失真校正,通过比例关系计算叶面积。为验证方法的精确性,对已知面积的规则图形进行试验,本文方法平均误差最大值为0.23%;并以相对精确的坐标纸法作为标准测量方法,与固定面积参照物方法进行比较,随着叶片面积与参照矩形面积比的增大,测量误差增大,本文可变参照物方法测量平均误差最大为0.51%。试验结果表明,对不同叶面积的测量,本文方法测量精度在99%以上。     

基于Android系统手机的叶面积测量方法

为了快速无损测量植物叶片的面积,利用Java编写的软件,以Android智能手机为工作平台,使用图像处理技术对植物叶片面积进行测量。测量步骤分为:图像获取、图像分割、图像二值化、滤波去噪、叶片面积计算。采用该方法分别对面积为100mm2的三角形、100mm2的正方形、314.15mm2的圆、112.26mm2的正五角星在150mm和200~800mm之间间隔为100mm的8个距离段进行了面积测量,结果显示其测量误差范围在-0.62%~0.79%之间。应用该方法测量了代表不同植物叶片形状的番茄、茄子和枫叶叶片,当手机和叶片的距离在300~600mm时,测量结果与LI—3100型叶面仪测得的结果偏差在±1%以内,其他距离段偏差均大于1%。本研究设置图像为2560像素×1920像素,测量精度能达到0.001cm2,证明该方法具备精确测量叶片面积的能力。     

气孔导度对环境因素响应及模型研究进展

气孔是植物叶片与环境进行物质交换的重要通道。准确定量的描述气孔的运动及其对各类环境因素的响应,对研究植物光合、蒸腾作用,SPAC系统内的水热传输,进行水分调控及预测植物生产力至关重要。着重介绍了各类气孔导度的模型和模型的修正及发展,以及气孔导度与各类因素的响应关系,讨论了在此方面的研究成果和存在的问题,为科研工作提供了一定的参考。     

基于地基激光雷达的玉米真实叶面积提取方法研究

叶面积指数(LAI)是定量描述植物叶片生长状态的重要参数,相较于受叶片聚集情况影响较大的有效LAI,真实LAI更能准确反映作物真实的生长状态。地基激光雷达(TLS)可以快速获取高精度植物的高度、密度、叶倾角、叶面积等作物结构信息,但在叶面积信息获取上主要得到的是有效LAI。借鉴体素化的思想,提出了基于体素内叶片及其投影数学关系的真实叶面积获取方法。该方法充分利用TLS在获取垂直结构信息上的优势,将表征玉米真实生长状态的点云数据作为数据源,利用体素将玉米叶片回波点云分割成一系列叶片单元,基于体素内叶片及其投影数学关系求取叶片单元面积,进而实现玉米真实叶面积的获取。通过利用不同激光雷达扫描仪分别于北京和河北两地获取的不同品种、不同尺度的4个样本点的玉米TLS点云数据进行验证:样本点1、2、3的试验数据为单木尺度,采用不同体素大小计算叶面积。结果表明,该方法计算所得叶面积与实测叶面积具有较高的相关性,决定系数均在0.8以上,方法可信度较高;最优体素大小分别为0.17、0.15、0.15 cm,在相应最优体素大小下,RMSE分别为61.898、44.058、42.844 cm2,植株总叶面积之间的相对误差分别为-2.678%、0.619%、-0.474%,误差较小,精度较高。样本点4的玉米点云数据属于群体尺度,叶面积计算结果与实测叶面积之间的绝对误差为-14.663%,计算结果偏小。由此可知,基于体素内叶片及其投影数学关系的真实叶面积获取方法切实可行,且精度较高。     

水氮配施对轮作冬小麦-夏玉米灌浆期光合特性的影响

研究不同水氮配施对轮作冬小麦-夏玉米灌浆期叶面积指数、光合速率、蒸腾速率及叶片水分利用效率的影响。结果表明,冬小麦旗叶光合速率和蒸腾速率均以处理W1500N210最高,叶面积指数和叶片水分利用率均以处理W1500N270最高,夏玉米叶片光合速率在处理W1500N270达到最高,蒸腾速率则以处理W1500N210最高;灌水和施氮及其交互效应对冬小麦、夏玉米叶面积指数、叶片光合速率、蒸腾速率和叶片水分利用率均有显著影响;冬小麦、夏玉米灌浆期叶面积指数、叶片光合速率、蒸腾速率和叶片水分利用率均随施氮量和灌水量的增加而增加;但施氮量超过210kg/hm2时不再显著增加。     

基于三维点云的叶面积估算方法

为实现低成本无损精确测定叶片面积,基于运动恢复结构算法获取点云,提出了一种融合叶片点云分割、表面重建及叶片面积无损估测等过程的植物叶片面积提取方法。首先,基于运动结构恢复算法,以智能手机获取的可见光图像重建植物的三维点云;其次,为了还原叶片表面形状,基于HSV颜色空间,使用阈值分割法去除叶片点云的噪点;使用K-means聚类算法对点云的三维坐标矩阵进行分类,实现单片叶片点云的分割;基于滚球算法重建叶片的表面网格模型;最后,通过计算网格面积求得叶片面积。与常规叶面积测定方法进行了对比,本文方法的计算结果与扫描叶片法测定值相比平均误差为1.21cm2,误差占叶片面积的平均百分比为4.67%;与叶形纸称量法测定值相比平均误差为1.41cm2,误差占叶片面积的平均百分比为6.05%。结果表明,本文方法成本低、精确度高,可满足植物叶片面积无损精确测定的需求。     

沙棘“生态经济育种”研究Ⅱ——半干旱地区沙棘杂交亲本比较生态生物学研究

杂交育种的首要任务是重视亲本的比较生态生物学研究与筛选.利用Li-6400光合仪对内蒙古九成宫基地的中国沙棘与引进的俄罗斯沙棘开展了多指标对比测定.结果表明:俄罗斯沙棘特点是:叶面积大,叶绿素含量高,在湿润条件下百果重大,果实成熟期短,干物质积累快,产量高;光合速率高,蒸腾强度大,但水分利用效率低;叶片厚度、叶上表皮厚...     

融合暗荧光参数的茄子叶片光合速率预测模型构建

现有光合预测模型主要考虑环境因子对植物光合作用的影响,模型只能对生理状况相似的叶片进行光合速率预测,本文面向不同生长状态叶片光合速率预测模型的建模需求,提出融合叶片暗荧光参数Fv/Fm的多环境因子光合速率预测模型构建方法。试验以不同生长状态的茄子叶片为样本,在获取暗荧光参数的同时,分别测量不同温度、CO2浓度和光照强度下的光合速率,构建建模样本集。在此基础上,利用遗传支持向量机算法,建立了光合速率统一预测模型,其训练集决定系数为0.8895,均方根误差为3.2679μmol/(m2·s)。采用异校验方式进行模型验证,结果表明,融合荧光参数后模型精度显著提高,光合速率预测值与实测值拟合斜率为0.9046,截距为0.3641,〖JP〗说明引入Fv/Fm后,模型可实现对不同生理状态叶片光合速率的精准预测。     

基于Android手机的植物叶片面积快速无损测量系统

基于Android手机平台构建了一种植物叶片面积快速无损测量系统。获取包含被测植物叶片与已知面积的参照物图像,经图像灰度化、图像平滑、图像二值化、图像几何校正和连通区域标记等处理,根据参照物和被测植物叶片面积比得到植物叶片的面积。基于Android编程技术对系统的功能和界面进行了设计,对图像的几何失真问题提出了几何校正方法。以三叶草、木槿、腊梅、枫树、银杏、樱花等多种植物叶片为对象进行面积测量。试验结果表明,系统不受叶片形状的限制,面积测量的相对误差在-2.9%~2.7%,能够有效测量植物叶片面积。     

基于运动恢复结构的无规则植物叶片面积三维测量方法

接触式测量植物叶片面积的方法会对叶片造成一定程度的伤害,为此本文提出一种仅利用智能手机的非接触式多类别无规则叶片面积三维测量方法.首先,采用运动恢复结构方法获取植株的三维重建点云,在HSV颜色特征空间去除叶片三维噪点;然后,利用模糊C均值聚类算法分割单个叶片,重建叶片表面三角网格;最后,通过网格法计算叶片面积.对5种不...     

Evaluation of the sap flow determined with a heat balance method to measure the transpiration of a sugarcane canopy

Sap flow measurements based on the heat balance method offers the opportunity to evaluate directly and quite easily the mass flow rate of water in plants. However, extrapolation of measurements of water use by individual stems to that for a canopy is tricky. In the present study, 14 sugarcane stems, out of a canopy of nearly 200 000, were equipped with Dynamax sap flow gauge. We extrapolated these individual measurements to determine the transpiration of the canopy and compare this transpiration to the crop evapotranspiration calculated on the basis of the Penman–Monteith method. The method used for the extrapolation assumes that the transpiration of a sugarcane plant is proportional to its leaf area. Transpiration of the canopy determined by this method was overestimated by more 35% as compared to the reference evapotranspiration results. Different sources of possible errors were examined and lead to suppose that it is very difficult to determine the transpiration of a heterogeneous canopy in growth by using the sap flow measurement technique.     

大棚番茄营养生长期日蒸腾量估算模型研究

基于大棚盆栽试验,分析不同水分处理条件下番茄单株日蒸腾量、单株总叶面积、气象因子、土壤水分状况等因素,建立了塑料大棚番茄营养生长期单株日蒸腾量估算模型,并进行模型检验。结果表明,在土壤含水率为95%FC～100%FC、80%FC～85%FC、65%FC～70%FC时,模型决定系数R2分别为0.85、0.84、0.86,平均相对误差分别为13.24%、14.64%和14.70%。所建模型的参数较少且易获取,预测的精度较理想,可以较好地估算塑料大棚番茄营养生长期单株日蒸腾量。     

Seasonal variations in sap flow and soil evaporation in an olive (Olea europaea L.) grove under two irrigation regimes in an arid region of Argentina

The emergence of intensively managed olive plantations in arid, northwestern Argentina requires the efficient use of irrigation water. We evaluated whole tree daily transpiration and soil evaporation throughout the year to better understand the relative importance of these water use components and to calculate actual crop coefficient (Kc) values. Plots in a 7-year-old ‘Manzanilla fina’ olive grove with 23% canopy cover were either moderately (MI) or highly irrigated (HI) using the FAO method where potential evapotranspiration over grass is multiplied by a given Kc and a coefficient of reduction (Kr). The Kc values employed for the MI and HI treatments were 0.5 and 1.1, respectively, and the Kr was 0.46. Transpiration was estimated by measuring main trunk sap flow using the heat balance method for three trees per treatment. Soil evaporation was measured using six microlysimeters in one plot per treatment. Both parameters were evaluated for 7-10 consecutive days in the fall, winter, mid-spring, summer, and early fall of 2006-2007. Maximum soil evaporation was observed in the summer when maximum demand was combined with maximum surface wetted by the drips and evaporation from the inter-row occurred due to rainfall. Similarly, maximum daily transpiration was observed in mid-spring and summer. Transpiration of MI trees was 30% lower than in HI trees during the summer period. However, this difference in transpiration disappeared when values were adjusted for total leaf area per tree because leaf area was 28% less in the MI trees. Transpiration represented about 70-80% of total crop evapotranspiration (ETc) except when soil evaporation increased due to rainfall events or over-irrigation occurred. We found that daily transpiration per unit leaf area had a positive linear relationship with daily potential evapotranspiration (r² = 0.84) when considering both treatments together. But, a strong relationship was also observed between transpiration per unit leaf area and mean air temperature (r² = 0.93). Thus, it is possible to predict optimum irrigation requirements for olive groves if tree leaf area and temperature are known. Calculated crop coefficients during the growing season based on the transpiration and soil evaporation values were about 0.65-0.70 and 0.85-0.90 for the MI and HI treatments, respectively.     

基于RF-GRU的温室番茄结果前期蒸腾量预测方法

针对温室番茄无法按需灌溉问题,提出了随机森林(Random forest,RF)结合门控循环单元(Gated recurrent unit,GRU)神经网络的温室番茄结果前期蒸腾量预测方法,并开发了一套基于番茄蒸腾量的智慧灌溉系统.基于物联网实时获取数据,采用RF算法对影响温室番茄蒸腾量的变量进行特征重要性排序,选取作...     

基于移动激光扫描的靶标叶面积计算方法

针对疏枝果园的变量对靶施药问题,提出基于移动激光扫描(Mobile laser scanning,MLS)技术的靶标叶面积计算方法,为变量施药实时提供基础数据。为消除激光雷达(Light detection and ranging,LiDAR)探测距离和施药车辆行驶速度对点云密度的影响,在车辆行驶方向和激光雷达扫描方向上计算每个测量点的分辨率,为MLS点云数据建立变尺度格网,以格网面积作为被激光束覆盖的叶面积,建立靶标总体格网面积(Total grid area,TGA)与真实总体叶面积(Total leaf area,TLA)的线性回归模型。采用仿真树模拟疏枝果树靶标,搭建移动激光扫描测量系统,采集靶标点云数据,改变探测距离及移动速度,获取了4种不同疏枝程度靶标的108个样本数据。试验结果表明,随着探测距离的增加和移动速度的降低,靶标点云数显著减少,变异系数最小为0. 920 9,靶标格网面积能稳定提取,变异系数最大为0. 053 7,TGA与TLA的拟合优度为0. 909 0,叶面积测量相对误差均值为9. 16%。     

灌水处理对冬小麦生理生长特性等的影响研究

通过对冬小麦不同生育期进行有限灌溉的大田试验,研究不同水分处理对冬小麦的土壤水分变化、株高、叶面积指数、光合特性、产量以及水分利用效率的影响。结果表明:①灌水量越大,含水量变化的土层深度越大;并且土层深度越大,含水量的变化越小。②开花期灌水对缺水处理叶面积指数和株高的补偿效应明显。③各处理的光合特性日变化趋势一致,蒸腾速率和气孔导度日变化趋势均是双峰曲线,光合速率日变化趋势均是单峰曲线,均有"午休"现象。④开花水有利于籽粒的形成,只灌开花水也可获得较高产量。但产量与总灌水量之间呈抛物线关系。⑤单叶和产量水平的水分利用效率均随灌水量的不同而不同。总灌水量越大,叶片水分利用效率越大,灌溉水利用效率越低,水分利用效率越低。⑥综合考虑,全生育期只灌1次75 mm开花水的处理最合理。     

基于无人机遥感表型监测的苎麻优质种质资源筛选方法

苎麻是重要的纤维作物之一,由于土地资源紧缺及优良品种的推广应用等原因,苎麻遗传变异和遗传多样性减少,对苎麻种质资源多样性调查和保护的需求日趋加大。基于无人机遥感的作物表型测量方法可以对不同基因型作物的生长特性进行频繁、快速、无损、精准的监测,实现作物种质资源调查,筛选特异优质品种。为了实现苎麻种质资源表型的高效综合评价,辅助筛选优势苎麻品种,本研究提出了一种基于无人机遥感影像的苎麻种质资源表型监测及筛选方法。首先,基于无人机遥感影像,利用Pix4dmapper软件生成试验区的数字地表模型（Digital Surface Model,DSM）和正射影像;然后,对苎麻种质资源关键表型参数（株高、株数、叶面积指数、叶片叶绿素含量、含水量）进行估测。基于DSM采用“差分法”提取苎麻株高,基于正射图像采用目标检测算法提取苎麻株数,采用机器学习方法估测苎麻叶面积指数（Leaf Area Index,LAI）、叶片叶绿素含量（SPAD值）、含水量;最后,根据提取的各项遥感表型参数,采用变异性分析和主成分分析方法对苎麻种质资源进行遗传多样性分析。结果表明,（1）基于无人机遥感的苎麻表型估测效果较好,株高的拟合精度为0.93,均方根误差为5.65 cm;SPAD值、含水量、LAI的拟合指标分别达到0.66、0.79、0.74,RMSE分别为2.03、2.21、0.63;（2）苎麻种质资源的遥感表型存在较大差异,LAI、株高和株数的估测值变异系数分别达到20.82%、24.61%和35.48%;（3）利用主成分分析法将苎麻种质资源的遥感表型聚类为因子1（株高、LAI）和因子2（LAI、SPAD值）,因子1可用于苎麻种质资源结构特征评价,因子2可以作为高光效苎麻资源的筛选指标。本研究将为作物种质资源表型监测和育种相关分析提供参考。