基于数字半球摄影法的水稻叶面积指数反演模型研究

本项目以南方水稻为研究对象，以南方水稻冠层LAI反演模型为研究内容，研究适合拍摄水稻冠层半球图像的高分辨率多光谱鱼眼镜头照相机；采用基于自制和NIKON鱼眼镜头照相机的数字半球摄影法，在晴天和阴天等不同天气条件、在水稻冠层内不同拍摄位置、不同的相机曝光时间和快门速度等情况下拍摄不同品种、不同生育期南方水稻冠层半球图像，基于蓝光波段和全波段半球图像，研究半球图像的纠正、增强方法、技巧和流程；研究半球图像中天空像元、叶片像元和混合像元的分类阈值，以及混合像元的分解阈值；研究半球图像的南方水稻冠层孔隙度反演模型；结合实测LAI值，研究单天顶角和多角条件下LAI的反演模型；基于反演获得的孔隙度和LAI值以及实测LAI值，反演水稻冠层丛生指数，研究水稻冠层丛生效应，改进LAI反演模型，提高模型反演精度，减少误差，为进一步研制基于半球摄影法的水稻冠层LAI快速测试仪打下理论基础。

利用半球摄影法获取的数字图像研究水稻冠层参数的反演模型，是近年来相关研究领域的热点问题之一。本研究首先自制了180度视角鱼眼镜头，研制了适合拍摄水稻低矮冠层图像的微小型专用半球摄影系统，用来拍摄不同年度、不同水稻品种的冠层数字半球图像；采用了NIKON D90数码相机机身+NIKKOR DX ED鱼眼镜头进行同期拍摄，用来比较不同数字图像摄影系统获得的数字图像对反演模型的影响。基于不同来源的数字图像，本项目着重研究了单角度（Single zenith angle ，SZA）模型、线性多项式拟合（Linear polynomial fitting ，LPF)、Miller积分模型（Miller Integral, MI）的LAI反演性能；参照LI3000C的测试结果，建立了水稻冠层丛生指数反演模型；对比研究了本研究所用半球摄影系统与LI3000C和LAI2000C获取水稻冠层LAI的性能，验证了本项目所得LAI反演模型的精度和准度；最后在微软C#2008编程环境下编制了专用的摄影控制系统和图像处理及LAI、丛生指数计算专用软件。同时，本研究提出的关于拍摄水稻冠层半球图像的硬件系统、半球图像处理方法、LAI和丛生指数反演模型，以及参数计算软件，为研究水稻其他冠层参数和其他低矮冠层作物冠层参数反演模型，提供重要的研究基础和模型参考。