基于CWSI的汾河流域干旱时空变化特征

基于MOD16数据,计算作物缺水指数(Crop Water Stress Index,CWSI),结合汾河流域气象站点数据、植被指数数据和土地利用数据,采用差值法、线性趋势法和相关分析法,分析汾河流域2000—2021年干旱时空变化特征。结果表明:(1)CWSI能有效监测汾河流域旱情,其与10 cm土壤相对湿度呈显著负相关。(2)汾河流域CWSI空间分布差异明显,呈现出南湿北旱的特点。(3)汾河流域CWSI年际变化较为平稳,而月变化波动较大,5月CWSI达到年内峰值。(4)汾河流域不同生长期内干旱情况差异显著,生长季前期(4—5月)特旱区占汾河流域总面积的48.55%;生长季中期(6—8月)基本全域无旱;生长季后期(9—10月),仅11.17%的地区发生干旱。(5)不同土地利用类型干旱程度不同,CWSI从小到大依次为:林地(0.686)<草地(0.749)<耕地(0.751)<未利用地(0.758)<城镇(0.765)。本研究结果可为汾河流域旱情监测和抗旱决策的制定提供科学数据支撑。

应用基于红外热画像技术的CWSI简化算法判断作物水分状态

以不同水分处理下的冬小麦为研究对象,通过基于红外测温技术的Jackson理论模式和Jones简化模式分别计算作物水分胁迫指数(CWSI),并以理论模式计算值为参考,对Jones模式反映华北地区冬小麦水分胁迫的表现进行初步分析。结果表明,两种计算模式得出的CWSI值与不同水分处理下的冬小麦根层土壤含水量均有较好的相关性,但Jones模式可更好地指示作物缺水状态,对叶片气孔导度的变化更敏感。根据研究结果初步确定了冬小麦高产条件下的CWSI阈值。本研究显示Jones简化模型能准确反映作物水分状态,并易于实现田间多点观测,可用于准确指导农田灌溉。

作物干旱指数（CWSI）和土壤干旱指数（SWSI）

本文根据邯郸地区的大范围观测资料，对小麦的作物干旱指数（ＣＷＳＩ）和裸地的土壤干旱指数（ＳＷＳＩ）及其与土壤水分的关系进行了研究，并分析了ＣＷＳＩ和ＳＷＳＩ的影响因素和在旱情监测中的实用性。

基于CWSI和土壤水分修正系数的冬小麦田土壤含水量估算

2000年10月～2001年7月在西北农林科技大学灌溉实验站冬小麦田内,进行了利用作物冠层温度定量估算冬小麦田土壤含水量的试验研究。根据水分亏缺条件下作物蒸发蒸腾量计算公式及作物水分胁迫指标(CWSI)的定义,得到了基于CWSI和土壤水分修正系数Ks的不同生育阶段冬小麦田土壤含水量估算公式,其中Ks采用了康绍忠的幂函数形式(KM)及Dooreboos的线性公式(DM)。用该公式对冬小麦田土壤含水量在4个生育阶段进行了估算,并对估算值和实测值进行对比和误差分析。分析结果表明:在出苗越冬期和越冬返青期KM和DM模型对土壤水分的估算偏高,其原因是由于麦田土地裸露导致CWSI观测中出现了较大误差;在返青抽穗开花期和灌浆成熟期KM模型估算冬小麦根层土壤含水量较适宜,误差在15%以内,DM模型误差较大达到30%。

基于CWSI和实际耗水量的膜下滴灌作物需水量研究

通过田间试验,建立了膜下滴灌棉花CWSI和水汽饱和差VPD的定量关系,确定了棉花各生育阶段CWSI下基线的特定表达形式。对膜下滴灌条件下棉花生长发育、光合动态与根系分布规律以及不同水分处理的耗水量、产量与品质指标进行了观测。对不同水分处理棉花的CWSI进行了定期观测,得到了棉花CWSI与棉花耗水量的关系。

基于CWSI诊断温室草皮水分胁迫的实验研究

通过观测夏季温室不同灌溉条件下草皮的冠层温度、气温、大气湿度以及土壤含水量等因素,利用Isdo经验模式确定了冠气温差的下限方程。通过观察不同水分处理条件下草皮CWSI的日变化,得出了利用CWSI诊断草皮水分状况的最佳时机。研究分析了作物水分胁迫指数与其他一些反映作物水分状况的指标,包括土壤含水量、叶片蒸腾速率以及叶片含水量之间的关系,CWSI验理论模式与上述这些指标关系良好,表明其很好地反映了作物的水分胁迫特征。

基于LightGBM的温室番茄冠层CWSI预测模型研究

为研究温室内番茄冠层作物水分胁迫指数(CWSI)问题,通过布设多参数传感器,实时获取温室内外各环境参数。利用灰度关联分析,计算各环境参数与番茄冠层CWSI的关联度,根据关联度对环境参数进行排序,同时考虑对模型精度的影响,最终从9个环境参数中选取7个作为模型输入,建立基于LightGBM的温室番茄冠层CWSI预测模型。结合贝叶斯算法优化其中的关键参数,将模型预测结果与通过Jones经验公式计算出的CWSI做相关性分析,在相同的运算环境下,分别与GBRT和SVR模型对比。试验结果表明,基于贝叶斯优化LightGBM模型的决定系数(R^(2))、平均绝对误差(MAE)、均方根误差(RMSE)和运算时间分别为0.9601、0.0218、0.0314和0.0518 s,与GBRT和SVR模型相比,其R^(2)分别提高2.14%和14.05%,MAE分别降低0.0093和0.0612,RMSE分别降低0.0097和0.0591,时间分别缩短0.0459 s和0.0612 s。表明本研究提出的LightGBM模型性能更有效地提高了温室番茄冠层CWSI的预测精度,为实现温室番茄按需灌溉提供了参考。

基于CWSI的贵州省干旱时空变化特征及影响因素分析

为了促进贵州省农业和生态环境可持续发展,基于作物缺水指数(Crop Water Stress Index,CWSI),结合气象、植被指数等数据,采用Theil-Sen Median趋势分析、Mann-Kendall检验、变异系数和相关性分析等方法,对贵州省2000—2019年的干旱时空变化特征、趋势及影响因素进行了分析。研究表明:(1)贵州省CWSI多年均值为0.43,整体处于轻旱等级,空间分布为东南湿润,西北干旱,多年旱情变化呈缓解趋势;(2)从地貌类型来看,非喀斯特地貌CWSI多年均值为0.37,整体处于无旱等级,喀斯特地貌均值为0.47,处于轻旱状态;(3)从植被类型来看,除针叶林整体处于无旱状态外,其他植被类型都处于轻旱等级,且针叶林的变异系数(CV)值较其他林地高,说明其对气候因子的敏感性高,抗旱能力强;(4)贵州省CWSI与降水和气温均呈负相关,负相关面积占比为95%和54%,说明降水对CWSI的影响较大。综合分析得出,贵州省东南部湿润,西北地区干旱,全省干旱受喀斯特地貌、降水的影响较大。

基于红外热图像的棉花花铃期CWSI与光合参数关系的研究

在新疆生态气候条件下，采用膜下滴灌植棉技术，利用Fluke红外热像仪获取新陆早13号和新陆早33号两棉花品种在1050m3／hm2，2100m3／hm2，4200m3／hm2，5300m3／hm24水平水分处理条件下花铃期冠层红外热图像；应用图像处理技术，提取棉花冠层受光叶片温度，将人工参考湿表面（WARS）的温度运用到Jones（1992）定义的水分胁迫指数（CWSI）的经验公式中，计算CWSI；同时，用LI一6400便携式光合仪测得相应叶片净光合速率（Ph）、气孔导度（Gs）和蒸腾速率（Tr），研究花铃期棉花冠层不同程度水分CWSI与尸n、岱和n的相关性。结果表明，水分胁迫下随砌、岛和开的降低，CWSI升高，CWSI的临界值应在0．37—0．40。水分胁迫与非水分胁迫间，棉花冠层CWSI存在显著性的差异（а=0．05），水分胁迫下CWSI值较高；花铃期CWSl分别与砌、白和n显著负相关（RGcws1-Pn=一0．8533＊＊，Rcws1一Gs=一0．7771＊＊，Rcws1，一Tr=一0．8063＊＊），花铃期CWSI与Pn、岱和乃可同步反映棉花冠层的水分状况。

Comparison between TVDI and CWSI for drought monitoring in the Guanzhong Plain,China

Temperature vegetation dryness index （TVDI） and crop water stress index （CWSI） are two commonly used remote sens- ing-based agricultural drought indicators. This study explored the applicability of monthly moderate resolution imaging spectroradiometer （MODIS） normalized difference vegetation index （NDVI） and land surface temperature （LST） data for agricultural drought monitoring in the Guanzhong Plain, China in 2003. The data were processed using TVDI, calculated by parameterizing the relationship between the MODIS NDVI and LST data. We compared the effectiveness of TVDI against CWSI, derived from the MOD16 products, for drought monitoring. In addition, the surface soil moisture and monthly pre- cipitation were collected and used for verification of the results. Results from the study showed that： （1） drought conditions measured by TVDI and CWSI had a number of similarities, which indicated that both CWSI and TVDI can be used for drought monitoring, although they had some discrepancies in the spatiotemporal characteristics of drought intensity of this region; and （2） both standardized precipitation index （SPI） and SM contents at the depth of 10 and 20 cm had better correlations to CWSI than to TVDI, indicating that there were more statistically significant relationships between CWSI and SPI/SM, and that CWSI is a more reliable indicator for assessing and monitoring droughts in this region.

基于作物水分胁迫指数的表层土壤含水率遥感估算

【目的】探究作物水分胁迫指数(CWSI)与表层土壤含水率的空间分布特征,并分析不同下垫面(葵花、夏玉米、春小麦和甜椒)表层土壤含水率的遥感估算精度。【方法】利用MOD16A2遥感数据和气象数据,结合Penman-Monteith(P-M)模型,基于CWSI反演河套灌区解放闸灌域表层土壤含水率,并对不同下垫面的表层土壤含水率进行验证。【结果】CWSI的空间分布与表层土壤含水率相反,CWSI大的区域,表层土壤含水率小;春小麦下垫面遥感估算的表层土壤含水率效果较好,决定系数(R^(2))为0.748,其次为葵花,R^(2)为0.357;灌溉次数较多的夏玉米和甜椒的表层土壤含水率估算精度较差,可见基于CWSI的表层土壤含水率遥感估算方法对土壤干旱较为敏感。【结论】基于CWSI的表层土壤含水率遥感估算方法更适用于灌水较少且耐旱作物下垫面的表层土壤含水率估算。

基于热红外与可见光图像融合的生菜水分胁迫指数模型研究

为了准确提取作物冠层温度,监测作物水分亏缺状态,以不同水分处理的生菜为研究对象,分别利用手持式热像仪和佳能相机获取生菜的热红外和可见光图像,计算生菜冠层可见光图像与热红外图像的仿射变换参数,并进行配准融合,以获取生菜冠层区域的热红外图像,而后计算不同处理下的基于冠层温度的水分胁迫指数(Crop Water Stress Index, CWSI)与日蒸散量(Evapotranspiration,ET),分析不同灌溉处理下CWSI同ET的相关关系来监测生菜水分亏缺程度。结果表明,基于仿射变换的热红外目标提取方法可以实现生菜冠层的准确提取,剔除背景后生菜冠层的平均温度值由20.25℃下降至19.25℃。不同水分处理下的生菜热红外冠层的CWSI值展示出明显的差异,且CWSI与ET呈显著负相关,当CWSI越大,ET越小,表明CWSI可以应用在生菜水分胁迫状态监测,能够很好的反应土壤水分含量变化状况。

基于冠层温度的夏玉米水分胁迫理论模型的初步研究

该文探讨并建立了适合于中国华北平原夏玉米的作物水分胁迫指数(CW S I)模型。通过对夏玉米的冠层最小阻力、零平面位移和粗糙度进行分生育阶段取值,得到了适合于夏玉米的水分胁迫指数模型。

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。

作物冠层表面温度诊断冬小麦水分胁迫的试验研究

利用红外测温装置能够观测获得作物的冠层表面温度 ,从而诊断作物是否遭受水分胁迫。基于这种技术 ,使用作物水分胁迫指数 CWSI反映我国华北平原地区冬小麦的水分胁迫状况。研究比较了作物水分胁迫指数 CWSI的经验模式和理论模式 ,根据它们的波动特征 ,可以看出用 CWSI经验模式反映华北地区冬小麦水分胁迫不很理想。研究分析了作物水分胁迫指数理论模式与其他一些反映作物水分状况的指标 ,包括叶水势、叶片气孔阻力 ,叶片最大净光合速率以及土壤水分含量之间的关系 ,结果表面理论模式与上述这些指标关系良好 ,表明其很好地反映了作物的水分胁迫特征。该研究给出了适合于我国华北平原地区冬小麦的作物水分胁迫指数计算的主要参数。研究从实际田间应用的可能性出发 。

作物缺水指数新方法的验证

尝试用胶水涂抹叶片制成模拟叶片,在冬小麦主产区之一的河北栾城进行了6种水分处理的冬小麦田间试验,以进一步验证模拟叶片温度法估算CWSI的可行性。结果表明:Tcu(最高冠层温度)与Tp(模拟叶片温度)具有极显著相关性(r=0.977(n=31));由Tp确定的CWSI与由Jackson模式确定的CWSI拟合程度很高(r=0.999(n=123));由Tp确定的CWSI与土壤含水量、叶片水势间也存在相关关系,这些都说明CWSI可用来指示土壤和作物的水分状态。

基于MOD16产品的陕西关中地区干旱时空分布特征

基于MOD16产品,利用作物缺水指数法,结合气象站点观测资料及MOD17植被指数信息,分析了2000—2013年陕西关中地区干旱的时空分布特征。结果表明：基于MOD16产品的作物缺水指数的计算结果与站点土壤相对湿度的变化规律一致,并且两者的相关系数通过了P〈0.001的显著性检验,说明MOD16数据可以用于关中地区干旱的时空变化分析;作物缺水指数的空间分布不均匀,在关中地区的东部和北部值较高,较为干旱,特别是在关中东北部和西安市周边干旱特别严重,作物缺水指数多年平均值在0.795-0.832,达到重旱等级,并且区域内干旱程度呈显著上升趋势;作物缺水指数有明显的年内变化波动,在3—6月及10—11月值最高,作物缺水指数达0.7左右,其中3—6月是重旱和特旱集中发生的时期,而10—11月以轻旱和中旱为主;2000—2013年作物缺水指数在2003年出现最低值（0.65左右）,后逐年升高,在2013年达最高值（0.8左右）;2000—2013年轻旱面积呈减小的趋势,中、特旱呈增加趋势;作物缺水指数与温度、降水及植被的关系密切,高温少雨时,作物缺水指数偏高,干旱容易发生,同时归一化植被指数较低。

不同供水条件下冬小麦冠气温差、叶片水势和水分亏缺指数的变化及其相互关系

为了给以作物高效灌溉制度提供理论依据,对不同供水条件下冬小麦冠层温度进行了多年田间观测,模拟了以土壤水分条件为主导的冠气温差、叶水势、水分亏缺指数等的变化规律及其对影响因素的响应。结果表明,冬小麦各生育阶段不同供水处理冠层温度(T c)受土壤水分影响明显,处理间冠气温差(ΔT)差异极显著。叶水势(LW P)与ΔT、作物水分胁迫指数(CW S I)相关显著。LW P=-1.8M Pa,CW S I=0.40是指示冬小麦发生水分胁迫的关键性指标。综合各指标,为了达到节水目的,使ΔT维持在0^-4℃,可获得冬小麦产量最优值,此时冬小麦灌溉量下限应使土壤相对含水量达到58.7%。

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。

利用红外成像技术的自动树冠温度估计

使用红外热像仪获取待测树冠图像,将树冠的光学图像与之配准,可采用彩色识别技术得到树叶的温度分布。这种处理的成功依赖于红外与光学图像配准,以及树叶区域精确提取的假设。实际上,简单的颜色识别算法无法正常工作。为此,提出了一种新方法来解决温度的估计问题。潜在的树叶温度分布可以认为是两个可分离的温度密度的融合,结合颜色识别与高斯混合分布提取技术来对颜色进行识别。随后采用N-均值方法从估计的树叶温度分布中估计出参考树叶的温度,实验结果证明了算法的有效性。