基于无人机热红外遥感图像提取滴灌棉花冠层温度及精度评价

【目的】提高基于热红外遥感图像滴灌棉花冠层温度提取精度,为棉花水分状况精准监测提供技术支撑。【方法】以不同水分处理的苗期、蕾期棉花为研究对象,利用无人机获取试验小区热红外遥感图像,使用便携式手持测温仪测量田间辐射校正板及水桶中的水温,对热红外影像进行温度校正。采用Otsu算法、Canny边缘检测算法对热红外遥感图像进行掩膜处理剔除土壤背景,通过波段运算提取棉花冠层温度,绘制棉花冠层温度频率直方图并对其进行优化。利用便携式手持测温仪同步测量棉花冠层温度,与提取的冠层温度进行一致性分析,验证热红外遥感图像提取棉花冠层温度的精度。【结果】Canny边缘检测算法剔除土壤背景提取冠层图像准确率大于Otsu算法(91.90%>82.52%、92.76%>80.60%),剔除土壤背景效果最优。Otsu算法和Canny边缘检测算法剔除土壤背景后构建的冠层温度直方图均呈偏态分布,但Canny边缘检测算法剔除土壤背景后构建的冠层温度直方图形状比Otsu算法光滑,噪声少,并且Canny边缘检测算法2年冠层平均温度最低(29.95、30.54℃),与实测温度差值最小(2.78、3.43℃)。去除Canny边缘检测算法的温度直方图两端1%温度信息后,提取的冠层温度与实测温度相关性最高(2年试验r由0.88、0.93提高到了0.94、0.95),RMSE最低(2年RMSE由2.78、2.87℃下降到1.59、1.43℃)。【结论】Canny边缘检测算法提高了无人机热红外遥感图像棉花冠层温度提取精度,且温度直方图两端1%温度优化后有助于提高棉花冠层温度提取精度。

镉与聚苯乙烯微塑料复合胁迫对小油菜生长发育、生理特征及冠层温度影响效应研究

为明晰镉(Cd)与聚苯乙烯微塑料(PS-MPs)复合胁迫对小油菜生长发育、生理特征、冠层温度的影响效应及内在机制,采用室内水培实验,以小油菜(Brassica chinensis)为供试植物,系统研究Cd与2种粒径(100和1000 nm)PS-MPs复合胁迫对小油菜生长发育、光合色素、抗氧化酶活性、营养品质、解剖结构、冠层群体温度以及Cd吸收转运特性的影响。结果表明,单一Cd及PS-MPs胁迫均显著抑制小油菜生长发育和光合生理过程,其表型指标及光合色素等均随Cd与PS-MPs浓度增加而显著降低。Cd与PS-MPs胁迫显著增强了小油菜氧化应激反应能力,降低了小油菜叶片维生素、可溶性糖和可溶性蛋白含量等品质指标,缩小了小油菜叶片厚度、海绵组织厚度和栅栏组织厚度,显著提升了小油菜植株冠层群体温度。Cd与PS-MPs复合胁迫下低浓度PS-MPs(1 mg·L^(-1))可有效缓解其Cd胁迫抑制效应。随PS-MPs浓度升高(20 mg·L^(-1)),其对小油菜植株生理特征的影响则与Cd胁迫呈协同叠加抑制趋势变化。Cd与PS-MPs复合胁迫对小油菜生长发育及生理特征的影响总体上表现为“低促高抑”的变化趋势。研究结果可为农田土壤Cd及PS-MPs污染生态风险评价提供理论支撑与参考。

冬小麦冠层温度对大气温度的时滞效应与影响因素研究

冠气温差能够间接监测作物水分变化规律,而冠层温度与大气温度之间存在的时滞效应会影响监测效果,为探明两者之间的时滞效应变化规律及影响因素,本研究以拔节期至乳熟期的冬小麦为研究对象,利用红外温度传感器连续监测灌溉上限分别为田间持水率的95%(T1)、80%(T2)、65%(T3)和50%(T4)4个不同灌溉处理的冠层温度,并同步获取短波净辐射(Short-wave net radiation,R_(S))、大气温度(Atmospheric temperature,T_(A))、相对湿度(Relative humidity,R_(H))等气象数据。利用错位相关法计算冠层温度与大气温度之间的时滞时间(Time lag,TL),分析其在不同生育期和不同灌溉条件下变化规律,并采用相关性分析法探究气象因子(R_(S)、T_(A)、R_(H))变化率和日均值与时滞时间的相关性,最后通过通径分析探讨气象因子(R_(S)、T_(A)、R_(H))、土壤含水率(Soil moisture content,SMC)以及叶面积指数(Leaf area index,LAI)对时滞时间的共同影响。结果表明:不同生育期和不同灌溉条件下冬小麦冠层温度变化均提前于大气温度;在不同灌溉处理下,T1、T2和T3处理的时滞时间高于T4处理,且在不同生育期下,时滞时间呈现先减少再增加的趋势。短波净辐射变化率(Change rate of short-wave net radiation,R_(SCR))、大气温度变化率(Change rate of atmospheric temperature,T_(ACR))和相对湿度变化率(Change rate of relative humidity,R_(HCR))与时滞时间的相关性均高于对应日均值与时滞时间的相关性;同时,R_(SCR)与时滞时间的相关程度最高(相关系数R为0.718~0.806),TACR次之(R为0.582~0.661),RHCR最低(R为-0.534~-0.570)。利用通径分析发现,时滞时间主要受R_(SCR)、SMC以及LAI共同影响,但在不同灌溉条件下影响时滞时间的主要因素存在差异,其中T1、T2和T3处理主要受R_(SCR)和LAI影响,而T4主要受R_(SCR)和SMC影响。研究可为利用冠气温差信息监测作物水分变化进一步提供理论依据。

水稻冠层温度对环境温度的响应及其调控机制

环境温度对于水稻生产具有重要影响,冠层温度反映了水稻冠层各器官表面温度的平均值,由其热学特性及对环境的生理反应构成,与环境温度显著关联,可以表征水稻内部生理活动变化,是环境条件与作物遗传特性相联系的产物。研究水稻冠层温度的影响机理和相关调控机制,可以更好地解释水稻植株和外界环境的能量物质交换,具有很高的研究价值。本文综述了水稻冠层温度的基本特征、对环境温度的相应调控机制,并对未来的水稻冠层温度研究提出一些建议,以期更好地将冠层温度应用到水稻生长监测工作中。

桃树树干液流和冠层温度对不同灌溉水量的响应

【目的】通过对不同灌水量下桃树主要需水信号,如液流速率、冠层温度和冠层温度-气温差的测定,分析不同水分亏缺灌溉桃树主要需水信号的变化规律,为果树的精量控制灌溉提供理论依据。【方法】以在移动式遮雨棚下生长的4年生桃树为试验材料,设置某时段桃树的实际需水量（ETc）的100%（I1）、75%（I2）、50%（I3）和25%（I4）4个灌水量处理,3次重复,研究不同灌水量处理下桃树液流速率、冠层温度和冠层温度-气温差的变化规律。【结果】不同灌水量处理之间桃树液流速率日变化和连日变化存在明显差异,高灌水量处理桃树液流速率大,低灌水量处理液流速率相对较小,在正常生长状态下液流速率日变化动态为多峰曲线,且阴天的液流速率明显小于晴天。桃树液流速率随大气相对湿度的变化呈现昼夜的周期性,相对湿度下降,液流速率上升。桃树生育期内冠层温度和冠层温度-气温差均存在明显的日变化,低灌水量处理的冠层温度和冠层温度-气温差高于高灌水量处理,且差异明显。冠层温度-气温差与0~100 cm土壤含水量具有较好的负相关关系。【结论】液流速率、冠层温度和冠层温度-气温差可以较合理地反映土壤水分的变化状况和作物水分的亏缺程度,是诊断作物缺水状况的重要指标。

基于冠层温度的水分亏缺指标空间分布图插值方法研究

【目的】选择合理的基于冠层温度的水分亏缺指标空间分布插值方法。【方法】以实测数据为基础,基于ArcGIS的插值模块,研究10种插值方法对冠层温度和归一化相对冠层温度(NRCT)预测精度的影响。【结果】①冬小麦和夏玉米的冠层温度分布均具有强烈的空间相关性。②利用局部多项式法和泛克里金法插值时,冠层温度会出现异常值。③利用全局多项式法插值时,冠层温度和NRCT的实测值与预测值的标准均方根误差最高,分别为6%和29%,且预测值与实测值的Pearson相关系数仅为0.33。④利用普通克里金法插值时,冠层温度预测值与实测值平均值的差异小于0.5℃,冠层温度和NRCT的标准均方根误差最低,分别为4%和18%,Pearson相关系数为0.80。⑤不同插值方法下生成的冠层温度及NRCT空间分布图趋势基本相同,采用简单克里金法、析取克里金法、经验贝叶斯克里金法插值时,生成的空间分布图与普通克里金法生成的分布图更为相似,重叠部分面积均大于90%。【结论】综合冠层温度和NRCT的插值精度和空间分布图绘制效果,插值方法排序为普通克里金法>简单克里金法=析取克里金法>经验贝叶斯克里金法>径向基函数法(张力样条函数)>径向基函数法(规则样条函数)>反距离权重法。建议优先选择普通克里金法进行基于冠层温度水分亏缺指标的变量灌溉动态分区管理。

水稻灌浆期冠层温度对植株生理性状及稻米品质的影响

在大田环境下,以辽粳294、开粳1号为材料,在灌浆期设置5个水分梯度处理,研究了水稻冠层温度日变化特征及其与土壤水分状况、产量生理特性、稻米品质之间的关系。结果表明:1)冠层温度低于气温,但与其显著正相关。梯度水分处理导致冠层温度和冠气温度差逐级升高,即土壤水势降低,冠层温度升高,冠气温度差绝对值增大;2)相同环境条件下,抗旱性弱的品种辽粳294的冠层温度低于抗旱性强的品种开粳1号;3)水分胁迫下水稻冠气温度差与每穗实粒数、千粒重、结实率、产量、整精米率、蛋白质含量、直链淀粉、脂肪酸和食味值呈显著负相关,与秕粒数、垩白度、垩白粒、碎米率呈显著正相关;4)光合速率、气孔导度及蒸腾速率随土壤水势降低而下降,且抗旱性强的品种开粳1号的光合性能较强。相关性分析表明,两个品种冠气温度差与其光合性能显著或极显著负相关;5)开粳1号的气孔密度显著大于辽粳294,而气孔长度和气孔宽度极显著小于辽粳294。综合分析表明,在灌浆期辽粳294和开粳1号在土壤水势为-0.02^-0.03 MP时,平均冠气温度差分别维持在0.9℃和0.8℃时对产量影响不显著(达到水分临界水平),可作为水稻灌浆期的节水灌溉指标。

间作小麦秸秆还田对地膜覆盖玉米灌浆期冠层温度及光合生理特性的影响

【目的】作物的光合生理特性是影响产量的重要因素,冠层温度反映作物冠层的能量平衡状况,与作物光合生理特性及产量形成密切相关。研究不同覆盖方式下作物冠层温度与光合生理特性及产量形成,旨在优化耕作制度,提高干旱内陆灌区作物生产潜力。【方法】2014—2016年,在西北干旱灌区,通过田间试验,研究不同小麦秸秆还田及地膜覆盖利用方式下,小麦间作玉米模式中玉米灌浆期的冠层温度及光合生理特性。【结果】间作较单作可降低玉米灌浆期的冠层温度,以免耕小麦带25—30 cm高茬收割覆盖还田与玉米带地膜2年覆盖(NTSI2),免耕小麦带25—30 cm高茬收割立茬还田与玉米带地膜2年覆盖(NTSSI2)处理降低效果更为显著,较传统耕作每年覆新膜单作(CTM)处理分别降低10.3%与7.5%,比传统翻耕小麦带无秸秆还田与玉米带每年覆新膜(CTI)处理分别降低7.6%与4.7%。从冠气温差可知,NTSI2处理随气温变化玉米灌浆期冠层温度变化较小,可减小气温变化对玉米生长发育造成的不利影响。间作较单作可增大玉米灌浆期的光合速率(Pn)、蒸腾速率(Tr)及叶片水分利用效率(WUEL),以NTSI2、NTSSI2处理提高幅度较大,较CTM处理玉米Pn提高比例分别为23.0%与18.1%,较CTI处理提高比例分别为13.4%与8.9%;同理,与CTM处理相比,Tr分别提高7.9%与5.8%,与CTI处理相比,Tr分别提高6.1%与4.1%;NTSI2、NTSSI2处理WUEL较CTM处理提高14.4%与12.0%,较CTI提高7.2%与4.9%,呈现水分高效利用的潜势。相同的净占地面积下,间作较单作玉米具有增产效应,增产幅度达到52.2%,其中NTSI2、NTSSI2处理较CTM处理分别增产57.2%与53.4%,较CTI处理分别增产17.6%与14.7%,说明免耕地膜2年覆盖与秸秆还田同步应用于间作模式可进一步加强玉米增产效应。【结论】在河西绿洲灌区,集成应用免耕秸秆还田与地膜2年覆盖技术是实现高产高效间作模式的理想耕作措施。

水稻开花期冠层温度与土壤水分及产量结构的关系

在开花期对水稻进行不同梯度水分胁迫处理,研究了水稻开花期冠层温度与土壤水分状况及产量结构之间的关系。水稻开花期冠层温度一般低于气温,但土壤含水量对冠层温度有显著影响,土壤含水量越低,水稻冠层温度越高,冠气温差绝对值越小,并且在1300时冠气温差与对照差别最大,认为1300可以作为测定冠气温差的最适时间。通过对开花时间进行观察,发现土壤含水量最低的处理,植株开花高峰提前,开花时间集中在花期的最初3d,其平均穗长较小,穗重较轻;而土壤含水量较高的处理与对照一致,开花时间主要集中在花期中间时段,平均穗长较大,穗重较重。土壤含水量越低,每穗饱粒数越少。

旱地冬小麦灌浆期冠层温度与产量和水分利用效率的关系

利用红外测温仪,于2005～2006年在甘肃陇东旱原研究了我国北方冬麦区域的23个小麦品种(系)灌浆不同时期冠层温度的差异及其与产量和水分利用效率的关系。结果表明,不同基因型小麦在籽粒灌浆结实期存在着冠层温度高度分异的现象,其分异程度随灌浆过程的进行明显加大,到灌浆中后期达到最大。无论灌浆初期还是中期或中后期,旱地冬小麦产量、水分利用效率与冠层温度均呈极显著的负相关(R2=0.445-0.812),并且随着灌浆期推移,相关性增大,灌浆中后期冠层温度每升高1℃,旱地冬小麦产量减少近280 kg hm-2,水分利用效率下降约0.6 kg hm-2mm-1。灌浆中期以后不同基因型小麦冠层温度保持较高的一致性,冠层温度偏低的品种具有较高的产量和水分利用效率。灌浆中后期的冠层温度在评价小麦产量和水分利用效率上具有较高的可靠性,可作为一个田间选择指标应用。

水稻齐穗期冠层温度分异及其相关特性的研究

在晴昼有水层、晴昼无水层和夜间有水层等不同条件下,通过对水稻不同品种(系)齐穗期茎、叶表面温度和气孔、最终产量等性状的观测,研究了水稻冠层温度的分异及其相关特性。结果表明:不同基因型品种存在着较为明显的温度分异现象,在不同天气和土壤水分状态下,水稻冠温均表现为差异显著的3种类型—暖温型、冷温型和中间型。在晴昼有水层条件下,暖温型与冷温型冠温相差幅度为0.1～2.3℃;在晴昼无水层情况下,冠温相差幅度为0～6.7℃,在夜间有水层条件下,冠温相差幅度为0～1.4℃。总体上看,有水层的冠温普遍低于无水层的冠温,夜间的冠温均低于白昼的冠温。与冷温型水稻相比,暖温型水稻的气孔长度和气孔宽度较大,而气孔密度较小,蒸腾速率较低,中间型水稻介于两者之间。暖温型材料产量高于冷温型材料,但没达到显著差异,且各产量构成因素差异没有明显规律。冷温型水稻糙米率、精米率和直链淀粉含量较高,垩白度和垩白率较低,碾米品质和外观品质较优,但其他稻米品质差异没有明显规律性。

施肥对小麦冠层温度的影响及其与生物学性状的关联

利用红外测温仪等研究了不同施肥处理对小麦冠层温度的影响。结果表明 :不同施肥处理可改变小麦基因型的冠层温度 ,对于同一基因型品种 ,养分胁迫越严重 ,冠层温度越高 ;籽粒灌浆期旗叶叶绿素含量、可溶性蛋白质含量、蒸腾速率、净光合速率及一些农艺性状与冠层温度呈显著负相关。这表明 ,优良的生物学性状和较低的冠层温度相联系 ,冠层温度的高低可能成为反映水。

不同基因型冬小麦冠层温度与产量性状的关系

为分析小麦冠层温度与产量性状的关系,选用55个不同基因型冬小麦品种(系),在灌溉条件下研究了不同冬小麦基因型产量性状、冠层温度差异及二者的相关性。结果表明,基因型间冬小麦的冠层温度在开花期、花后7 d、花后21 d和花后28 d均存在极显著差异。除花后21 d外,不同测量时期在重复间也均有极显著差异。开花期和花后21 d的冠层温度分别与穗数和穗粒数呈显著相关,灌浆期间冠层温度与千粒重呈显著或极显著相关。冠层温度与产量的相关性依次为花后7 d>花后21 d>开花期>花后28 d>花后14 d>抽穗期,其中花后7 d和21 d的冠层温度与产量呈极显著相关(P<0.01)。冠层温度在灌浆中后期持续偏低与冬小麦绿叶功能和衰老机制的延缓有密切关系,可用于鉴定冬小麦产量潜力。

干旱条件下小麦冠层温度及其性状的关联研究

通过对小麦冠层温度和有关性状的长期观测,发现自然界存在冠层温度持续偏低的小麦,在干旱条件下,它的叶片功能期、叶绿素含量、蒸腾速率、净光合速率、可溶性蛋白含量和超氧化物歧化酶活性等重要性状明显优于冠层温度持续偏高的小麦品种,且丙二醛(MDA)积累速度慢,在籽粒灌浆期表现尤为明显。冷型小麦表现出干旱胁迫下仍然具有代谢功能较好、活力旺盛和抗早衰能力较强的特征,这进一步拓展了冷型小麦的应用范围,对于加速适应于干旱条件的优良品种选育并将其推向生产具有十分重要的意义。

不同水分处理下冬小麦冠层温度、叶片水势和水分利用效率的变化及相关关系

小区栽培冬小麦,设计5种程度的干旱胁迫,利用防雨棚分别控制土壤重量含水量为田间持水量的45%、55%、65%、70%、80%,观测不同水分处理下冬小麦冠层温度、叶片水势和水分利用效率的变化及相关关系。结果显示,随着含水量的增加,各处理的平均和最高冠层温度整体呈下降趋势,叶水势和蒸腾速率呈上升趋势,在小麦抽穗期干旱胁迫最严重处理表现出最大水分利用效率,开花期的水分利用效率较抽穗期整体下降了50.70%;相关分析表明,抽穗期小麦的冠层温度与空气饱和差极显著正相关(P<0.01),开花期的冠层温度和叶水势呈显著负相关(P<0.05),冠层温度和空气饱和差存在着极显著正相关,空气饱和差和蒸腾速率极显著负相关,冠层温度和水分利用效率有着显著的正相关性。综上所述,冠层温度在小麦抽穗和开花期完全可以作为作物水分状况的有效监测指标之一。

基于冠层温度和土壤墒情的实时监测与灌溉决策系统

设计了一个可以在线连续监测田间作物冠层温度、环境信息和土壤墒情的实时灌溉决策系统,并将其安装于农田进行了1 a实际运行和观测。系统采用太阳能供电和微处理器进行数据采集和管理,为野外的实际应用提供了保障。系统配置了红外温度、空气温/湿度、土壤水分/水势等传感器,能够及时采集田间全面的同步数据,排除了异地观测所形成的数据误差。采用悬臂式多点采集下垫面红外温度检测方法,可以快速采集更多和更高精度的数据,避免单点测量的人为误差。系统配备的快速锁紧装置,能够根据下垫面作物的生长情况进行传感器位置高度调节,使检测数据更符合田间实际情况。通过运行管理和监测数据分析可见,所监测数据能够很精细的刻画田间作物实际生长状况,可以用于灌区综合灌溉决策,实现田间精量灌溉管理和控制,为灌溉管理的精量化和智能化提供数据支持。

基于冠层温度的作物缺水研究进展

冠层温度信息可以很好地反映作物的水分状况。自 2 0世纪 70年代以来 ,基于冠层温度的作物缺水指标的研究经历了三个阶段 ,即单纯研究冠层温度本身变化特征的第一阶段、以冠层能量平衡原理为基础的作物水分胁迫指数的第二阶段和考虑冠层和土壤的复合温度的水分亏缺指数的第三阶段。指标的发展也由使用手持式红外辐射仪信息扩大到使用航空和卫星遥感信息。这一类指标在点和区域尺度上均可应用。加强这一类指标的研究对于我国北方地区农作物的有效灌溉和区域水资源的管理都有重要意义。

冠层温度多态性小麦的性状特征

冷型小麦的冠层温度 (体温 )和对照品种相比具有持续偏低 (或相当 )的特征 ,暖型小麦的冠层温度则具有持续偏高的特征。一般小麦材料和生产上使用的大多数品种与上述特征有异 ,其冠层温度突出地表现为多态性 ,即有的年份温度高低不一 ,有明显波动 ;有的年份温度持续偏低 ,似冷型小麦 ;有的年份温度持续偏高 ,似暖型小麦。与此类小麦的温度多态性相伴随 ,其它一些重要性状也有较明显的多态性表现 ,即在环境优良、环境指数较高时 ,它们的叶片功能期、蒸腾速率、净光合速率和籽粒饱满指数等重要性状趋向于代谢功能较好的冷型小麦 ;在环境恶劣、环境指数较低时 ,它们的上述性状则趋向于代谢功能较差的暖型小麦。这类小麦性状随环境条件的明显摆动构成了长期以来小麦产量不稳的生态生理基础。欲使小麦产量稳步上升 ,转换小麦温度型 ,逐步实现品种冷性化是条有希望的途径。

冬小麦遥感冠层温度监测土壤含水量的试验研究

在冬小麦主要生育期(2002年4月初到5月底),对不灌溉的冬小麦测定了冠层温度、地温、气温以及土壤含水量,计算了冠气温差且分析了冠层温度和冠气温差与不同土层厚度的土壤含水量相关关系。结果表明:14∶00的冠层温度能较好地反映20cm土层的土壤含水量变化,但与其它各土层相关性有较大的波动性;14∶00的冠气温差能较好地反映40cm以上土层的土壤含水量变化,二者的相关性很高,在20cm、40cm土层,两者相关系数R2分别为0 98866、0 99389,这为用区域遥感数据反演主要生育期冬小麦的冠气温差进而监测区域40cm土壤含水量提供了实验性的依据;拔节期和灌浆期,用14∶00冠气温差来拟合各土壤层的土壤含水量有较高的精度,从而为用区域遥感数据监测区域土壤含水量提供了经验性的模型。

基于冠层温度的菜心缺水指数模型初步试验研究(英文)

以柳叶菜心为研究对象 ,测试了不同干旱条件下的土壤含水量、空气温湿度和冠层温度等参数 ,确定了作物缺水指数经验模型的参数 ,并针对太阳辐射强度对模型做了改进。研制了蔬菜旱情检测系统 ,利用红外测温仪、土壤含水量传感器等 ,可以实时测得田间作物的水分亏缺状态 ,为同类研究提供了测试手段和数据分析方法。