基于智能手機(jī)的玉米冠層葉面積指數(shù)測(cè)定

尹曉愛， 楊秀超， 侯 瑞,2?， 趙龍山,2,， 張金鑫

(1.貴州大學(xué)林學(xué)院，550025，貴陽(yáng)；2.貴州大學(xué)土壤侵蝕與生態(tài)修復(fù)研究中心，550025，貴陽(yáng)；3.中國(guó)林科院林業(yè)研究所，100091，北京)

葉面積指數(shù)(leaf area index, LAI)是指覆蓋單位地表面積與所生長(zhǎng)的植物葉面積總和之比。LAI既可反映作物群體大小，又是表征作物冠層結(jié)構(gòu)的重要指標(biāo)[1]。在植被對(duì)氣候變化響應(yīng)、遙感作物估產(chǎn)及植被水土保持作用等研究中LAI被廣泛采用[2]。為此，關(guān)于LAI測(cè)量與計(jì)算方法一直受到人們的關(guān)注。

植物冠層葉面積的測(cè)量方法主要有直接法與間接法2種[2]。直接測(cè)量法包括手工原位測(cè)量、落葉法和系數(shù)法等；間接測(cè)量方法主要基于光學(xué)原理，通過獲取植物冠層截獲光能量的多少來(lái)估算或通過測(cè)量入射光在冠層中的衰減量進(jìn)行估算[1-2]。二者相比，直接法較耗時(shí)，而且對(duì)冠層結(jié)構(gòu)會(huì)造成干擾，影響測(cè)量的可重復(fù)性和結(jié)果的準(zhǔn)確性，而間接法需要借助先進(jìn)的儀器設(shè)備完成。雖然間接測(cè)量?jī)x器的應(yīng)用在一定程度上提高了作物冠層參數(shù)的獲取效率，但該類方法計(jì)算流程復(fù)雜。如當(dāng)前使用較多的是植被冠層分析儀，通過測(cè)量冠層內(nèi)透過的太陽(yáng)輻射量來(lái)估算冠層LAI[2-3]，但該儀器價(jià)格昂貴，野外攜帶也不方便。

隨著智能手機(jī)的普及，圖像分辨率、內(nèi)存容量和人機(jī)交互功能等不斷提高，在野外調(diào)查中利用智能手機(jī)收集圖像、視頻資料已較為普遍，故開展基于智能手機(jī)的LAI測(cè)量和計(jì)算方法研究也受到人們關(guān)注。如郭文川等[4]基于智能手機(jī)開發(fā)葉面積測(cè)量軟件，無(wú)需購(gòu)置硬件設(shè)備，也不需要給手機(jī)增加額外的硬件，具有很強(qiáng)的便攜性。高大帥等[5]利用智能手機(jī)方位傳感器確定拍攝角度，建立誤差校正模型并提出基于智能手機(jī)方位傳感器的葉面積測(cè)量校正公式。

盡管利用智能手機(jī)測(cè)定冠層參數(shù)有一些研究，但對(duì)LAI的測(cè)量和計(jì)算方法仍在進(jìn)行不斷探索和改進(jìn)；鑒此，本研究探討一種基于智能手機(jī)的玉米LAI快速測(cè)量方法，在試驗(yàn)條件下通過對(duì)不同生育期玉米植株冠層LAI的模型計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果比較，驗(yàn)證該方法的有效性，為進(jìn)一步完善利用智能手機(jī)測(cè)定冠層參數(shù)方法和開發(fā)有效冠層LAI測(cè)定手機(jī)APP提供科技條件。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

以坡耕地種植玉米為研究對(duì)象，選擇5個(gè)重要生長(zhǎng)期(拔節(jié)期、小喇叭期、大喇叭期、抽雄期、成熟期)的玉米植株各30株，進(jìn)行單株冠層結(jié)構(gòu)特征的測(cè)量，將測(cè)量數(shù)據(jù)用于制作玉米植株模型(表1)。玉米葉片采用仿真葉模擬，其材質(zhì)為聚乙烯，透光率約為10%，莖稈采用PVC管代替，將仿真葉片粘貼在PVC管，葉片傾角為30°，莖稈底部固定在木板上。根據(jù)田間實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)模擬不同生育期完整植株，模擬玉米株行距分別設(shè)置為30 cm×50 cm，株數(shù)分別為1、2、3、6和9株，以代表不同采樣面積。

表1 不同生育期單株玉米模型數(shù)量特征Tab.1 Quantitative characteristics of maize model per plant at different growth stages

1.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)于2018年3—11月在貴州大學(xué)土壤侵蝕模擬實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行。實(shí)驗(yàn)室為暗室條件，用白熾燈模擬太陽(yáng)光照，模擬太陽(yáng)高度角分別為30°、60°和90°，試驗(yàn)場(chǎng)景見圖1。先將模擬玉米植株按設(shè)定株行距置于坐標(biāo)紙上，用智能手機(jī)進(jìn)行玉米冠層投影拍攝(使用設(shè)備為iPhone 7 Plus MNRM2CH/A型智能手機(jī)，手機(jī)內(nèi)置iOS 14.0操作系統(tǒng)，手機(jī)屏幕大小5.5 inch，1 200萬(wàn)像素雙攝像頭，運(yùn)行內(nèi)存32 GB)。同時(shí)，在坐標(biāo)紙上勾繪玉米植株實(shí)際投影邊界，以便對(duì)手機(jī)拍攝投影值進(jìn)行建模修正，設(shè)置3次重復(fù)試驗(yàn)。

圖1 試驗(yàn)場(chǎng)景示意圖(∠1、∠2和∠3分別為30°、60° 和90°)Fig.1 Schematic diagram of test scene (measure 1, measure 2 and measure 3 are 30°, 60° and 90°, respectively)

玉米冠層實(shí)際投影在坐標(biāo)紙勾繪后，利用掃描儀對(duì)坐標(biāo)紙進(jìn)行掃描存入計(jì)算機(jī)，采用Adobe Photoshop CS6軟件提取陰影，為便于區(qū)分對(duì)圖像中陰影區(qū)域填充為綠色(RGB：0，255，0)的圖像；對(duì)手機(jī)拍攝的冠層陰影圖像也采用同樣方法提取圖像中陰影區(qū)域，并填充為紅色(RGB：255，0，0)。利用像元比例關(guān)系分別計(jì)算出投影面積，分別記為SC(坐標(biāo)紙勾繪的冠層投影面積)和SM(手機(jī)拍攝的冠層投影面積)，后通過回歸分析建立SC與SM之間的函數(shù)關(guān)系，對(duì)手機(jī)拍攝的冠層投影面積進(jìn)行校對(duì)，進(jìn)而可直接通過手機(jī)拍攝的冠層投影面積計(jì)算冠層LAI。

玉米冠層LAI計(jì)算公式為

(1)

式中：LAI為玉米冠層葉表面積指數(shù)，量綱為1；Sleaf為玉米冠層葉面積，cm2；SA為土地面積，cm2；本研究中其值為坐標(biāo)紙面積。

本研究中模擬玉米植株冠層葉面積真值(Sleaf)通過仿真葉片實(shí)際面積計(jì)算，由于各生長(zhǎng)期模擬玉米植株以實(shí)際玉米植株參數(shù)制作(表1)，故模擬的不同生長(zhǎng)期玉米葉面積與實(shí)際坡耕地玉米接近。5個(gè)生育期單個(gè)模擬玉米植株葉面積Sleaf分別為177.03、799.62、2 061.25、5 868.40和6 581.03 cm2。土地面積(SA)即為試驗(yàn)中坐標(biāo)紙面積(9萬(wàn)112.00 cm2)。相應(yīng)地，1、2、3、6和9株模擬玉米冠層LAI真值(LAIT)見表2。

表2 不同生育期模擬玉米冠層LAI真值 (LAIT)Tab.2 LAI actual value (LAIT) of maize per plant atdifferent growth stages

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2016軟件繪制圖表；采用SPSS 26.0對(duì)玉米冠層LAI進(jìn)行多因素方差分析；通過回歸方法對(duì)基于手機(jī)拍攝圖像、坐標(biāo)紙勾繪的投影面積與LAI真值進(jìn)行模型分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 坐標(biāo)紙勾繪的玉米冠層葉面積

由表3可知，隨著太陽(yáng)高度角的增大，坐標(biāo)紙勾繪的玉米冠層投影面積與實(shí)際面積間的比值(以下簡(jiǎn)稱勾繪面積比)逐漸減小，太陽(yáng)高度角為30°時(shí)勾繪的面積比最接近1，60°下的面積比次之，90°下勾繪的面積比值偏離1的程度較大。不同玉米生長(zhǎng)時(shí)期與種植株數(shù)勾繪面積比變化不大，在太陽(yáng)高度角為30°時(shí)，相比玉米的其他4個(gè)生長(zhǎng)期，小喇叭期的勾繪面積比最接近1。

表3 坐標(biāo)紙勾繪的冠層投影面積與實(shí)際面積之比Tab.3 Ratio of the projected area of the canopy to theactual area plotted on a coordinate paper

以玉米模型參數(shù)(生長(zhǎng)時(shí)期、種植株數(shù)和太陽(yáng)高度角)為因子，坐標(biāo)紙勾繪的玉米冠層投影面積為變量進(jìn)行多因素方差分析，結(jié)果見表4。玉米生長(zhǎng)期、種植株數(shù)分別與坐標(biāo)勾繪的投影面積之間具有顯著相關(guān)關(guān)系(P<0.05)；太陽(yáng)高度角與坐標(biāo)勾繪的投影面積之間關(guān)系不顯著(P>0.05)；玉米生長(zhǎng)期與種植株數(shù)間的相互效應(yīng)對(duì)坐標(biāo)勾繪的投影面積具有顯著的影響(P<0.05)；其余2個(gè)交互效應(yīng)(生長(zhǎng)期×太陽(yáng)高度角，太陽(yáng)高度角×種植株數(shù))對(duì)坐標(biāo)勾繪投影面積的影響不顯著(P>0.05)。

表4 各模型參數(shù)下坐標(biāo)勾繪的冠層投影面積相關(guān)性分析Tab.4 Analysis of canopy projection area plotted withcoordinates under various model parameters

2.2 手機(jī)拍攝的玉米冠層葉面積

總體上，太陽(yáng)高度角為60°時(shí)，手機(jī)拍攝的玉米冠層投影面積與實(shí)際面積間的比值(以下簡(jiǎn)稱拍攝面積比)較接近1，在太陽(yáng)高度角為90°時(shí)次之，太陽(yáng)高度角為30°時(shí)拍攝面積比值偏離1的程度最大(表5)。不同玉米生長(zhǎng)期與種植株數(shù)拍攝面積比變化波動(dòng)不大，在太陽(yáng)高度角60°時(shí)，相比玉米的其他4個(gè)生長(zhǎng)期，大喇叭期下的拍攝面積比最接近1。

表5 手機(jī)拍攝的冠層投影面積與實(shí)際面積之比

以玉米模型參數(shù)(生長(zhǎng)時(shí)期、種植株數(shù)和太陽(yáng)高度角)為因子，手機(jī)拍攝的玉米冠層投影面積為變量進(jìn)行多因素方差分析，結(jié)果見表6。由表6可知，玉米生長(zhǎng)期、種植株數(shù)分別與手機(jī)拍攝的冠層投影面積之間具有顯著相關(guān)關(guān)系(P<0.05)；太陽(yáng)高度角與手機(jī)拍攝的投影面積之間關(guān)系不顯著(P>0.05)；玉米生長(zhǎng)期與種植株數(shù)間的相互效應(yīng)對(duì)手機(jī)拍攝的投影面積具有顯著的影響(P<0.05)；其余2個(gè)交互效應(yīng)(生長(zhǎng)期×太陽(yáng)高度角，太陽(yáng)高度角×種植株數(shù))對(duì)投影面積的影響不顯著(P>0.05)。

表6 各玉米模型參數(shù)下手機(jī)拍攝的冠層投影面積相關(guān)性分析

2.3 對(duì)手機(jī)拍攝的投影面積進(jìn)行修正

圖2 以坐標(biāo)紙勾繪的葉面積來(lái)修正手機(jī)拍攝的冠層投影面積Fig.2 Use the leaf area drawn on coordinate paper to correct the canopy projection area taken by mobile phone

圖3 坐標(biāo)紙勾繪的冠層投影面積與實(shí)際面積間的回歸分析Fig.3 Regression analysis between the projected area and the actual area of the canopy plotted on coordinate paper

LAIE=

(2)

2.4 LAI估算值的驗(yàn)證

圖4 LAI估算值與真值間的關(guān)系Fig.4 Relationship between estimated and true LAI values

3 結(jié)論

1)玉米生長(zhǎng)期、種植株數(shù)及二者的交互效應(yīng)對(duì)玉米冠層葉面積測(cè)定具有顯著的影響(P<0.05)，太陽(yáng)高度角的影響不顯著(P>0.05)。

本研究提出了一種基于智能手機(jī)的冠層LAI測(cè)定方法，通過模擬試驗(yàn)表明該方法可操作性強(qiáng)，測(cè)量結(jié)果具有一定的準(zhǔn)確性和有效性，可為植物冠層LAI測(cè)定提供新的途徑。