基于图像的玉米叶倾角提取算法与应用研究

叶倾角是玉米冠层的重要特征,群体合理的叶倾角分布,对提高光能利用率和生产潜力有重要意义。基于灰度化、直方图均衡化、中值滤波、Otsu分割、形态学操作、连通区识别和骨架化等数字图像处理技术,提出使用Freeman链码识别植株茎叶连接点,进而提取玉米叶倾角的算法。结果表明,Freeman链码对叶尖点识别率为94.47%,对茎叶连接点的识别率为93.94%,叶倾角的实测值与计算值的相关系数r=0.94,实现了叶倾角的高效、准确提取。玉米叶倾角表现为随着叶位的降低而降低,不同层位叶倾角随着归一化植被指数(NDVI)的增大而增大。

基于优化PROSAIL叶倾角分布函数的玉米LAI反演方法

叶面积指数(LAI)是描述玉米冠层结构的重要参数之一,PROSAIL模型是常用于反演LAI的机理模型,能较为真实地反演植被冠层真实情况,但PROSAIL模型中使用的叶倾角分布函数假定区域内所有作物叶倾角分布是相同的,不能反映玉米植株真实的叶倾角分布情况。本研究以高分一号遥感影像和地基激光雷达点云数据作为数据源,充分利用地基激光雷达(TLS)在获取植被结构参数上的优势,通过体素化的方法对玉米叶片回波点云进行分割,获取每个拟合叶片单元的叶倾角,进而得到玉米植株真实的叶倾角分布,结合椭球分布函数得到玉米精确的叶倾角分布函数,实现对PROSAIL模型中叶倾角分布函数的优化。研究过程中分别基于未改进的PROSAIL模型和经过TLS优化后的PROSAIL模型反演黑龙江825农场主要玉米种植区的LAI。LAI反演结果表明:2种反演方法得到的LAI与实测LAI都具有较好的相关性,决定系数R2分别为0.557 6和0.858 3,模型可信度较高;但基于PROSAIL模型反演所得LAI结果偏低,在利用TLS数据提取叶倾角对模型进行优化后,反演LAI的估算精度由26.53%提高到96.23%。由此可知,通过引入TLS点云数据改进农作物叶倾角分布函数能大幅度提高LAI反演的准确性。

不同株型水稻叶倾角群体分布的模拟

以株型因子为参数,建立了不同株型品种水稻叶倾角分布模型。对该模型进行验证,模拟值与实测值的1∶1回归直线的R2和RMSE分别为0.9472和3.93%。用本模型对3种株型、6个冠层高度和7个生长期的水稻冠层叶倾角分布的模拟结果表明,3种株型水稻叶倾角分布不同,紧凑株型的两优培九叶倾角较大,叶片挺立;松散株型的汕优63叶倾角最小,叶片披垂;中间型两优Y06介于两者中间,与实际观察结果一致。同一品种7个生长期叶倾角分布不同,从分蘖期到孕穗期,冠层叶倾角逐渐变大,叶片逐渐挺立;从孕穗期到成熟期,两优培九叶倾角变化不明显,汕优63和两优Y06则逐渐变小,叶片逐渐披散,其中,汕优63尤为明显。同一品种相同生长期的6个冠层高度叶倾角分布不同,随着冠层高度增加,3个品种的分层LAI均减小,两优培九叶倾角变化不大,汕优63逐渐增大,两优Y06逐渐减小。试验证明该模型具有良好实用性。

基于椭球函数的棉花叶倾角分布动态模拟

根据试验资料,在系统分析棉花冠层叶倾角时空分布规律的基础上,将整个生育期分为4个生长阶段,并利用高斯五点距离法将冠层分为5层,用椭球分布函数模拟不同生育阶段、不同高度层上的叶倾角分布密度。模型能较全面地反映整个生育期冠层不同高度上的叶倾角分布情况,且方便用于分层的光合作用模型。利用不同播期的试验资料对模型进行验证,叶倾角频率分布的模拟结果与1∶1直线之间的决定系数R2和均方根误差(RMSE)分别为0.945和6.3%,表明模型具有较好的预测性和实用性。

椭圆分布函数模拟水稻冠层叶倾角分布

利用双参数椭圆分布函数,结合Powell法寻优,对水稻冠层叶倾角分布进行模拟,并与实测值进行比较,取得了较为满意的结果.

基于地基激光雷达的叶倾角分布升尺度方法研究

地基激光雷达因其具有穿透力强,能够提取植被冠层三维结构信息的优势,是提取植被叶倾角分布(Leaf angle distribution,LAD)的理想数据源,因此将地基激光雷达数据与遥感影像结合获取大尺度叶倾角分布结果颇具潜力。以河北省保定市北部4个县为研究区,利用10个玉米样地的地基激光雷达数据提取叶倾角分布结果,使用主成分正变换提取玉米实测叶倾角分布数据中信息量最大的前3个主成分,再利用神经网络模型对所提取的主成分与Landsat8反射率数据结合建立关系模型,然后将训练好的模型应用于整个研究区进行升尺度转换,最后通过主成分逆变换,得到升尺度后平均叶倾角(Mean tilt angle,MTA)结果。对升尺度后LAD与实测LAD及升尺度后MTA与实测MTA进行交叉验证,结果表明,升尺度MTA与实测MTA的验证精度(R2)为0.786 2,均方根误差(RMSE)为3.04°。该结果表明,使用提取主成分方法建立光谱数据与叶倾角分布的关系模型从而达到升尺度转换的目的具有可行性,模拟精度较高,且误差较小。

基于光谱指数的不同叶倾角分布下玉米冠层叶绿素含量反演

遥感是开展地面/近地面、航空及航天层次无损伤探测植物叶绿素信息的主要手段。目前多波段计算光谱指数方法已被广泛地应用于植被冠层叶绿素含量的经验/半经验反演及应用中。考虑不同作物及同种作物不同品种间存在着一定的植被叶倾角分布(LAD)特征差异,针对叶倾角分布对光谱指数反演冠层叶绿素含量(CCC)的影响进行分析,并开展针对叶倾角分布变化不敏感的叶绿素相关光谱指数优选和冠层叶绿素反演建模研究。基于PROSAIL辐射传输模型模拟了不同叶片叶绿素含量(LCC)、叶面积指数(LAI)和LAD对应的冠层反射率数据。模拟结果显示,在相同LAI和LCC条件下,不同LAD对应的冠层反射率有明显差异,冠层反射率随着平均叶倾角的增加而降低。通过计算12个常用的叶绿素相关光谱指数与CCC的相关性指标,来评估光谱指数在不同LAD下反演叶绿素含量的敏感性差异,并依次优选出MTCI,MNDVI8,MNDVI1和CIred-edge4个对LAD变化较不敏感的叶绿素相关光谱指数。利用玉米实测数据对光谱指数进行冠层叶绿素估测的建模和模型检验,模型的建立和验证结果显示,MNDVI8对LAD变化最不敏感,反演模型的精度最高,决定系数R^2=0.70,均方根误差RMSE=22.47μg·cm^-2。CIred-edge(R^2=0.63,RMSE=24.06μg·cm^-2),MNDVI(R^2=0.66,RMSE=24.07μg·cm^-2)和MTCI(R^2=0.65,RMSE=26.76μg·cm^-2)反演模型的精度较为接近并稍弱于MNDVI8。通过对反演结果分析得出结论,不同的光谱指数对LAD变化的敏感性不同,优选的光谱指数普遍对叶绿素含量具有较好的相关性和敏感性,其中MNDVI8受LAD影响最小,能较高精度的反演LAD变化下的玉米冠层叶绿素含量。优选的其他光谱指数MTCI,CIred-edge和MNDVI1反演能力虽然稍弱于MNDVI8,但受LAD影响较小,同样具有较好的反演能力。该工作开展LAD对光谱指数叶绿素反演的敏感性分析和光谱指数优选研究,其实测数据的检验结果和模拟数据的分析结果一致;基于优选光谱指数的冠层叶绿素含量反演建模结果及精度分析结论,对开展缺乏叶倾角分布差异先验知识下的大范围作物叶绿素含量遥感估测和应用具有借鉴意义。

叶倾角对阔叶树生长特性和产量的影响初报

阔叶树树种叶倾角的大小直接影响树木的生长量与产量,对树高、胸径、材积的影响较为突出。木材产量的积累随叶倾角的减小而增加,叶片越直立其叶倾角越小,叶片较直立的品种的木材产量大于叶片斜生或平展的品种。不同树冠的上层和下层,叶倾角不尽相同,叶倾角的大小与树高,胸径存在着一定的相关性,叶倾角小的生长较快,叶倾角大的生长较慢。

作物叶面积指数和叶倾角分布函数的一种推算方法

设计了一种由作物冠层的辐射分布推算作物叶面积指数（ＬＡＩ）和叶倾角分布函数的方法。根据作物冠层中太阳光斑密度与群体结构关系的数学表达式，ＬＡＩ及其在各个叶倾角区间的分布可由不同太阳高度角时冠层内的光斑密度进行估计，而后者可通过观测冠层中的太阳总辐射和散射辐射的分布进行计算。因此，由容易测得的冠层总辐射的透过率，应用与多元回归分析类似的简单方法，就可以估算出难以直接测量的ＬＡＩ和叶倾角分布函数。用对玉米和油菜进行的实测检验结果表明，推算精度可以满足实际应用的需要。

水稻叶倾角分子机制及育种应用的研究进展

水稻叶倾角是指叶片与茎秆之间的夹角,叶倾角影响叶片光合作用速率,与株型和产量密切相关,如直立叶片就是水稻理想株型形态因素之一。叶倾角的大小受到多种植物激素的调控,是油菜素内酯、生长素、赤霉素、茉莉酸等多种激素相互作用的结果,另外,其他因素如根系分布、叶片大小、生长环境等也会对水稻叶倾角大小产生一定的影响。本文根据水稻叶倾角的研究进展,着重从叶枕的发育、激素水平及其他因素等方面,对水稻叶倾角的分子机制及其在育种中的应用进行阐述与总结,以期为水稻株型的分子设计育种提供参考,为进一步提高水稻的产量奠定理论基础。

水稻高群体光合速率品种筛选及其叶倾角特征研究

为研究高光合速率水稻品种(系)顶部3片叶片的叶倾角特征,筛选出群体光合速率高、叶片分布理想的65个常规粳稻种质材料,在大田试验条件下,研究了不同基因型水稻品种(系)灌浆期群体光合速率及剑叶、顶二叶和顶三叶叶倾角的差异。结果表明,65个常规粳稻品种(系)灌浆期群体光合速率可分为7大类群。各类群平均群体光合速率表现为第Ⅵ和Ⅳ类群水稻品种(系)群体光合速率最高,第Ⅱ类群水稻品种(系)群体光合速率最低;不同类群品种(系)剑叶、顶二叶和顶三叶叶倾角存在差异,具体表现为剑叶:Ⅴ>Ⅶ>Ⅲ>Ⅱ>Ⅵ>Ⅰ>Ⅳ,顶二叶:Ⅴ>Ⅲ>Ⅰ>Ⅱ>Ⅶ>Ⅳ>Ⅵ,顶三叶:Ⅵ>Ⅶ>Ⅰ>Ⅳ>Ⅲ>Ⅴ>Ⅱ。在抽穗后5~10 d,第Ⅳ类群叶倾角大小表现为顶三叶>剑叶>顶二叶,第Ⅵ类群为剑叶>顶三叶>顶二叶;抽穗后10~21 d第Ⅳ类群叶倾角大小表现为剑叶>顶二叶>顶三叶,第Ⅵ类群为顶三叶>顶二叶>剑叶;抽穗后21~28 d第Ⅳ,Ⅵ类群叶倾角大小均表现为剑叶>顶三叶>顶二叶。综合上述结果,筛选出第Ⅳ类群品种(系)香宝3号、R 8018和838-1,第Ⅵ类群品种(系)早丰9号、金世纪和泗稻9号6个品种(系)为株型合理和高群体光合速率品种。

基于图像的玉米植株叶倾角概率密度分布函数提取

叶倾角是描述植被冠层结构的一种重要参数,叶倾角分布(leaf angle distribution,LAD)决定了植被冠层对辐射的截获量,也是遥感定量反演中的一个重要参数。目前实测叶倾角的方法费时、费力、主观性强、精度无法保证。提出了一种基于图像的玉米植株叶倾角概率密度函数提取方法,以求快速、精确、低成本地获取玉米植株叶倾角。首先,对图像提取骨架;然后,去除骨架图像中的毛刺、茎秆等信息,得到叶片骨架;最后,以2像素×20像素大小的搜索窗口搜索骨架提取出叶倾角。精度评价结果表明,乳熟期玉米叶倾角提取值与实测值的相关系数为0. 821 4,拔节期玉米叶倾角提取值与实测值相关系数为0. 908 7。结果表明该方法具有可行性,精度较高。

小麦叶倾角遗传的初步研究

选用叶片形态差异悬殊的 1 0个小麦品种 (系 ) ,研究了上三叶倾角的遗传参数及与其它性状的遗传相关。结果表明 :小麦旗叶倾角的遗传变异系数、广义遗传力和相对遗传进度较高 ,选择效果较好 ;旗叶基角与倒二叶、倒三叶基角的表型和遗传相关均达极显著水平 ,倒二叶披垂度与倒三叶披垂度也表现为极显著的正相关 ,讨论了高产品种应具备的叶片形态。

手持式激光雷达观测玉兰物候期叶倾角变化

针对植物叶倾角研究中数据测量不够精确、数据获取费时费力的问题,文章探究了手持式激光雷达研究叶倾角的可行性。利用手持式激光雷达分别对不同月份玉兰树进行扫描,并提取叶倾角数据,探讨了玉兰树冠不同高度层叶倾角在不同生长期的变化规律以及相同叶倾角由于上倾下倾朝向不同造成的差异结果。为验证测量精度,设计了以带臂量角器和铅垂线组成的手工测量工具,并与激光雷达测量结果进行了比较,结果显示二者具有较好的一致性,平均叶倾角相差2.8°。本研究证实了手持式激光雷达观测叶倾角变化的可行性,为进一步研究不同植物叶倾角信息提供技术支撑和方法参考。

秣食豆播期和混播比例对玉米叶倾角的影响

为了探讨混播栽培条件下,秣食豆播种时期与比例对玉米生产机能影响的机理,进一步研究混作方式下的光合性能,为提高作物混作栽培利用与生长特性提供有力依据,于2011年和2019年在内蒙古民族大学试验农场,将秣食豆与饲用型玉米科多8按0∶1、1∶1、2∶1、3∶1混播比例和5月10日、6月11日2个播种时期进行混播,分析研究秣食豆混播时期和比例对玉米叶倾角的影响。结果表明,秣食豆播期对玉米叶倾角无显著影响;混播比例对玉米叶倾角影响显著,叶倾角均表现出随混播比例的增加而增大,混作的叶倾角均高于单作玉米的趋势;播种时期与比例互作显著,从大喇叭口期、抽雄期、吐丝期和灌浆期4个玉米生育期来看,均表现为单作下叶倾角最小,混播3株秣食豆的玉米叶倾角最大,下层叶叶倾角均大于上层叶叶倾角。

垂直百叶倾角影响室内自然通风的模拟分析

自然通风作为一种生态建筑技术,相对于机械通风来说,既可以满足人们一定的舒适性要求,同时也可以降低能耗,创造可持续发展的绿色建筑环境。在以往研究的基础上,本文以垂直百叶遮阳百叶倾角为研究对象,采用PHOENICS软件对室内自然通风进行模拟分析。结果表明,随着百叶倾角θ从15°到165°的增大,室内各点风速呈波形变化,且波峰值与波谷值差值逐渐变小;当θ=90°时,即来流风风向与垂直百叶呈45°夹角时,室内涡流区域面积最小,气流组织均匀性最好。

叶倾角分布对离散冠层反射率的影响

叶倾角分布(leaf angle distribution,LAD)是植被冠层最重要的结构参数之一,直接决定冠层对太阳辐射的截获量,进而影响植被冠层在不同波段的反射率。相比基于实测数据开展的研究,计算机模型模拟能够较好地排除扰动因子的影响,实现特定冠层结构参数对冠层反射率的影响研究。文章基于DART(discrete anisotropic radiative transfer)模型,研究LAD对离散冠层多角度反射率的影响。结果表明,LAD对冠层反射率影响较大,且影响程度与模拟波段和观测天顶角等有密切关系。在“暗点”方向,近红外波段和红光波段水平分布的冠层反射率分别比喜直型分布冠层反射率高63%和25%。进一步研究发现,LAD对常见植被指数也有较大影响。当观测天顶角为0°时,水平分布的RVI(ratio vegetation index)、EVI(enhanced vegetation index)和NDVI(normalized difference vegetation index)值分别比喜直型分布对应的数值高52%、52%和13%;相比之下,PRI(photochemical reflectance index)对LAD变化的敏感度较低,但当在前向散射方向观测天顶角大于20°时,LAD对PRI的影响同样不容忽视。文章定量分析了不同LAD对冠层反射率及常见植被指数的影响,研究结果对离散冠层的参数反演有重要意义。

议叶倾角对阔叶树生长特性和产量的影响

叶倾角的大小,对于阔叶树的产量与生长特性具有重要的影响,主要是对其胸径、树高和材积的影响。通常,叶倾角减少则产量增加,叶倾角增加则产量减少,叶片较直立品种产量超过叶片斜或者平展品种。树冠的上层、下层,叶倾角不同,与树高、胸径也具有一定的关系。

基于Campbell椭球分布函数的大兴安岭地区主要树种叶倾角分布模拟

叶倾角分布(LAD)直接决定着植被冠层对辐射的截获量,同时对入射太阳辐射的大小与走向也起着决定性作用,是定量遥感中的关键参数.本研究基于Campbell椭球分布函数和迭代方法拟合大兴安岭林区主要树种的LAD,定量分析冠层叶片分层与不分层时模型的拟合情况及不同龄组对LAD的影响.结果表明:大兴安岭地区6种主要树种的LAD均属于横椭球分布,针叶树的平均叶倾角小于阔叶树;无论对叶片分层处理与否,模型拟合叶倾角的结果与实测结果基本一致;白桦和落叶松的拟合结果与实测结果线性回归的相关系数分别是0.8268、0.8192,均方根误差分别是3.7%、4.3%,说明Campbell模型应用于森林冠层是可靠的;考虑龄组的影响时,虽然分层处理时叶倾角的分布趋势与龄组无关,但幼龄落叶松的平均叶倾角小于成熟落叶松,表明龄组对叶倾角分布取值有正向影响,而对消光系数取值有负向影响.

基于植物冠层分析仪单线多角度测量的叶面积指数与叶倾角分布关系

叶面积指数(LAI)和叶倾角分布(LAD)作为研究植被冠层结构的重要参数,二者间存在一定的定量关系。以白桦(Betula platyphylla)纯林为研究对象,基于单线多角度观测结果、Norman和Campbell线性最小二乘反演技术(NC技术)以及Compbell模型三者结合,分析LAI和LAD间的定量关系。NC技术能很好地反演叶倾角分布,对实测的叶倾角分布的解释能力达90%以上;根据NC技术计算得到的叶倾角概率密度较实际偏大,Campbell模型模拟结果则偏小,尤其在[0°,10°]区间内;2种技术存在一种互补关系,而2种技术计算得到的结果取平均时,对实测叶倾角分布的解释能力得到一定提高,达96%以上;此外,多角度测量中利用NC技术反演时,叶倾角分布区间个数一般以取观测太阳天顶角个数的1/2为最佳。本研究为LAI和LAD的间接测量提供了方法,同时为大范围的LAI测量提供了验证手段,也为定量遥感模型参数优化提供了理论依据。