基于有效積溫的玉米冠層圖像特征參數(shù)分析

賈 彪，賀 正

（寧夏大學農(nóng)學院，寧夏 銀川 750021）

對農(nóng)作物長勢和水肥營養(yǎng)進行及時有效的監(jiān)測診斷，進而改進相應的栽培管理是作物獲得高產(chǎn)的基礎［1］。傳統(tǒng)的監(jiān)測手段與方法主要依靠栽培人員的自身經(jīng)驗對作物長勢做出評價，易出現(xiàn)視覺疲勞，從而影響判斷精度，且難以實現(xiàn)大面積快速無損監(jiān)測［2］。隨著數(shù)字圖像處理技術的發(fā)展，運用數(shù)字圖像對作物大面積的長勢監(jiān)測已成為精準農(nóng)業(yè)發(fā)展的重要趨勢。

近年來，國內(nèi)外學者通過無人機［3］、數(shù)碼相機［4-6］和手機相機［1］，獲取作物的冠層數(shù)字圖像信息，通過圖像處理，分割出作物冠層圖像信息層，提取圖像信息層的三基色RGB分量值，對各顏色分量值進行標準化處理，得到紅（R）綠（G）藍（B）光歸一化標準值［7-8］，并對顏色參數(shù)值進行組合，以提高圖像色彩參數(shù)與農(nóng)學指標間相關性［1，9］，進而建立基于作物冠層圖像特征參數(shù)的長勢監(jiān)測和氮素營養(yǎng)診斷模型，達到指導農(nóng)業(yè)栽培管理目的［10］。而較多研究僅針對作物某一關鍵生育時期進行監(jiān)測與診斷，并未貫通到作物全生育期［11］，導致模型的通用性較差，且很少研究對玉米全生育期的冠層圖像的動態(tài)變化規(guī)律進行深入分析，同時由于圖像RGB等參數(shù)的獲取易受光照、溫度等外在條件的影響［5-6，12］，對玉米作物冠層動態(tài)隨有效積溫的影響很少進行分析。因此，為明確玉米冠層圖像RGB分量的動態(tài)隨有效積溫的響應機理，本研究以寧夏引黃灌區(qū)滴灌水肥一體化玉米為研究對象，在平吉堡農(nóng)場玉米高產(chǎn)田開展不同氮素處理試驗。用手機相機獲取玉米冠層圖像，應用試驗基地安裝的小型氣象站獲取田間小氣候數(shù)據(jù)，計算玉米全生育期有效積溫，擬合出基于有效積溫的冠層圖像色彩參數(shù)動態(tài)模型，揭示玉米圖像參數(shù)與積溫的內(nèi)在關系，為寧夏滴灌水肥一體化玉米生長發(fā)育進程冠層圖像色彩特征的動態(tài)分析和預測提供新思路。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗于2018年4～9月，在寧夏平吉堡農(nóng)場（E106°01′45″，N38°26′42″）玉米高產(chǎn)田開展，田間土壤類型為淡灰鈣土，質(zhì)地是壤土，肥力中等。試驗田0～20 cm耕層土壤有機質(zhì)含量12.82 g/kg、全氮0.75 g/kg、全磷0.48 g/kg、堿解氮36.82 mg/kg、有效磷17.37 mg/kg、速效鉀95.31 mg/kg、 pH值8.1。

1.2 試驗設計

試驗設置6個氮素處理，分別為N0（0 kg/hm2，CK）、N1（90 kg/hm2）、N2（180 kg/hm2）、N3（270 kg/hm2）、N4（360 kg/hm2）、N5（450 kg/hm2），采用隨機區(qū)組設計，3次重復，共18個小區(qū)，小區(qū)面積為67.5 m2（長15 m×寬4.4 m），采用寬窄行機播種植模式，寬行70 cm，窄行40 cm，株距20 cm，密度約為9×104株/hm2。供試玉米為寧夏引黃灌區(qū)主栽的品種天賜19（TC19），中晚熟型雜交種，生育期137 d左右，半緊湊株型。

供試肥料均為水溶性肥，結合當?shù)赝扑]施肥模式和張興風等［13］在寧夏滴灌玉米不同施肥模式的試驗研究，其中氮肥為尿素（N 46%），采用水肥一體化滴灌模式施入，遵循“少量多次”的原則［14-15］，全生育期共施肥8次，隨水施入，追施比例見表 1。磷肥為磷酸二氫鉀（N-P2O5-K2O為0-52-34），鉀肥為硫酸鉀（K2O 52%），磷鉀肥作為基肥結合整地采用秋季全層施肥［16］，用量分別為138和120 kg/hm2。其他管理過程同當?shù)馗弋a(chǎn)田生產(chǎn)。

表1 玉米不同生育期氮肥追施比例 （%）

1.3 玉米冠層圖像獲取

由于玉米等作物冠層圖像的RGB值獲取是瞬時數(shù)據(jù)，不同時間段獲取的圖像參數(shù)差別較大，故本研究獲取具有一定代表性的玉米冠層圖像時，其獲取時間嚴格控制在無風無云、天氣晴朗、太陽高度角相對穩(wěn)定的11：00～12：00（北京時間）之間，用手機（iphone，1 200萬像素）相機獲取玉米冠層圖像，從而減少不同天氣情況與同一天內(nèi)不同時間段對圖像參數(shù)的影響。本試驗采用自主研發(fā)的便攜式圖像采集系統(tǒng)裝置，主要由大疆靈眸（Osmo Mobile）防抖手持云臺手機穩(wěn)定器、碳素纖維伸縮桿、固定支架、藍牙遙控器組成，伸縮范圍0.6～3 m，能自由調(diào)節(jié)的伸縮桿角度獲取冠層圖像。拍攝時，將相機鏡頭距玉米冠層約1.0 m垂直高度，與地面呈90° 進行，同時將相機調(diào)至Auto模式下，以自動曝光控制色彩平衡。圖片分辨率為3 024×4 032像素。

1.4 玉米冠層圖像參數(shù)提取

本文采用Jia等［5］冠層圖像處理方法 ，將玉米冠層圖像導入計算機，通過基于Visual Studio平臺、Visual C++和MATLAB軟件開發(fā)的數(shù)字圖像分析系統(tǒng) ，分割玉米冠層圖像和土壤 ，獲取R、G、B通道均值 。

1.5 有效積溫測算

氣象數(shù)據(jù)來自試驗基地氣象站，有效積溫（GDD）的計算公式為見（1）［17-19］。

圖1 玉米冠層圖像參數(shù)提取

式（1）中Tmax和Tmin最高和最低臨界溫度分別為30℃ 和10℃，即當Tmax或Tmin超過30℃時，按30℃計算，當Tmax或Tmin低于10℃時，按10℃計算。

1.6 植株氮含量測定

將各處理玉米植株分器官烘干至恒重，粉碎、研磨和過篩，利用消煮液和H2SO4-H2O2凱氏定氮儀測定植株全氮含量，最后計算［17］。

1.7 數(shù)據(jù)處理與模型評價

采用Excel 2016數(shù)據(jù)整理、SPSS 22.0方差分析、Origin 8.5數(shù)據(jù)擬合與作圖。

2 結果與分析

2.1 全生育期內(nèi)紅光R值動態(tài)變化規(guī)律分析

由圖2可知，在玉米全生育期內(nèi)，其各氮素處理間紅光值R均隨有效積溫的增加呈先增加后降低趨勢。從苗期（出苗25 d）至拔節(jié)期（出苗后37 d），有效積溫在300～600℃時，玉米R值快速增加，之后以緩慢的速度持續(xù)增長至抽雄吐絲期（出苗后69 d）R值達到最大，灌漿期（出苗后81 d）開始R值呈現(xiàn)出持續(xù)下降趨勢。方差分析表明，施氮不同顯著影響R值的變化，在整個生育期低氮處理（N0、N1、N2）一直處于較高的水平，N0在生育后期顯著高于N1、N2處理；而高氮處理（N3、N4、N5）從出苗至蠟熟期均低于其他處理，N3、N4在灌漿期明顯高于N5，說明施氮可以降低玉米紅光分量值R，尤以生育后期差異明顯?；貧w分析表明，R與有效積溫的最優(yōu)模型為開口向下的有理函數(shù)關系，其表達式為y=（b + cx）/（a + x）。

圖2 不同施氮水平紅色分量R值動態(tài)變化特征

運用有理函數(shù)對R值的擬合參數(shù)（表2），各擬合曲線的決定系數(shù)R2的變化范圍為0.872～0.951，以N0最高，N4最低，各處理擬合度較好，精度較高，均達到顯著水平，表明有理函數(shù)可以用來擬合預測R值，模型的各參數(shù)均隨著施氮的增加呈現(xiàn)出下降的趨勢，N4略低于N5，其中對照N0的a、b、c參數(shù)明顯高于其他施氮處理，各處理間參數(shù)c變化范圍最大，a、c隨施氮的變化較小，分析表明施氮主要通過降低參數(shù)b來影響模型的預測值。

表2 不同氮素水平玉米冠層圖像顏色分量R值動態(tài)變化參數(shù)

圖3 不同施氮水平綠色分量G值和藍色分量B值動態(tài)變化特征

2.2 綠光值G與藍光值B動態(tài)變化規(guī)律分析

圖3a表明，在玉米整個生育期內(nèi)，G值與R的動態(tài)變化趨勢相似，且呈先迅速升高后緩慢增加至最大值，最后開始呈現(xiàn)出下降趨勢，一直持續(xù)到蠟熟期，N5降幅最大，N0最低。方差分析表明，G值受氮素影響顯著，尤其是從抽雄吐絲期開始，N0顯著高于其他處理，N5顯著低于其他處理，說明施氮顯著降低玉米的G值。

如圖3b所示，各氮素處理B值在出苗后25～30 d時B值增長最快，之后緩慢增加，抽雄吐絲期達到最大，之后的10 d內(nèi)降幅較大，隨生育期的推進B值無明顯變化。施氮可顯著提高B，尤以高氮處理（N3、N4、N5）明顯，N5在全生育期內(nèi)保持較高水平；低氮處理（N1、N2）B值略高于N0。G和B值最適曲線表達式為對數(shù)函數(shù)［y=a-bln（x+c）］

如表3所示，各處理R2均達到顯著水平，擬合效果較好，模型參數(shù)a均隨施氮量的增加呈現(xiàn)增加趨勢，b和c隨施氮量的增加，無明顯上升或降低趨勢，且參數(shù)c趨近于一個恒值，說明施氮主要影響曲線參數(shù)a，進而影響模型的預測值。

通過擬合曲線的絕對系數(shù)R2發(fā)現(xiàn)，對數(shù)函數(shù)y=a-bln（x+c）可擬合藍光B值在整個生育期的動態(tài)變化，施氮對各處理的R2取值無明顯影響，其值介于0.734～0.858，擬合度較高。各參數(shù)對施氮的響應不同（表3），參數(shù)c無差異，且趨于恒值，基于有效積溫的玉米冠層圖像藍光B值擬合值為-290，參數(shù)b隨施氮的增加未呈現(xiàn)出明顯的增加或降低的趨勢，而參數(shù)a隨著施氮的增加而增加，在N4處理達到最大，N5出現(xiàn)下降趨勢，降幅相對較小，說明施氮主要是改變模函數(shù)表達式中參數(shù)a的值，進而影響模型的輸出結果。

表3 不同氮素水平玉米冠層圖像顏色分量G值和B值動態(tài)變化參數(shù)

2.3 玉米關鍵生育時期冠層圖像參數(shù)與植株含氮量動態(tài)關系

如表4所示，本文重點探討拔節(jié)期（六葉期，V6）和小喇叭口期（十葉期，V10）的玉米6個圖像參數(shù)R、G、B及其歸一化組合參數(shù)R/（R+G+B）、G/（R+G+B）、B/（R+G+B）與葉片含氮量的相關性。R、G、R/（R+G+B）、G/（R+G+B）與植株氮含量達到了0.01水平或0.05水平的顯著相關，六葉期G與B/（R+G+B）則在不同時期具有不同相關關系，除G/（R+G+B）與植株氮含量呈正相關外，其他參數(shù)均與植株氮含量呈負相關。其中R/（R+G+B）與含氮量的相關系數(shù)最高，B相對較低，大多數(shù)玉米冠層圖像參數(shù)與植株氮含氮量相關系數(shù)為V10高于V6，因此V10可作為滴灌玉米氮素營養(yǎng)診斷的關鍵生育時期。

表4 關鍵生育時期玉米圖像參數(shù)與植株含氮量間相關關系

3 討論

寧夏引黃灌區(qū)玉米在氮肥管理方面，生產(chǎn)上習慣采用“一炮轟”的施肥方式，這種“前重后輕”的施肥方式，導致玉米生育前期植株發(fā)育過旺，造成后期倒伏，進而影響玉米產(chǎn)量［20］。多年來，在我國北方地區(qū)，玉米生產(chǎn)上無法實現(xiàn)關鍵生育時期氮肥追施。而滴灌水肥一體化技術是我國新疆、甘肅和寧夏等西北干旱地區(qū)近年來推廣和廣泛應用的一項農(nóng)業(yè)生產(chǎn)新技術，即施肥與灌水融合為一體對農(nóng)作物進行施肥。該技術通過“隨水施肥，少量多次”的原則［21］，在保證作物根區(qū)水肥分布的均勻度的同時［21］，能有效提高作物產(chǎn)量和水肥利用效率［21］，且節(jié)水節(jié)肥。本研究結合寧夏當?shù)赝扑]施肥模式和張興風等［13］在寧夏滴灌玉米不同施肥模式的試驗研究，圍繞水肥一體化條件下開展了8次隨水追施氮肥研究（表1），探究滴灌玉米不同氮素處理冠層圖像動態(tài)以及圖像參數(shù)與植株含氮量的相關關系等在推動農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的必要性，為基于數(shù)字圖像處理技術和信息化監(jiān)測在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上的應用提供參考。

隨著數(shù)字圖像處理技術的日趨成熟，采用數(shù)碼照相獲取作物數(shù)字圖像在作物長勢監(jiān)測等領域已初見成效［1，3，18］，通用方法即應用數(shù)字圖像技術直接獲取田間作物冠層圖像，利用圖像處理軟件對作物冠層的色彩分量進行提?。?2］，對應作物各生育時期進行營養(yǎng)狀況分析，但由于硬件設備不同，圖像獲取的角度與高度等標準不同，圖像處理軟件各異，從而導致圖像參數(shù)的提取誤差相對較大［1，10］。為減少圖像參數(shù)提取誤差，本研究采用Jia等［5］研發(fā)的冠層圖像處理方法 ，將玉米冠層圖像傳輸至計算機，使用Visual Studio平臺、Visual C++和MATLAB軟件聯(lián)合開發(fā)的數(shù)字圖像分析系統(tǒng)，將玉米冠層圖像與土壤背景進行深度分割 ，提取RGB模型各參數(shù)波段的像元平均值（圖1），軟件自動分割，自動提取，自動保存數(shù)據(jù)，可實現(xiàn)多點采樣作物冠層圖像數(shù)據(jù)分析，便于攜帶，可實現(xiàn)在田間實時操作。

迄今為止，基于圖像處理技術提取作物冠層特征參數(shù)的研究，大部分建立在基于生長發(fā)育時間進行分析［7-8］，但按照作物生長發(fā)育規(guī)律來講，積溫直接影響作物的生長發(fā)育進程，生長天數(shù)與作物發(fā)育進程并不是因果關系，所有本文選用有效積溫而未通過生長天數(shù)擬合冠層圖像參數(shù)。分析了6個不同施氮水平下寧夏滴灌玉米冠層圖像特征參數(shù)的差異，并對基于有效積溫的玉米冠層圖像參數(shù)R、G、B（圖2與圖3）進行了分析比較。不同施氮量對三維顏色空間RGB顏色系統(tǒng)擬合結果表明，施氮肥可顯著降低圖像特征參數(shù)R、G值，提高B值，因為氮肥供應量不同，玉米作物的營養(yǎng)吸收狀態(tài)不同［19，22］，導致圖像特征參數(shù)不同［23］，為基于數(shù)字圖像特征參數(shù)的作物長勢監(jiān)測和營養(yǎng)診斷提供了一定的理論基礎。本研究結果表明，雖然紅光R值和藍光B值隨生育期的推進呈先升高后降低趨勢（圖3），但由決定系數(shù)R2比較可知，藍光B值隨施氮量的變化無明顯規(guī)律，且擬合的參數(shù)c值也趨于恒值（表3），這主要是因為藍光B值不受作物冠層的影響而變化，其變化是受土壤背景面積大小決定的［22］。本研究結果表明，在玉米整個生育期綠光G值一直高于紅光R值（圖2和圖3），是因為玉米冠層葉片對綠光的反射率高于其紅光值，與基于數(shù)字圖像技術對滴灌棉花的生長監(jiān)測研究結果類似［7］。

前人大量研究表明，不同的氮素營養(yǎng)狀況直接影響作物冠層顏色特征參數(shù)［4-7，24-25］，Adamsen等［26］研究了顏色組合值G/R等與植株氮含量、作物葉片SPAD-502值等相關性很好。Wang等［27］對水稻營養(yǎng)生長階段氮素營養(yǎng)狀況進行了研究，經(jīng)過圖像分割，提取閾值的方法，認為冠層特征參數(shù)G-R與G/R是較好地表征水稻拔節(jié)期氮素營養(yǎng)狀況的指標，并建立了相關函數(shù)關系。韓國學者Lee等［24］運用同樣的方法，獲取水稻出苗至拔節(jié)期這個關鍵時期冠層圖像，對水稻冠層圖像參數(shù)G/R、GMR（G-R）等進行了相關性分析。與其他研究認為玉米六葉期和九葉期與氮素營養(yǎng)指標具有較高相關性［1，10］不同，本文重點分析探討了玉米六葉期（V6）和十葉期（V10）植株冠層圖像參數(shù)和植株氮含量的相關性，研究結果表明，圖像參數(shù)R/（R+G+B）與玉米植株氮含量的相關性最高（表4），且冠層圖像參數(shù)與植株氮含量在V10期的相關系數(shù)明顯高于V6期。由此推測V10期可作為該區(qū)滴灌玉米氮素營養(yǎng)診斷的關鍵生育時期，需要科技工作者進一步通過多年數(shù)據(jù)的驗證與評價。

近年來，手機照相技術在不斷進步，手機成本迅速下降，手機用途全力拓展，利用手機相機對作物進行監(jiān)測便于攜帶、易操作、性價比高等優(yōu)勢。故應用手機相機提取玉米冠層圖像參數(shù)應用前景廣闊，可實現(xiàn)玉米的氮營養(yǎng)診斷，但在玉米不同生育時期，冠層顏色特征參數(shù)的變化與所需氮素臨界值的關系需深入分析與探討［1，9-10］，且不同玉米品種間色差明顯，為了更好地解決這一問題，通常情況下需要對該地域范圍內(nèi)玉米主栽品種進行整理［2］，通過歸類建立基于該地區(qū)幾個主要品種的數(shù)字圖像處理與氮素營養(yǎng)診斷參數(shù)，這都需要在今后的研究中進行整理歸納，以大數(shù)據(jù)的形式為寧夏滴灌玉米提供參考依據(jù)。

4 結論

本文以不同施氮量玉米為研究對象，應用手機相機獲取寧夏引黃灌區(qū)水肥一體化管理模式下的滴灌玉米各關鍵生育時期冠層圖像，提取圖像參數(shù)，測算玉米全生育期內(nèi)GDD，開展基于GDD的滴灌玉米冠層圖像特征分析，主要結論如下：

（1）自主研發(fā)手機獲取玉米冠層圖像裝備，提取寧夏引黃灌區(qū)滴灌玉米整個生育期內(nèi)RGB模型各參數(shù)波段的像元平均值。

（2）玉米冠層圖像特征參數(shù)中，R的擬合效果最好，可用于寧夏滴灌玉米長勢監(jiān)測的參考指標。

（3）玉米冠層圖像參數(shù)與植株氮含量V10期的相關系數(shù)R/（R+G+B）高于V6期，由此推測十葉期可作為該區(qū)滴灌玉米氮素營養(yǎng)診斷的關鍵生育時期。