CN104236486A - 一种棉花叶面积指数快速无损测定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种棉花叶面积指数快速无损测定方法，包括：根据棉花冠层透射和叶片散射的结合计算叶面积指数；对叶面积指数利用修正模型进行修正，得到修正后的叶面积指数，修正模型为：LAI＝0.84*LAI_AccuPAR+0.0879，LAI为修正后的叶面积指数，LAI_AccuPAR为修正之前计算得到的叶面积指数。以间接测量法代替传统的具有破坏性的直接测量法，并对根据棉花冠层透射和叶片散射的结合计算得到的叶面积指数利用修正模型进行修正，反演计算出田间棉花群体真实的叶面积指数，该方法可以快速、无损、有效的估测大田棉花群体叶面积指数真实值，用于棉花群体长势估测和判断，以及采取相应的栽培措施进行田间管理。

Description

一种棉花叶面积指数快速无损测定方法

技术领域

本发明涉及农业技术领域，特别涉及一种棉花叶面积指数快速无损测定方法。

背景技术

叶片是棉花进行光合作用、合成有机物的重要器官，叶面积指数(Leaf Area Index，简称LAI)是判断大田棉花生长发育状况的重要指标，还在一定程度上直接影响棉花产量和纤维品质。叶面积指数还是表征棉花冠层结构和判断棉花长势的重要参数，同时又是决定棉花生物量和最终产量的关键因子。叶面积指数是无量纲参数，其大小能够决定棉花冠层上下的小气候形态，可以很好的描述棉花冠层系统的光合作用、蒸腾作用、水拦截、光谱辐射等生理过程，是重要的生理学参数；还可以用来监测棉花的病虫害状况，预测棉花产量，是田间栽培管理的重要参考指标。因此建立方便、快速、准确的叶面积测定方法，对于指导大田棉花生产实践活动，制定高产、优质和高效的栽培技术管理措施具有积极的意义。

目前，叶面积指数的测定方法主要分为两大类：直接测量法和间接测量法。

直接测量法：叶面积是指每株棉花所有叶子的单面面积，叶面积指数则是指单位土地面积上所有叶子的单面面积，即叶面积指数等于叶面积与土地面积的比值。因此，可以通过测定单位土地面积以及棉花叶面积直接计算叶面积指数。直接测量法包括手工摘采叶片测量法、仪器测定法、线性参数法和生物量法等。其中手工摘采叶片测量法是一种传统的测定方法，主要包括方格法和扫描称重法等。方格法是在叶片下方放置一块方格纸，用铅笔描出叶片轮廓，然后统计叶片所占方格数来确定叶面积指数。扫描称重法是在一种特定的坐标纸上，用铅笔将待测叶片的轮廓描出并依叶形剪下坐标纸，称取叶形坐标纸的重量，按公式计算叶面积；仪器测定法是通过图像扫描和图像分析自动测定叶面积指数，叶面积测定仪可以分两种类型，即扫描型和图像处理型。扫描型叶面积测定仪主要由扫描器、数据处理平台和数据处理软件等组成，可以获得叶片的面积、长度、宽度、周长、叶片长度比和形状因子以及累积叶面积等数据；图像处理型叶面积测定仪由数码相机、数据处理器、处理分析软件和计算机辅助系统等组成，可以获取叶面积、形状等数据。线性参数法主要是通过对棉花叶面较规则的几何形状进行归类，通过测定叶片长度(从叶基到叶尖的长度，不含叶柄)和宽度(叶片上与主脉垂直方向上的最宽处)进行乘积，再乘以一个校正系数得到叶面积。不同形状叶片的校正系数不同，一般在0.5到1.0之间，该方法高效且简单易行；生物量法是通过具有代表性的小样本的生物量与叶面积的比值，去推算已知生物量大样本的叶面积，比值可以由小样本测量求得。一个具有代表性的小样本至少包括几株棉花的全部叶子(包括新老叶和不同形状的叶片)，大样本的生物量通过收集全部叶片测量得到，该比值的大小受棉花基因型、生长期和生态环境的影响而变化。

间接测量法包括基于数字图像、冠层反射光谱的高光谱模型等技术测定叶面积指数的方法，还可以是适用于基于卫星遥感数据大范围研究叶面积指数的卫星遥感方法。目前卫星遥感方法主要有两种：一种是统计模型法，将遥感图像数据如归一化植被指数、比值植被指数和垂直植被指数与实际测量的叶面积指数建立拟合模型，该方法输入参数单一，不需要复杂的计算，也是遥感估算叶面积指数的常用方法。另一种是光学模型法，基于棉花的双向反射率分布函数是一种建立在辐射传输模型基础上的模型，把叶面积指数作为输入变量，采用迭代的方法来推算叶面积指数。

但是现有叶面积指数测定方法中存在如下缺陷：

直接测量法具有测量精度低、测量范围小、仪器设备昂贵、操作烦琐的缺点，其测定难易程度受叶片类型影响很大。测定时需要从棉花上采集大量的功能叶片，进行破毁性测量，会对棉花造成了一定程度的伤害，同时部分测量方法还会受到耕作方式、生长期和生长环境等因素的影响，进而会影响到农学试验的连续性和有效性。而属于间接测量法的卫星遥感方法中统计模型法容易受到土壤、大气、地形等多种非植被因素的影响，由于没有通用的统计分析模型，很难应用于包括多种植被类型的大尺度遥感影像分析；而光学模型法虽不受植被类型的影响，但是由于模型过于复杂，反演耗时较长，且反演估算叶面积指数过程中有些函数并不总是收敛的，实际应用存在较大的阻碍。总之，现有技术中直接测量法每次测量棉花都要被破坏，间接测量法实际应用较为困难。

发明内容

为了解决现有叶面积指数测定方法无法满足快速无损要求的技术问题，本发明提供了一种棉花叶面积指数快速无损测定方法，包括：

根据棉花冠层透射和叶片散射的结合计算叶面积指数；

对所述叶面积指数利用修正模型进行修正，得到修正后的叶面积指数，所述修正模型为：

LAI＝0.84*LAI_AccuPAR+0.0879

其中LAI为修正后的叶面积指数，LAI_AccuPAR为修正之前计算得到的叶面积指数。

可选的，步骤S2中的所述修正模型是根据棉花在不同生长时期的测量结果进行线性拟合分析得到，其中的不同生长时期是指花蕾期到吐絮期。

可选的，所述测量结果为利用AccuPAR LP-80植物冠层分析仪测量得到的数据。

可选的，测量前，还包括：

将所述AccuPAR LP-80植物冠层分析仪放置在棉花冠层底部贴近地面，在相应的垂直于和平行于棉花行的方向放置所述AccuPARLP-80植物冠层分析仪，并分别测定三个以上样点，取平均值作为冠层底部光合有效辐射；

将所述AccuPAR LP-80植物冠层分析仪放置在棉花冠层上部，在相应的垂直于和平行于棉花行的方向放置所述AccuPAR LP-80植物冠层分析仪，并分别测定三个以上样点，取平均值作为冠层上部光合有效辐射。

可选的，测量前，还包括：

预先设定测量的日期、时间以及测量点所在的经纬度坐标值，并且所述AccuPAR LP-80植物冠层分析仪利用预先设定测量的日期、时间以及测量点所在的经纬度坐标值自动计算太阳天顶角。

可选的，所述根据棉花冠层透射和叶片散射的结合计算叶面积指数的计算公式为：

${\mathrm{LAI}}_{\mathrm{AccuPAR}}=\frac{[(1-\frac{1}{2K})\mathrm{fb}-1]\ln \mathrm{\τ}}{A(1-0.47\mathrm{fb})}$

其中K为消光系数，表示在设定的太阳高度角和冠层叶倾角下的光合有效辐射的吸收；fb为瞬时太阳有效辐射的比例，等于太阳辐射和来自环境辐射的比例；τ为冠层下部光合有效辐射与冠层上部光合有效辐射比值；A为吸收率因子。

可选的，所述消光系数K的计算公式为：

$K=\frac{{({\mathrm{\χ}}^2+{\tan \mathrm{\θ}}^2)}^{1/2}}{\mathrm{\χ}+1.744{(\mathrm{\χ}+1.182)}^{-0.733}}$

其中χ为叶片角度分布参数，表示棉花冠层内叶片角度的分布，等于叶片水平长度与垂直长度的比例；θ为太阳天顶角，表示天阳偏离顶点的角度，范围从0°到90°。

可选的，所述光合有效辐射比值τ的计算公式为：

τ＝TPAR/PAR

其中TPAR表示透过冠层底部光合有效辐射量；PAR表示入射光合有效辐射量。

可选的，所述吸收率因子A的计算公式为：

A＝0.283+0.785a-0.159a²

其中a为在太阳有效辐射波段棉花叶片的吸收率。

可选的，在太阳有效辐射波段棉花叶片的吸收率a为0.9。

本发明提供的测定方法，在选择我国黄河流域棉区有代表性的不同基因型棉花栽培品种，在本流域通用棉花栽培模式下，以间接测量法代替传统的具有破坏性的直接测量法，并对根据棉花冠层透射和叶片散射的结合计算得到的叶面积指数利用修正模型进行修正，反演计算出田间棉花群体真实的叶面积指数该方法可以快速、无损、有效的估测田间棉花群体叶面积指数真实值，用于棉花群体长势估测和判断，以及采取相应的栽培措施进行田间管理，达到棉花高产高效的目的。

附图说明

图1为实施例提供的一种叶面积指数快速无损测定方法的步骤流程图；

图2为实施例中对花蕾期棉花进行叶面积指数测量的结果示意图；

图3为实施例中对盛铃期棉花进行叶面积指数测量的结果示意图；

图4为实施例中对吐絮期棉花进行叶面积指数测量的结果示意图；

图5为实施例中对三个生长时期的叶面积指数进行整合得到的叶面积指数测量的结果示意图；

图6为实施例中修正后的叶面积指数与实测叶面积指数验证分析示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

本实施例提供了一种棉花叶面积指数快速无损测定方法，步骤流程如图1所示，包括以下步骤：

步骤S1、根据棉花冠层透射和叶片散射的结合计算叶面积指数。

步骤S2、对叶面积指数利用修正模型进行修正，得到修正后的叶面积指数，修正模型为：

LAI＝0.84*LAI_AccuPAR+0.0879

其中LAI为修正后的叶面积指数，LAI_AccuPAR为修正之前计算得到的叶面积指数。

上述方法通过对测量结果计算得到的叶面积指数进行修正，修正后的叶面积指数更接近棉花田间群体的实际叶面积指数，为后续对棉花长势评估提供更加可靠的数据来源。首先，通过利用AccuPARLP-80植物冠层分析仪同时测量大田棉花冠层上部和底部光合有效辐射，结合棉花冠层光合有效辐透射和叶片散射模型，计算相应的冠层叶面积指数读数。其次，通过棉花叶面积指数修正模型，反演计算是田间棉花群体真实叶面积指数。最后，通过叶面积指数进一步判断不同生育期棉花群体长势，采取相应栽培措施进行田间管理。本方法可以快速、无损、有效的估测大田棉花群体叶面积指数真实值，对棉花长势进行实时有效监测，为棉花群体高产栽培管理措施提供技术支持。

可选的，步骤S2中的修正模型是根据棉花在不同生长时期的测量结果进行线性拟合分析得到，其中的不同生长时期是指花蕾期到吐絮期。

可选的，其中的测量结果为利用AccuPAR LP-80植物冠层分析仪测量得到的数据。

可选的，测量前，也就是步骤S1之前，还包括：

将AccuPAR LP-80植物冠层分析仪放置在棉花冠层底部贴近地面，在相应的垂直于和平行于棉花行的方向放置AccuPAR LP-80植物冠层分析仪，并分别测定三个以上样点，取平均值作为冠层底部光合有效辐射；

将AccuPAR LP-80植物冠层分析仪放置在棉花冠层上部，在相应的垂直于和平行于棉花行的方向放置AccuPAR LP-80植物冠层分析仪，并分别测定三个以上样点，取平均值作为冠层上部光合有效辐射。

可选的，开始测量前，还包括：

预先设定测量的日期、时间以及测量点所在的经纬度坐标值，并且AccuPAR LP-80植物冠层分析仪利用预先设定测量的日期、时间以及测量点所在的经纬度坐标值自动计算太阳天顶角。

AccuPAR LP-80植物冠层分析仪是1991年美国Decagon公司在对其同类产品Sunfleck Ceptometer改进的基础上开发的新一代冠层分析仪，主要由两部分组成，即探头和控制组件。AccuPAR LP-80的探头部分长度为90cm，截面积1.44×l.6cm，内置80个互相独立的GaAsP光敏传感器，传感器间距1cm；探头可测定400-700nm波段内的光合有效辐射强度，测定范围为0-2500μmol·m^-2·s^-1。控制单元尺寸为16cm×9.5cm×4.5cm，带有一个点阵式LCD显示器。AccuPAR LP-80植物冠层分析仪通过菜单操作，对棉花冠层光合有效辐射截获量进行测量，计算叶面积指数。测量的光合有效辐射数据可以直接从数据采集器上读取，下载到计算机以便进一步分析。

AccuPAR LP-80植物冠层分析仪进行叶面积指数测定时，涉及到以下几个变量设定：

1)测定日期、时间和测定地点的经纬度。太阳天顶角θ(Solarzenith angle)定义为天阳偏离顶点的角度，范围从0°到90°。太阳天顶角是计算冠层叶面积指数的重要参数，可通过设定测定经纬度、日期和时间来确定。

2)叶片角度分布参数χ(Leaf Distribution Parameter)是指作物冠层内叶片角度的分布，是叶片水平长度与垂直长度的比例，或是叶片投影面积与垂直投影面积的比例。叶片角度分布指数对作物冠层叶面积指数的测定影响不大，除非是在有极端垂直或扁平特质的冠层结构或者是在fb(瞬时太阳有效辐射的比例)值低于0.4的情况下。如果以棉花为例，假定棉花冠层角度分布是近似球形，因此可设定χ为1.0。

3)瞬时太阳有效辐射的比例fb(Fractional of beam radiation)指的是直接来自太阳的辐射和来自环境辐射的比例，是使用光合有效辐射计算叶面积指数的必要参数。AccuPAR LP-80植物冠层分析仪可通过测定棉花冠层光合有效辐射、所处的位置和太阳天顶角来确定。

可选的，根据棉花冠层透射和叶片散射的结合计算叶面积指数的计算公式为：

${\mathrm{LAI}}_{\mathrm{AccuPAR}}=\frac{[(1-\frac{1}{2K})\mathrm{fb}-1]\ln \mathrm{\τ}}{A(1-0.47\mathrm{fb})}$      公式(1)

其中K为消光系数，表示在设定的太阳高度角和冠层叶倾角下的光合有效辐射的吸收；fb为瞬时太阳有效辐射的比例，等于太阳辐射和来自环境辐射的比例；τ为冠层下部光合有效辐射与冠层上部光合有效辐射比值；A为吸收率因子。

可选的，消光系数K的计算公式为：

$K=\frac{{({\mathrm{\χ}}^2+{\tan \mathrm{\θ}}^2)}^{1/2}}{\mathrm{\χ}+1.744{(\mathrm{\χ}+1.182)}^{-0.733}}$      公式(2)

其中χ为叶片角度分布参数，表示棉花冠层内叶片角度的分布，等于叶片水平长度与垂直长度的比例，假定棉花冠层角度分布是近似球形，因此可设定χ为1.0；θ为太阳天顶角，表示天阳偏离顶点的角度，范围从0°到90°。

可选的，光合有效辐射比值τ的计算公式为：

τ＝TPAR/PAR     公式(3)

其中TPAR表示透过冠层底部光合有效辐射量；PAR表示入射光合有效辐射量。

可选的，吸收率因子A的计算公式为：

A＝0.283+0.785a-0.159a²     公式(4)

其中a为在太阳有效辐射波段棉花叶片的吸收率。

本实施例中，优选棉花作为叶面积指数测量的目标，在太阳有效辐射波段棉花叶片的吸收率a为0.9。

进一步的，AccuPAR LP-80植物冠层分析仪测量LAI的原理与方法：

由于光合有效辐射是棉花生长发育的能量基础，而棉花的生物量积累与其冠层光合有效辐射截获量密切相关。在假设冠层内叶片随机分布和叶倾角呈椭圆分布的前提下，通过测定冠层上下辐射以及冠层内消光系数相关的参数，由Beer-Lambert定律(光吸收基本定律)可计算叶面积指数：

LAI＝-ln(TPAR/PAR)/K     公式(5)

若已知冠层下部光合有效辐射与冠层上部光合有效辐射比值τ，即τ＝TPAR/PAR     公式(6)

所以叶面积指数的计算公式可以表示为：

LAI＝-ln(τ)/K     公式(7)

根据上述公式(5)、(6)和(7)计算叶面积指数的结果没有考虑光散射的影响，因此本实施例中对上述计算叶面积指数的公式进行改进。

棉花冠层内PAR的测量是冠层透射和叶片散射的结合，JohnNorman提出预测散射和透射PAR的公式：

$\mathrm{\τ}=\exp \left\{\frac{A(1-0.47\mathrm{fb})\mathrm{LAI}}{(1-\frac{1}{2K})\mathrm{fb}-1}\right\}$      公式(8)

根据公式(8)推算出上述公式(1)中计算叶面积指数的公式，假设叶倾角为近似球形分布，则根据公式(2)计算得到K，根据公式(3)计算得到τ，根据公式(4)计算得到A，实时测量得到fb，最后计算得出LAI，公式(8)中的LAI是指修正前的叶面积指数，即LAI_AccuPAR。其中的消光系数K在任何冠层结构中均随太阳的运动而改变，AccuPARLP-80植物冠层分析仪可以自动计算不同测量时间的消光系数值，通过公式(1)计算棉花冠层叶面积指数LAI_AccuPAR，进而通过修正模型反演大田实际叶面积指数。

本实施例适用于我国黄河流域一熟春棉种植区，本流域棉区种植密度为3500株/亩，行间距为0.8m。4月中下旬播种，7月中旬棉花进入花蕾期，棉行封垄，8月棉花达到盛铃期，9月下旬进入吐絮期，因此7-9月是棉花生产调控的重要时期。通过对不同基因型棉花品种中棉所12号(常规棉)、中棉所46(杂交棉)和美棉33B(转Bt基因抗虫棉)在花蕾期、盛铃期和始絮期，在大田应用AccuPAR LP-80植物冠层分析仪进行叶面积指数测定，同时应用线性参数法破坏取样测定相应的棉花群体实际叶面积指数，然后进行拟合分析得到的结果分别如图2-5所示。

通过不同棉花品种从花蕾期到始絮期测定结果的模拟分析，AccuPAR LP-80植物冠层分析仪田间测定叶面积指数与棉花实际叶面积指数有很好的回归关系，利用修正公式

LAI＝0.84*LAI_AccuPAR+0.0879     公式(9)

进行线性拟合，直到拟合精度R²达到0.686(n＝180，n为样点个数)。利用差均方根对修正模型的符合度进行统计检验，模拟精度RSME达到0.194，如图6所示，表明通过修正模型可以很好的对AccuPAR LP-80植物冠层分析仪测定数据进行修正，反映大田棉花实际叶面积指数。

使用AccuPAR LP-80植物冠层分析仪进行测量前，首先设定好日期、时间、观测点的经纬度坐标值，以便于太阳天顶角的计算。选择大田中长势一致、有代表性的棉花，将AccuPAR LP-80植物冠层分析仪放置在棉花冠层底部，先在垂直于棉花行的方向放置，并平行测定三个以上样点；然后在平行于行向放置分析仪，测定三个以上样点，取平均值得到冠层底部光合有效辐射；将AccuPAR LP-80植物冠层分析仪放置在棉花冠层上部，在垂直于棉花行的方向放置，并平行测定三个以上样点；然后在平行于行向放置分析仪，测定三个以上样点，取平均值得到冠层上部光合有效辐射，得出该样区的叶面积指数测定值，然后根据校正模型LAI＝0.84*LAI_AccuPAR+0.0879，计算大田棉花实际叶面积指数。根据测得的大田实际叶面积指数对棉花进行长势估测和判断评价，进而采取相应的大田栽培管理措施。

本发明提供的测定方法，以间接测量法代替传统的具有破坏性的直接测量法，并对根据棉花冠层透射和叶片散射的结合计算得到的叶面积指数利用修正模型进行修正，反演计算出田间棉花群体真实的叶面积指数。该方法选择我国黄河流域棉区有代表性的不同基因型棉花栽培品种，在本流域通用棉花栽培模式下可以快速、无损、有效的估测大田棉花群体叶面积指数真实值，用于判断棉花群体长势，以及采取相应的栽培措施进行田间管理，提高群体光合生产效率，达到高产优质的目的。该方法具有速度快、范围广、不破坏作物冠层结构并自动获取叶面积指数等优点，简单实用，易于操作，得到的棉花叶面积指数测定的校正模型能够为快速准确进行棉花长势监测提供可靠依据。

以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。

Claims (10)

1.一种棉花叶面积指数快速无损测定方法，其特征在于，包括：

根据棉花冠层透射和叶片散射的结合计算叶面积指数；

对所述叶面积指数利用修正模型进行修正，得到修正后的叶面积指数，所述修正模型为：

LAI＝0.84*LAI_AccuPAR+0.0879

其中LAI为修正后的叶面积指数，LAI_AccuPAR为修正之前计算得到的叶面积指数。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S2中的所述修正模型是根据棉花在不同生长时期的测量结果进行线性拟合分析得到，其中的不同生长时期是指花蕾期到吐絮期。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述测量结果为利用AccuPAR LP-80植物冠层分析仪测量得到的数据。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，测量前，还包括：

将所述AccuPAR LP-80植物冠层分析仪放置在棉花冠层底部贴近地面，在相应的垂直于和平行于棉花行的方向放置所述AccuPARLP-80植物冠层分析仪，并分别测定三个以上样点，取平均值作为冠层底部光合有效辐射；

将所述AccuPAR LP-80植物冠层分析仪放置在棉花冠层上部，在相应的垂直于和平行于棉花行的方向放置所述AccuPAR LP-80植物冠层分析仪，并分别测定三个以上样点，取平均值作为冠层上部光合有效辐射。

5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，测量前，还包括：

预先设定测量的日期、时间以及测量点所在的经纬度坐标值，并且所述AccuPAR LP-80植物冠层分析仪利用预先设定测量的日期、时间以及测量点所在的经纬度坐标值自动计算太阳天顶角。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据棉花冠层透射和叶片散射的结合计算叶面积指数的计算公式为：

${\mathrm{LAI}}_{\mathrm{AccuPAR}}=\frac{[(1-\frac{1}{2K})\mathrm{fb}-1]\ln \mathrm{\τ}}{A(1-0.47\mathrm{fb})}$

其中K为消光系数，表示在设定的太阳高度角和冠层叶倾角下的光合有效辐射的吸收；fb为瞬时太阳有效辐射的比例，等于太阳辐射和来自环境辐射的比例；τ为冠层下部光合有效辐射与冠层上部光合有效辐射比值；A为吸收率因子。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述消光系数K的计算公式为：

$K=\frac{{({\mathrm{\χ}}^2+{\tan \mathrm{\θ}}^2)}^{1/2}}{\mathrm{\χ}+1.744{(\mathrm{\χ}+1.182)}^{-0.733}}$

其中χ为叶片角度分布参数，表示棉花冠层内叶片角度的分布，等于叶片水平长度与垂直长度的比例；θ为太阳天顶角，表示天阳偏离顶点的角度，范围从0°到90°。

8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述光合有效辐射比值τ的计算公式为：

τ＝TPAR/PAR

其中TPAR表示透过冠层底部光合有效辐射量；PAR表示入射光合有效辐射量。

9.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述吸收率因子A的计算公式为：

A＝0.283+0.785a-0.159a²

其中a为在太阳有效辐射波段棉花叶片的吸收率。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，在太阳有效辐射波段棉花叶片的吸收率a为0.9。