無人機(jī)熱紅外圖像計(jì)算冠層溫度特征數(shù)診斷棉花水分脅迫

張智韜，邊 江，韓文霆，付秋萍，陳碩博，崔 婷

（1.西北農(nóng)林科技大學(xué)水利與建筑工程學(xué)院旱區(qū)農(nóng)業(yè)水土工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，楊凌 712100；2.中國旱區(qū)節(jié)水農(nóng)業(yè)研究院，楊凌712100；3.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院，烏魯木齊830052）

0 引 言

及時(shí)獲取作物水分脅迫狀況可有效提高農(nóng)業(yè)水資源利用效率，尤其對干旱半干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)來說極其重要。利用熱紅外遙感數(shù)據(jù)診斷作物水分脅迫狀況具有快速和便捷的巨大優(yōu)勢，并成為當(dāng)前研究的熱點(diǎn)問題，國外學(xué)者進(jìn)行廣泛的探討和深入的研究[1-3]，Idso將冠層溫度與大氣溫度之差作為定義水分脅迫指數(shù)（crop water stress index，CWSI）的計(jì)算參數(shù)，由于上下基線的確定使用經(jīng)驗(yàn)法，因此存在地區(qū)使用上的不統(tǒng)一性[4]。隨后，Jackson等[5]進(jìn)一步發(fā)展 Idso經(jīng)驗(yàn)公式，利用冠層能量平衡公式推導(dǎo)出上下基線的理論計(jì)算方法，該公式具有完整的理論依據(jù)，但需要較多的氣象因子，一般氣象站很難收集齊全，在實(shí)際應(yīng)用中受到極大的限制。近期，水分脅迫指數(shù)采用簡化形式，利用干濕參考面確定上下溫度極限值[6-9]，但是干濕參考面的材料選擇會影響水分脅迫指數(shù)的誤差。對于低覆蓋率的作物來說，水分脅迫指數(shù)的另一影響因素則為土壤背景的干擾，為了克服這種困難，Moran 等[10]提出水分虧缺指數(shù)（water deficit index，WDI），利用冠層溫度與植被指數(shù)共同診斷作物水分脅迫狀況。國內(nèi)學(xué)者張振華等[11-12]應(yīng)用熱紅外技術(shù)對干旱研究也取得一定的進(jìn)展。

盡管上述研究對診斷作物水分脅迫取得了一定的成果，但是這些指數(shù)計(jì)算的數(shù)據(jù)獲取具有一定的難度，限制了在農(nóng)業(yè)上的推廣與使用，因此學(xué)者提出使用冠層溫度的變異性診斷作物水分脅迫狀況[13-14]。González-Dugo等[15]研究發(fā)現(xiàn)冠層溫度標(biāo)準(zhǔn)差 σTc與適度水分虧缺處理的棉花水分脅迫指數(shù)CWSI具有線性關(guān)系，而σTc與高水分脅迫的棉花沒有明顯的相關(guān)關(guān)系，由于研究采用衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)，其影像空間分辨率只有2.5 m，因此未能考慮土壤像元對棉花冠層溫度變異性的影響。雖然 Han等[16-17]利用EM算法（expectation-maximization algorithm）模擬玉米冠層溫度的高斯分布規(guī)律，采用 EM 模型結(jié)果將冠層像元與土壤像元分離后計(jì)算冠層溫度標(biāo)準(zhǔn)差（standard deviation of canopy temperature，CTSD），并分析玉米冠層溫度標(biāo)準(zhǔn)差 CTSD對作物水分脅迫的響應(yīng)，但是計(jì)算冠層溫度標(biāo)準(zhǔn)差CTSD的同時(shí)引入了EM算法的模擬誤差，僅對冠層溫度標(biāo)準(zhǔn)差 CTSD進(jìn)行研究，并沒有分析其他可以表征冠層溫度變異性的統(tǒng)計(jì)參數(shù)。而現(xiàn)階段，應(yīng)用 Canny邊緣檢測算法消除土壤背景干擾，對比多種冠層溫度變異性統(tǒng)計(jì)特征數(shù)對作物水分脅迫敏感程度的研究較少。

本文利用低空無人機(jī)遙感平臺獲取高分辨率熱紅外影像，采用 Canny邊緣檢測算法消除熱紅外圖像土壤背景的干擾因素，應(yīng)用溫度直方圖規(guī)律計(jì)算冠層溫度特征數(shù)。同時(shí)研究冠層溫度標(biāo)準(zhǔn)差 CTSD和冠層溫度變異系數(shù)CTCV與棉花生理指標(biāo)、水分脅迫指數(shù)CWSI、土壤含水率（soil volumetric water content，SWC）的相關(guān)關(guān)系，并分析冠層溫度特征數(shù)對診斷棉花水分脅迫的適用性。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)地位于陜西省楊凌示范區(qū)西北農(nóng)林科技大學(xué)中國旱區(qū)節(jié)水農(nóng)業(yè)研究院（108°4′20″E，34°17′42.17″N），海拔525 m，屬于溫帶半干旱半濕潤的大陸性季風(fēng)氣候，年平均降水量640 mm，平均蒸發(fā)量為993.2 mm，土壤質(zhì)地為中壤土，0～1 m的平均田間持水率23%～26%，凋萎含水率8.6%（為質(zhì)量含水率），地下水埋藏較深，地下水向上的補(bǔ)給量可忽略不計(jì)，試驗(yàn)期間平均大氣溫度為35 ℃，天氣晴朗，無降水事件發(fā)生 。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

為了監(jiān)測不同灌溉水平下的棉花根系連續(xù)耗水變化規(guī)律，本文設(shè)計(jì)4個(gè)水分處理小區(qū)I1，I2，I3，I4，分別以50%，65%，80%，95%～100%田間持水量為灌水上限，各處理小區(qū)設(shè)置3個(gè)重復(fù)試驗(yàn)，小區(qū)面積為4 m×5 m，如圖1所示。

圖1 試驗(yàn)地影像Fig.1 Test area image

本研究采用西北農(nóng)林科技大學(xué)農(nóng)學(xué)院培育的西農(nóng)棉1008，于2017年4月19日人工覆膜種植，分別施用磷肥和尿素2 250、375 kg/hm2作為底肥，每小區(qū)播種七行并配有水表，采用滴灌方式灌溉。試驗(yàn)開始前12個(gè)小區(qū)的棉花受到一致的水分脅迫，統(tǒng)一灌水并且滯后效應(yīng)消失后，無人機(jī)搭載熱紅外傳感器于2017年7月11日—7月15日在中午13:00時(shí)連續(xù)獲取5 d的棉花冠層熱紅外圖像，無人機(jī)拍攝高度為15 m，像元分辨率為0.011 m。

1.3 熱紅外圖像的獲取和處理

1.3.1 熱紅外圖像獲取

本研究使用大疆公司研發(fā)的經(jīng)緯600六旋翼無人機(jī)，該無人機(jī)飛行穩(wěn)定，續(xù)航能力長達(dá)40 min，可以承受最大風(fēng)速8 m/s，最大起飛質(zhì)量為15.1 kg，最大上升和水平飛行速度分別為5、18 m/s。熱紅外傳感器為大疆公司禪思 XT熱紅外成像測溫儀，該成像儀使用 FLIR系統(tǒng)的Tau2機(jī)芯，分辨率為640～512像素，視場角32 °H×26 °V，波段范圍 7.5～13.5 μm，溫度測量范圍-25～135 °C，照片可存儲的格式為JPEG(8 bit)/TIFF(14 bit)。使用該無人機(jī)熱紅外系統(tǒng)可以快速全天候的監(jiān)測棉花冠層溫度的變化情況。

1.3.2 熱紅外圖像處理

無人機(jī)熱紅外圖像溫度的校準(zhǔn)利用地面手持測溫儀的實(shí)測溫度為基準(zhǔn)，設(shè)置輻射率為 0.96，即可得到較為精準(zhǔn)的棉花冠層紅外圖像。圖 2為無人機(jī)熱紅外傳感器獲取的棉花熱紅外影像，其中主要包括2～3種像素類型：1）陽光直接照射的土壤（紫色點(diǎn)）、2）陰影土壤（藍(lán)色點(diǎn)）、3）棉花冠層（綠色點(diǎn)），因此熱紅外圖像預(yù)處理需要將圖1中紫色和藍(lán)色點(diǎn)據(jù)的像素剔除，本文利用Canny邊緣檢測算法將干擾背景剔除。Canny邊緣檢測算法可以明顯地識別無人機(jī)高分辨率熱紅外影像冠層邊界像元[18]，首先對無人機(jī)熱紅外影像自定義坐標(biāo)系，利用 Canny邊緣檢測算法獲取棉花冠層邊緣特征圖像；然后應(yīng)用ArcGIS軟件對邊緣特征柵格圖像進(jìn)行柵格轉(zhuǎn)線，閉合線圖層，線轉(zhuǎn)面，得到純冠層的面狀圖層；最后將提取的棉花冠層面狀矢量圖導(dǎo)入ENVI軟件中，裁剪并使用建立掩膜工具和掩膜統(tǒng)計(jì)功能導(dǎo)出純冠層像元的溫度值及像元個(gè)數(shù)，溫度像元頻率，并繪制溫度直方圖計(jì)算溫度統(tǒng)計(jì)特征數(shù)。

圖2 棉花熱紅外影像Fig.2 Cotton thermal infrared images

通過對圖2a的熱紅外影像進(jìn)行像元分離，繪制原始熱紅外圖像和 2種不同像元類型的溫度直方圖，如圖 3所示。

圖3 兩種像元類型的熱紅外影像溫度直方圖Fig.3 Thermal infrared image temperature histogram for two types of pixel types

圖3a為2種像元類型的原始熱紅外影像溫度直方圖，從圖中可以看出，2種像元類型的熱紅外溫度直方圖具有雙峰特點(diǎn)，第一個(gè)峰像元數(shù)多，溫度較低，為冠層像元，而第二個(gè)峰像元少，溫度較高，為土壤像元。圖3b和圖3c分別為棉花冠層與陽光直接照射土壤溫度直方圖，其形狀和位置大小與原始熱紅外影像溫度直方圖比較一致。

圖4a為圖2b 3種像元類型的熱紅外影像對應(yīng)的溫度直方圖。從圖4a可以看出，3種像素物質(zhì)類型分別對應(yīng)溫度直方圖中的 3個(gè)峰，并占有不同的溫度范圍，陽光直接照射土壤溫度最高，其對應(yīng)圖4a中第三個(gè)峰，陰影土壤溫度次之，對應(yīng)第二個(gè)峰，棉花冠層溫度最低，因此對應(yīng)第一個(gè)峰，并占據(jù)最多的像元數(shù)量。圖 4b、4c、4d分別為棉花冠層溫度，陰影土壤溫度與陽光直接照射土壤溫度直方圖，分離后的 3種像素類型溫度直方圖與原始熱紅外溫度直方圖的局部具有極高的相似性。

通過Canny邊緣檢測算法、ArcGIS、ENVI等圖像處理后，可將2種像元及3種像元類型的熱紅外影像分別進(jìn)行像元分離并進(jìn)一步統(tǒng)計(jì)溫度特征數(shù)，Canny邊緣檢測算法直接對無人機(jī)熱紅外影像進(jìn)行分割處理，相比可見光閾值法[17,19]和二值化閾值法[20]更為簡單和準(zhǔn)確。

因此 Canny邊緣檢測算法和熱紅外圖像溫度直方圖規(guī)律是較為可行的處理無人機(jī)熱紅外圖像背景干擾問題的方法。

圖4 三種像元類型的熱紅外圖像溫度直方圖Fig.4 Thermal infrared image temperature histogram for three types of pixel types

1.3.3 水分脅迫指數(shù)CWSI

本研究利用Jones[6]定義的簡化水分脅迫指數(shù)CWSI，如式（1）所示。

式中Tleaf為作物冠層溫度，相同的氣象環(huán)境中Twet和Tdry分別代表冠層溫度的下限和上限，以上參數(shù)單位均為℃。

式（1）中的Twet與Tdry利用自然葉片干濕參考面進(jìn)行觀測，在試驗(yàn)的過程中，往棉花冠層葉片噴水的方式確定Twet，選取棉花冠層生長良好的葉片，正反面涂抹凡士林測定的葉片溫度為Tdry。Twet和Tdry與無人機(jī)拍攝棉花熱紅外圖像同步進(jìn)行觀測。

1.4 觀測指標(biāo)

1.4.1 作物生理指標(biāo)數(shù)據(jù)

棉花葉片的氣孔導(dǎo)度（Gs，moL/(m2·S)）和蒸騰速率（Tr，mmoL/(m2·S))采用美國Licor公司LI-6400便攜式光合儀進(jìn)行測定，每個(gè)水分處理小區(qū)選取代表性較好的3株棉花，倒三葉測定，并重復(fù)3次。

1.4.2 土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)

土壤體積含水率的采集使用北京聯(lián)創(chuàng)思源公司三探頭水分傳感器，分別埋置每個(gè)試驗(yàn)小區(qū)中央15、30、45 cm的土層深度，傳感器探頭有效監(jiān)測半徑10 cm，采集間隔30 min。土壤水分傳感器采集的土壤體積含水率數(shù)據(jù)利用土鉆取土烘干法校準(zhǔn)后作進(jìn)一步的研究分析使用。

2 結(jié)果與分析

2.1 棉花冠層溫度直方圖分析

2.1.1 棉花冠層溫度直方圖規(guī)律

通過對無人機(jī)熱紅外圖像的預(yù)處理，消除土壤背景影響，并繪制不同水分處理的棉花冠層溫度直方圖（圖5）。

從圖 5可以看出，不同水分處理的棉花冠層溫度直方圖整體上呈現(xiàn)單峰的偏態(tài)分布，從統(tǒng)計(jì)學(xué)規(guī)律來看，不同小區(qū)冠層溫度直方圖存在較大的差異。圖5a為水分脅迫嚴(yán)重小區(qū)I1，從圖中可知，I1小區(qū)的冠層溫度變化范圍為29.7～44.0 ℃，極差14.3 ℃，冠層溫度像元最大頻率為0.019，由于冠層溫度直方圖的主要貢獻(xiàn)像元集中在溫度直方圖的前部，并且尾部像元溫度誤差較大，因此本文取冠層溫度直方圖 95%的累計(jì)像元為小區(qū)有效溫度像元取值，由圖5a可知，I1小區(qū)的有效溫度區(qū)間為29.7～36.0 ℃。圖5b為I2小區(qū)的冠層溫度直方圖，其溫度像元變化范圍為28.5～40.0℃，極差為11.5℃，溫度像元最大頻率為0.02，冠層有效溫度范圍為28.5～34.8 ℃，冠層溫度的變異性小于I1小區(qū)。由圖5c可得，I3小區(qū)的冠層溫度范圍為29.1～38.5 ℃，極差9.4 ℃，溫度像元最大頻率為 0.024，冠層有效溫度范圍為 29.1～34.4 ℃。圖5d為充分灌溉對照組I4小區(qū)，其冠層溫度的變化范圍最小，溫度像元的最大頻率達(dá)到0.026，冠層有效溫度范圍為 27.8～31.0 ℃，而冠層溫度像元主要集中在較低的溫度范圍，并且溫度的離散性小。

圖5 不同處理小區(qū)棉花冠層溫度直方圖Fig.5 Different treatment plots cotton canopy temperature histogram

2.1.2 棉花冠層溫度直方圖特征數(shù)分析

通過對冠層溫度直方圖作基本統(tǒng)計(jì)分析即可得到冠層溫度特征數(shù)：冠層溫度標(biāo)準(zhǔn)差 CTSD表征無人機(jī)熱紅外影像采集的試驗(yàn)小區(qū)冠層像元溫度的離散程度大小，冠層溫度變異系數(shù)CTCV表示冠層像元溫度離散程度的無量綱數(shù)值，冠層溫度最大頻率為試驗(yàn)小區(qū)冠層相同溫度像元個(gè)數(shù)最多的頻率，冠層溫度極差表示試驗(yàn)小區(qū)最大溫度與最小溫度之差。圖 6為不同水分處理小區(qū)的有效冠層溫度區(qū)間、CTSD、CTCV、冠層溫度最大頻率以及冠層溫度極差的變化趨勢。

如圖6a所示，不同小區(qū)冠層有效溫度范圍存在較大的差異，I1小區(qū)的冠層溫度區(qū)間較寬，并且冠層溫度高，I4小區(qū)的有效冠層溫度區(qū)間窄，冠層溫度較低，而 I2與I3小區(qū)的有效冠層溫度范圍也具有明顯的差異性，其變化趨勢介于 I1與I4小區(qū)之間。隨著水分脅迫的減弱，棉花冠層溫度逐漸減小，有效冠層溫度的區(qū)間變窄，因此水分脅迫越強(qiáng)，棉花冠層溫度的差異性越大，冠層溫度的離散程度也越強(qiáng)。

由圖6b可知，I1、I2、I3、I4小區(qū)的棉花冠層溫度標(biāo)準(zhǔn)差CTSD分別為 5.6、3.6、3.3、2.3，4個(gè)水分處理小區(qū)冠層溫度具有較好的差異性，I1、I2、I3、I4小區(qū)的棉花冠層溫度變異系數(shù)CTCV分別為0.168、0.111、0.103、0.101，I1小區(qū)的冠層溫度變異系數(shù)CTCV明顯高于I2、I3和I4小區(qū)的冠層溫度變異系數(shù)，從不同小區(qū)水分脅迫的趨勢來看，CTCV也可以說明不同水分處理小區(qū)冠層溫度存在差別，并與水分脅迫強(qiáng)度呈正比關(guān)系。

圖6 不同水分處理小區(qū)的統(tǒng)計(jì)參數(shù)Fig.6 Statistical parameters of different treatment plots

圖6c表明，不同小區(qū)冠層溫度直方圖的最大像元頻 率關(guān)系為I4＞I3＞I2＞I1，可知I4小區(qū)冠層溫度像元的數(shù)量最多，而I1小區(qū)的冠層溫度像元最少，4種水分脅迫處理形成不同覆蓋度的棉花冠層，因此棉花冠層像元數(shù)量隨水分脅迫的增加而遞減。圖6d中，4個(gè)水分處理小區(qū)的極差大小關(guān)系為 I1＞I2＞I3＞I4，I1為水分嚴(yán)重虧缺小區(qū)，I1小區(qū)的棉花冠層表面受陽光直接照射的葉片溫度是 4個(gè)水分處理最高的小區(qū)，而棉花冠層下部陰影葉片的溫度小于陽光直接照射葉片的溫度，因此 I1小區(qū)冠層溫度直方圖的溫度范圍變化大，溫度的變異性也大。I4小區(qū)為充分灌溉對照組，該小區(qū)處于充分供水狀態(tài)，棉花冠層頂部受陽光照射的葉片溫度小于其他水分處理的葉片溫度，而下部的冠層陰影葉片溫度同樣較低，溫度的離散性相對較小。

通過以上分析，無人機(jī)熱紅外圖像獲取的不同水分脅迫棉花冠層溫度具有顯著性的差異，隨著水分脅迫的減弱，冠層溫度有效區(qū)間變窄，冠層溫度降低，CTSD、CTCV、冠層溫度極差明顯減小，冠層溫度最大頻率上升。因此，冠層溫度的離散程度（本文選取的統(tǒng)計(jì)學(xué)特征數(shù)有標(biāo)準(zhǔn)差SD，變異系數(shù)CV）與作物水分脅迫具有較強(qiáng)規(guī)律性。

2.2 冠層溫度特征數(shù)的變化趨勢

利用每天13:00無人機(jī)采集的棉花熱紅外圖像，消除土壤背景影響然后計(jì)算不同水分處理小區(qū)的棉花冠層溫度標(biāo)準(zhǔn)差CTSD和冠層溫度變異系數(shù)CTCV，圖7為冠層溫度特征數(shù)CTSD與CTCV的變化趨勢。

圖7 棉花冠層溫度特征數(shù)變化趨勢Fig.7 Variation trend of cotton canopy temperature characteristics

圖7a為4個(gè)水分處理小區(qū)的冠層溫度標(biāo)準(zhǔn)差CTSD變化趨勢圖，從圖7a中可知，隨著小區(qū)灌水后日期的推移，4個(gè)處理小區(qū)的棉花冠層溫度標(biāo)準(zhǔn)差CTSD都逐漸增大，并且I1、I2、I3、I4小區(qū)具有明顯的差異。I1為水分脅迫嚴(yán)重小區(qū)，其冠層溫度標(biāo)準(zhǔn)差 CTSD的變化范圍為5.2～6.4，高于其他水分處理小區(qū)的CTSD，而I2與I3小區(qū)冠層溫度標(biāo)準(zhǔn)差CTSD也呈現(xiàn)逐漸增大的變化趨勢。I4為充分灌溉小區(qū)，其CTSD的變化范圍為2.4～4.1，從圖中總的變化趨勢可知，I4小區(qū)的CTSD數(shù)值較小，其冠層溫度標(biāo)準(zhǔn)差CTSD折線處在圖中的最低位置。圖7b為棉花冠層溫度變異系數(shù)CTCV的折線圖，從圖中4個(gè)水分處理小區(qū)的總體變化趨勢分析可知，棉花冠層溫度變異系數(shù)CTCV與水分脅迫程度呈正相關(guān)關(guān)系，冠層溫度變異系數(shù)可以表征不同水分處理小區(qū)的溫度差異性，圖 7b中7月13日的I1小區(qū)CTCV偏高，可能由于7月13日的平均大氣溫度較高，在13:00時(shí)，I1小區(qū)表現(xiàn)出短暫的極度缺水狀態(tài)。

4個(gè)水分處理小區(qū)同時(shí)灌水后，隨著時(shí)間的推移，土壤水分逐漸被棉花根系活動層消耗，棉花冠層溫度數(shù)字特征CTSD和CTCV具有較明顯的變化規(guī)律，都呈現(xiàn)增大的趨勢，因此棉花冠層溫度特征數(shù)可以響應(yīng)作物水分脅迫狀況。

2.3 冠層溫度特征數(shù)與生理指標(biāo)的關(guān)系研究

棉花葉片的氣孔導(dǎo)度Gs和蒸騰速率Tr真實(shí)的表征棉花葉片水分狀況，可以作為診斷農(nóng)作物水分虧缺的有效生理指標(biāo)[21-25]，因此利用氣孔導(dǎo)度Gs與蒸騰速率Tr可以驗(yàn)證棉花冠層溫度特征數(shù)CTSD和CTCV與作物水分脅迫的關(guān)系，如圖8為CTSD和CTCV分別與氣孔導(dǎo)度Gs與蒸騰速率Tr的關(guān)系模型。

圖8 棉花冠層溫度指標(biāo)與生理指標(biāo)的相關(guān)關(guān)系Fig.8 Correlation between cotton canopy temperature index and physiological indexes

從圖 8可以看出，棉花冠層溫度特征數(shù) CTSD和CTCV與棉花葉片氣孔導(dǎo)度Gs與蒸騰速率Tr呈現(xiàn)顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系（P＜0.05）。冠層溫度標(biāo)準(zhǔn)差CTSD和冠層溫度變異系數(shù) CTCV與棉花葉片氣孔導(dǎo)度 Gs的決定系數(shù)R2都達(dá)到0.85以上，具有較強(qiáng)的線性關(guān)系，從圖8a和8c可知，氣孔導(dǎo)度Gs越大，冠層溫度標(biāo)準(zhǔn)差CTSD和冠層溫度變異系數(shù) CTCV越小，因此水分脅迫越弱，則CTSD和CTCV越小。同樣，從圖8b和8d也可知，冠層溫度標(biāo)準(zhǔn)差CTSD與冠層溫度變異系數(shù)CTCV與蒸騰速率Tr的決定系數(shù)R2分別為0.625和0.583，并且達(dá)到顯著性相關(guān)水平（P＜0.05），蒸騰速率Tr越大，水分脅迫強(qiáng)度越弱，則對應(yīng)的冠層溫度特征數(shù)越小。

圖8e可知，傳統(tǒng)熱紅外溫度指標(biāo)CWSI與Gs的關(guān)系模型精度低于本文的冠層溫度特征數(shù)與 Gs的模型精度，從圖8f中可得，冠層溫度特征數(shù)和傳統(tǒng)熱紅外溫度指標(biāo)CWSI與Tr的模型精度大致相同，相關(guān)關(guān)系沒有較大的提高。

從以上分析可知，冠層溫度特征數(shù) CTSD和 CTCV與棉花葉片氣孔導(dǎo)度Gs和蒸騰速率Tr具有較強(qiáng)的相關(guān)關(guān)系，因此冠層溫度特征數(shù)可以間接的響應(yīng)棉花葉片水分消耗，并進(jìn)一步診斷棉花的水分脅迫狀況。冠層溫度特征數(shù)相比傳統(tǒng)熱紅外溫度指標(biāo) CWSI響應(yīng)作物水分狀況的精度有所提高，其計(jì)算僅僅利用冠層縱向溫度差異性和冠層溫度橫向的離散程度表征作物水分脅迫狀態(tài)，極大的簡化了無人機(jī)熱紅外診斷作物水分的應(yīng)用基礎(chǔ)，因此冠層溫度特征數(shù)在計(jì)算方法與診斷精度上都具有較大的實(shí)踐優(yōu)勢和應(yīng)用潛力。

2.4 冠層溫度特征數(shù)與水分脅迫指數(shù)CWSI的關(guān)系

本研究在試驗(yàn)階段同步監(jiān)測簡化水分脅迫指數(shù)CWSI。利用干濕參考面計(jì)算的簡化水分脅迫指數(shù) CWSI在葡萄、橄欖、甘蔗、馬鈴薯、棉花等都有較多的研究[7,26-29]，水分脅迫指數(shù) CWSI是傳統(tǒng)上診斷作物水分虧缺的溫度指標(biāo)，具有較為廣泛的理論應(yīng)用價(jià)值，因此利用水分脅迫指數(shù)CWSI驗(yàn)證CTSD和CTCV與水分虧缺關(guān)系不失為一種可行的方法，圖 9為冠層溫度特征數(shù)與水分脅迫指數(shù)CWSI關(guān)系模型。

圖9 棉花冠層溫度數(shù)字特征與CWSI的關(guān)系Fig.9 Relationship between cotton canopy temperature characteristics and CWSI

由圖9可知，冠層溫度特征數(shù)CTSD和CTCV與水分脅迫指數(shù)CWSI具有較好的線性相關(guān)性，決定系數(shù)R2分別為0.673和0.620，均達(dá)到顯著水平（P＜0.05）。可以看出，棉花水分虧缺越強(qiáng)，水分脅迫指數(shù) CWSI越大，則對應(yīng)的棉花冠層溫度特征數(shù)CTSD和CTCV隨之增大。對比CTSD和CTCV與水分脅迫指數(shù)CWSI的關(guān)系模型，冠層溫度標(biāo)準(zhǔn)差 CTSD的相關(guān)關(guān)系高于冠層溫度變異系數(shù)CTCV與CWSI的相關(guān)性。

2.5 冠層溫度特征數(shù)與土壤水分的關(guān)系研究

棉花根系土壤水分是最直接反映作物水分虧缺的診斷指標(biāo)，張振華等[11]研究表明紅外溫度指標(biāo)與冬小麥根系土壤含水率具有相關(guān)關(guān)系，利用土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)在一定程度上可以說明冠層溫度特征數(shù)對作物水分脅迫的敏感性。本文同步采集花鈴期棉花根系活動層0～60 cm的平均土壤體積含水率，圖10為冠層溫度特征數(shù)與土壤體積含水率的關(guān)系模型。

圖10 棉花冠層溫度數(shù)字特征與土壤體積含水率的關(guān)系Fig.10 Relationship between temperature characteristics of cotton canopy and soil volumetric water content

圖10可得，冠層溫度特征數(shù)與土壤體積含水率呈現(xiàn)冪函數(shù)的關(guān)系，土壤含水率越高，則冠層溫度特征數(shù)越小，這比較符合前面已經(jīng)總結(jié)出的規(guī)律，即水分脅迫越強(qiáng)，冠層溫度特征數(shù)越大。冠層溫度標(biāo)準(zhǔn)差CTSD與SWC的相關(guān)性較高，決定系數(shù) R2為 0.55，達(dá)到顯著性水平（P＜0.05），而冠層溫度變異系數(shù)CTCV與SWC的相關(guān)性雖然達(dá)到顯著水平，但相對CTSD與SWC的相關(guān)性來說，其決定系數(shù)R2低，相關(guān)關(guān)系并不理想。

通過以上分析，冠層溫度特征數(shù)CTSD和CTCV與土壤含水率SWC具有一定的相關(guān)性，并且冠層溫度特征數(shù)與土壤含水率呈現(xiàn)冪函數(shù)關(guān)系，以 70%的田間持水率為水分脅迫臨界值，則CTSD和CTCV的脅迫閾值分別為3.0，0.1。冠層溫度標(biāo)準(zhǔn)差CTSD與作物水分脅迫關(guān)系較好，決定系數(shù)R2高，因此冠層溫度標(biāo)準(zhǔn)差CTSD對作物水分虧缺更為敏感，CTSD能較好的診斷作物水分脅迫狀況。

3 討 論

文章嘗試探索新的熱紅外溫度指數(shù)診斷作物水分脅迫狀況，由于傳統(tǒng)水分脅迫指數(shù) CWSI的計(jì)算需要較多參數(shù)，下基線確定沒有統(tǒng)一的計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)，并易受氣象因素的干擾[30]，推廣使用具有較大的難度[31]，因此水分脅迫指數(shù) CWSI的實(shí)踐應(yīng)用需要不斷探索與研究。從棉花冠層熱紅外圖像分析可以看出，棉花冠層陽光直接照射的葉片與陰影葉片的溫度具有縱向差異性，受到太陽高度角的影響，棉花冠層具有橫向的溫度差別。本文提出冠層溫度直方圖的規(guī)律，即不同作物水分脅迫狀況的冠層溫度直方圖具有離散和差異性規(guī)律，選取統(tǒng)計(jì)學(xué)表征離散程度的特征數(shù)標(biāo)準(zhǔn)差SD和變異系數(shù)CV，利用作物生理指標(biāo)氣孔導(dǎo)度 Gs，蒸騰速率 Tr和水分脅迫指數(shù)CWSI，土壤體積含水率SWC對冠層溫度特征數(shù)的規(guī)律進(jìn)行理論驗(yàn)證和分析，并且得到較好的效果。冠層溫度特征數(shù)的計(jì)算不依賴任何氣象因子，僅需要無人機(jī)獲取的作物冠層熱紅外影像，Canny邊緣檢測算法得到冠層邊緣特征柵格圖，并利用ArcGIS和ENVI軟件對其進(jìn)行圖像裁剪、掩膜統(tǒng)計(jì)等圖像處理，直接剔除土壤背景后繪制冠層溫度直方圖，并對其作基本的統(tǒng)計(jì)分析，得到冠層溫度特征數(shù)，本文應(yīng)用的計(jì)算方法具有簡單可行的實(shí)踐基礎(chǔ)，相比傳統(tǒng)的熱紅外指數(shù) CWSI具有較高的模型精度和應(yīng)用潛力。

同時(shí)本研究存在不足，本文在棉花花鈴期連續(xù)試驗(yàn)和監(jiān)測5 d，雖然可以動態(tài)連續(xù)觀測4種水分處理小區(qū)的棉花根域活動層水分消耗狀況，但本研究提出的理論方法主要針對棉花花鈴期的規(guī)律特征，因此后續(xù)工作將以本文為基礎(chǔ)對棉花其他生育期作進(jìn)一步的研究和探討。

4 結(jié) 論

本文應(yīng)用無人機(jī)高分辨率熱紅外圖像的冠層溫度直方圖規(guī)律，提出冠層溫度直方圖的統(tǒng)計(jì)學(xué)特征數(shù)冠層溫度標(biāo)準(zhǔn)差（standard deviation of canopy temperature，CTSD）和冠層溫度變異系數(shù)（canopy temperature coefficient of variation，CTCV）作為指示作物水分脅迫的新指標(biāo)，并得出以下結(jié)論：無人機(jī)高分辨率熱紅外影像的冠層溫度特征數(shù)與棉花葉片氣孔導(dǎo)度，蒸騰速率，水分脅迫指數(shù)（crop water stress index，CWSI）和作物根系活動層土壤體積含水率（soil volumetric water content，SWC）具有較強(qiáng)的相關(guān)關(guān)系，通過驗(yàn)證與分析，無人機(jī)冠層溫度特征數(shù)可以診斷棉花花鈴期的水分脅迫狀況。冠層溫度標(biāo)準(zhǔn)差CTSD與棉花葉片氣孔導(dǎo)度，蒸騰速率，水分脅迫指數(shù) CWSI和作物根系活動層土壤體積含水率SWC的決定系數(shù)R2分別為0.884、0.625、0.673、0.550，均高于冠層溫度變異系數(shù)CTCV與它們的決定系數(shù)R2，冠層溫度標(biāo)準(zhǔn)差CTSD相比冠層溫度變異系數(shù)CTCV能更好的響應(yīng)棉花花鈴期的水分脅迫狀況。