CN112361998B - 一种基于智能手机的植物叶面积指数测定方法及其应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于智能手机的植物叶面积指数测定方法及其应用。将手机拍摄的冠层投影面积计算得到投影面积真实值,所得投影面积真实值与所拍摄地面积的比值即是LAI值。本发明植物叶面积指数测定方法简单方便,且该具有可操作性强、准确性高和有效性好,适用于大田环境下生长良好、排列规则植物的有益效果。
Description
技术领域
本发明涉及一种植物叶面积指数测定方法,特别是一种基于智能手机的植物叶面积指数测定方法及其应用。
背景技术
叶面积指数(Leafarea index,LAI)是指覆盖单位地表面积上植物单叶面积总和,是表征作物冠层结构的重要指标。在植被气候变化响应、遥感作物估产及植被水土保持作用研究中LAI被广泛应用。为此,关于LAI测量与计算方法一直受到关注。
植物叶面积的测量方法主要有直接法与间接法两种。直接测量法包括手工原位测量、落叶法和系数法等;间接测量方法主要基于光学原理,通过获取植物冠层截获光能量的多少来估算或通过测量入射光在冠层中的衰减量进行估算。前者不仅耗时,而且对冠层结构干扰大,测量结果的重复性差,而后者需要借助先进的仪器设备和技术完成。虽然间接测量仪器的出现在一定程度上提高了作物冠层参数的获取效率,但该类方法计算流程复杂。如当前使用较多的是植被冠层分析仪,通过测量冠层内透过的太阳辐射量来估算冠层LAI,但该仪器价格昂贵,野外携带也不方便。为此,人们对LAI测量和计算方法仍在进行不断研究和改进。
随着智能手机的普及,摄像分辨率、运行速度和内存容量等不断提高,在野外调查中用智能手机收集资料已较为普遍,故开展基于智能手机的LAI测量和计算方法研究也受到人们关注。
针对现有作物冠层测量方法中存在的问题,本发明研发出一种基于智能手机的植物叶面积指数测定方法及其应用,且通过模型与实测LAI比较,验证了该方法的有效性。
发明内容
本发明的目的在于,提供一种基于智能手机的植物叶面积指数测定方法及其应用。本发明植物叶面积指数测定方法简单方便,且该具有可操作性强、准确性高和有效性好,适用于大田环境下生长良好、排列规则的植物。
本发明的技术方案:一种基于智能手机的植物叶面积指数测定方法,将手机拍摄的冠层投影面积计算得到投影面积真实值,所得投影面积真实值与所拍摄地面积的比值即是LAI值。
前述的基于智能手机的植物叶面积指数测定方法中,所述手机拍摄的冠层投影面积计算得到投影面积真实值是通过复合式回归方程计算得到,而复合式回归方程的方程式为:
ST=0.1412×(-0.0096SM 2+171.38SM-3612.3)0.985;
其中:ST为投影面积真实值,单位cm2;
SM为手机拍摄的冠层投影面积,单位cm2。
前述的基于智能手机的植物叶面积指数测定方法中,所述手机拍摄的冠层投影面积是将手机拍摄的植物冠层投影后,进行图片矫正,然后对植物冠层的投影面积提取得。手机拍摄的冠层投影面积可以采用现有软件(ArcGIS软件、Photoshop软件等)通过对照片的灰度图像分割进行计算。
前述的基于智能手机的植物叶面积指数测定方法中,所述手机拍摄的冠层投影面积与植物生长时期、种植株数及二者的交互效应的显著性p<0.05;手机拍摄的冠层投影面积与太阳高度角的显著性p>0.05。
前述的基于智能手机的植物叶面积指数测定方法中,所述手机拍摄的冠层投影面积与坐标纸勾绘的冠层投影面积的修正方程为:
SC=-0.0096SM 2+171.38SM-3612.3(R2=0.981),p<0.05;
其中:SM为手机拍摄的冠层投影面积,单位cm2;
SC为坐标纸勾绘的冠层投影面积,单位cm2;
R2为可决系数,p相关关系。
前述的基于智能手机的植物叶面积指数测定方法中,所述坐标纸勾绘的冠层投影面积与投影面积真实值函数关系式为:
ST=0.1412SC 0.985(R2=0.965),p<0.05;
其中:SC为坐标纸勾绘的冠层投影面积,单位cm2;
ST为投影面积真实值,单位cm2;
R2为可决系数,p相关关系。
所述的基于智能手机的植物叶面积指数测定方法的应用,所述该植物叶面积指数测定方法适用于大田环境下生长良好、排列规则的植物。
与现有技术相比,本发明具有以下有益效果:
本发明经过实验验证和线性回归分析,可通过复合式回归方程[方程式为ST=0.1412×(-0.0096SM 2+171.38SM-3612.3)0.985]将手机拍摄的冠层投影面积转换并计算得到投影面积真实值,计算所得结果与所拍摄样地面积的比值即是LAI值,并证实了该方法具有可操作性、准确性和有效性。
本文的冠层参数提取方法只能适用于大田环境下生长良好、排列规则的植物,对于复杂环境下植物冠层叶面积指数测定还需进一步研究。
实验证明:
本发明探讨了一种基于智能手机的植物叶面积指数测定方法,通过模型与实测LAI比较,验证了该方法的有效性。
1材料与方法
1.1试验材料
以喀斯特山地种植植物为研究对象,选择5个重要生长期(拔节期、小喇叭期、大喇叭期、抽雄期、成熟期)的植物植株各30株,进行冠层结构特征的测量,将测量数据用于制作植物植株模型(表1)。植物叶片采用仿真叶模拟,茎秆采用PVC管代替,将仿真叶片粘贴在PVC管,茎秆底部固定在木板上。根据田间实际测量数据模拟不同生育期完整植株,模拟植物株行距分别设置为30cm、50cm,株数分别为1、2、3、6、9株,以代表不同采样面积。
表1不同生育期单株植物模型数量特征
1.2试验方法
试验在贵州大学水土保持与荒漠化防治实验室进行。实验室为暗室条件,用白炽灯模拟太阳光照,模拟太阳高度角分别为30°、60°和90°,试验场景见图1。先将模拟植物植株按设定株行距规定于坐标纸上,用智能手机进行植物投影拍摄。同时,在坐标纸上勾绘植物植株实际投影边界,以便对手机拍摄投影值进行建模修正。
本研究中植物冠层叶面积真实值通过叶片实际面积累计计算,5个生育期单个模拟植物植株叶面积值分别为177.03、799.62、2061.25、5868.40和6581.03cm2。坐标纸面积为90112.00cm2。
植物冠层投影采用坐标纸勾绘后,利用扫描仪对坐标纸进行扫描后存入PC端,采用Photoshop CS6软件进行套取阴影填充为RGB(0,255,0)绿色的图像;对手机拍摄的照片也采用该软件进行套取填充为RGB(255,0,0)红色的图像。利用像元比例关系分别计算出投影面积,记为SC(坐标纸勾绘的投影面积)与SM(手机拍摄的投影面积)。
植物冠层LAI计算公式如下:
式中,LAI代表植物冠层叶表面积指数(无量纲);Sshade代表植物冠层投影面积(cm2);SA代表土地面积(cm2),本研究中其值为坐标纸面积。相应地,1、2、3、6和9株植物LAI真值(记为LAIT)见表2。
表2不同生育期单株植物LAIT
1.3数据处理
采用Excel 2016软件绘制图表;采用SPSS 26.0对植物冠层LAI进行多因素方差分析;通过回归方法对基于手机拍摄、坐标纸勾绘的投影面积与LAI真值进行模型分析。
方法技术路线见下图2。
2结果与分析
2.1坐标纸勾绘的植物冠层叶面积
由表3可知,随着太阳高度角的增大,坐标纸勾绘的植物冠层投影面积与实际面积间的比值(以下简称勾绘的面积比)逐渐较小,太阳高度角为30°时勾绘的面积比最接近1,60°下的面积比接近1的程度大小次之于30°的,90°下勾绘的面积比值偏离1的程度较大。不同植物生长时期与种植株数勾绘面积比变化波动不大,在太阳高度角30°下,相比植物的其他生长时期,小喇叭期的勾绘面积更接近1。
表3坐标纸勾绘的冠层投影面积与实际面积之比
以植物模型参数(5个生长时期、种植株数和太阳高度角)为因子,坐标纸勾绘的植物冠层投影面积为变量进行多因素方差分析得到下表4。植物生长时期、种植株数分别与坐标勾绘的投影面积间具有显著相关关系(p<0.05);太阳高度角与坐标勾绘的投影面积间关系不显著(p>0.05);植物生长时期与种植株数间的相互效应对坐标勾绘的投影面积间具有显著的影响(p<0.05);其余两个交互效应(生长时期×太阳高度角,太阳高度角×种植株数)对投影面积的影响不显著(p>0.05)。
表4各模型参数下坐标勾绘的冠层投影面积相关性分析
2.2手机拍摄的植物冠层叶面积
由下表5可知,总体而言,太阳高度角为60°时,手机拍摄的植物冠层投影面积与实际面积间的比值(以下简称拍摄的面积比)较接近1,90°下的面积比接近1的程度大小次之于60°的,太阳高度角为30°下勾绘的面积比值偏离1的程度较大。不同植物生长时期与种植株数勾绘面积比变化波动不大,在太阳高度角60°下,总体而言,相比植物的其他生长时期,大喇叭期下的勾绘面积比更接近1。
表5手机拍摄的冠层投影面积与实际面积之比
以植物模型参数(5个生长时期、种植株数和太阳高度角)为因子,手机拍摄的植物冠层投影面积为变量进行多因素方差分析得到下表6,由表6可知,植物生长时期、种植株数分别与手机拍摄的冠层投影面积间具有显著相关关系(p<0.05);太阳高度角与手机拍摄的投影面积间关系不显著(p>0.05);植物生长时期与种植株数间的相互效应对手机拍摄的投影面积间具有显著的影响(p<0.05);其余两个交互效应(生长时期×太阳高度角,太阳高度角×种植株数)对投影面积的影响不显著(p>0.05)。
表6各植物模型参数下手机拍摄的冠层投影面积相关性分析
2.3对手机拍摄的投影面积进行修正
以坐标纸勾绘的投影面积作为参考值,手机拍摄并处理得到的冠层投影面积(SM)作为自变量,坐标纸勾绘的冠层投影面积(SC)作为因变量做回归分析(图3),通过相关分析得到二者的修正方程为:SC=-0.0096SM 2+171.38SM-3612.3(R2=0.981),该修正方程的拟合度较高,二者的相关关系达到显著水平(p<0.05)。
对坐标勾绘的冠层投影面积与实际面积间的相关关系进行相关关系拟合得到下图4,由相关分析结果可知,坐标纸勾绘的投影面积与实际面积(ST)间存在幂函数关系,函数关系式为:ST=0.1412SC 0.985(R2=0.965),p<0.05,该回归方程的拟合度较高。结合图3的关系式可得到复合式回归方程为:ST=0.1412*(-0.0096SM 2+171.38SM-3612.3)0.985,利用该关系式可计算得到修正后的手机拍摄投影面积,再根据1.2中的公式(1)可计算得到LAI值,此处将其命为LAI估算值,以LAIE表示。
2.4LAI估算值的验证
以LAI真实值作为参考值,对上述2.3中计算得到的LAI估算值进行验证如下图5,结果表明,LAI估算值与真实值间相差不大,与直线y=x的偏离程度较小,小喇叭期、拔节期和大喇叭期的LAI值分布离直线y=x较近,部分抽雄期和成熟期LAI值分布相对其它三个生长时期(小喇叭期、拔节期和大喇叭期)的较远。对二者进行相关分析得到相关系数为0.96,表明LAI真实值与估算值间具有极显著相关关系。
3结论
(1)植物生长时期、种植株数及二者的交互效应对植物冠层叶面积测定具有显著的影响(p<0.05),太阳高度角的影响不显著(p>0.05)。
(2)经过实验验证和线性回归分析,可通过复合式回归方程[方程式为ST=0.1412*(-0.0096SM 2+171.38SM-3612.3)0.985]将手机拍摄的冠层投影面积转换并计算得到投影面积真实值,计算所得结果与所拍摄样地面积的比值即是LAI值,并证实了该方法具有可操作性、准确性和有效性。
(3)本文的冠层参数提取方法只能适用于大田环境下生长良好、排列规则的植物,对于复杂环境下植物冠层叶面积指数测定还需进一步研究。
综上所述,本发明植物叶面积指数测定方法简单方便,且该具有可操作性强、准确性高和有效性好,适用于大田环境下生长良好、排列规则植物的有益效果。
附图说明
图1是本发明的试验场景示意图(∠1,∠2,∠3分别为30°,60°,90°);
图2是本发明的方法技术路线图;
图3是本发明以坐标纸勾绘的叶面积来修正手机拍摄的冠层投影面积图;
图4是本发明坐标纸勾绘的冠层投影面积与实际面积间的回归分析图;
图5本发明LAI估算值与真实值间的关系图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明,但并不作为对本发明限制的依据。
实施例:一种基于智能手机的植物叶面积指数测定方法,将手机拍摄的植物冠层投影后,进行图片矫正,然后对植物冠层的投影面积提取得手机拍摄的冠层投影面积(SM),手机拍摄的冠层投影面积(SM)计算得到投影面积真实值(ST)是通过复合式回归方程计算得到,而复合式回归方程的方程式为:
ST=0.1412×(-0.0096SM 2+171.38SM-3612.3)0.985;
其中:ST为投影面积真实值,单位cm2;
SM为手机拍摄的冠层投影面积,单位cm2。
所得投影面积真实值与所拍摄地面积的比值即是LAI值,具体实施例见表7实施例1-7:
表7实施例1-7
Claims (6)
1.一种基于智能手机的植物叶面积指数测定方法,其特征在于:
将手机拍摄的冠层投影面积计算得到投影面积真实值,所得投影面积真实值与所拍摄地面积的比值即是LAI值;
所述手机拍摄的冠层投影面积计算得到投影面积真实值是通过复合式回归方程计算得到,而复合式回归方程的方程式为:
ST=0.1412×(-0.0096SM 2+171.38SM-3612.3)0.985;
其中:ST为投影面积真实值,单位cm2;
SM为手机拍摄的冠层投影面积,单位cm2。
2.根据权利要求1所述的基于智能手机的植物叶面积指数测定方法,其特征在于:所述手机拍摄的冠层投影面积是将手机拍摄的植物冠层投影后,进行图片矫正,然后对植物冠层的投影面积提取得;所述冠层投影面积采用现有软件通过对照片的灰度图像分割进行计算。
3.根据权利要求1所述的基于智能手机的植物叶面积指数测定方法,其特征在于:所述手机拍摄的冠层投影面积与植物生长时期、种植株数及二者的交互效应的显著性p<0.05;手机拍摄的冠层投影面积与太阳高度角的显著性p>0.05。
4.根据权利要求1所述的基于智能手机的植物叶面积指数测定方法,其特征在于:所述手机拍摄的冠层投影面积与坐标纸勾绘的冠层投影面积的修正方程为:
SC=-0.0096SM 2+171.38SM-3612.3,R2=0.981,p<0.05;
其中:SM为手机拍摄的冠层投影面积,单位cm2;
SC为坐标纸勾绘的冠层投影面积,单位cm2;
R2为可决系数,p相关关系。
5.根据权利要求4所述的基于智能手机的植物叶面积指数测定方法,其特征在于:所述坐标纸勾绘的冠层投影面积与投影面积真实值函数关系式为:
ST=0.1412SC 0.985,R2=0.965,p<0.05;
其中:SC为坐标纸勾绘的冠层投影面积,单位cm2;
ST为投影面积真实值,单位cm2;
R2为可决系数,p相关关系。
6.根据权利要求1-5中任意一项所述的基于智能手机的植物叶面积指数测定方法的应用,其特征在于:所述该植物叶面积指数测定方法适用于大田环境下生长良好、排列规则的植物。
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