基于数字图像的棉花群体光合有效辐射的空间分布特征

科学量化作物群体的光合有效辐射的空间分布是作物信息科学的核心内容之一。本项目采用数字图像识别技术，以结构高度异质的棉花群体为研究对象，研究棉花冠层光合有效辐射在两维空间的分布动态变化特征，探索光合有效辐射空间分布研究的新理论和新方法。主要研究内容包括，棉花群体冠层光合有效辐射的空间分布采样的采样方法和理论；研究基于空间位置的群体形态特征的数字图像采集，数量化分析方法和数字图像颜色的空间变异性；研究基于空间统计的棉花群体冠层光合有效辐射以及群体数字图像颜色特征的空间插值与预测模拟技术；建立基于数字图像的棉花群体光合有效辐射的空间预测模拟模型；构建基于数字图像的群体冠层光合有效辐射的空间预测信息平台。为合理利用品种、优化种植结构、提高管理水平、监测长势长相和预测产量品质提供及时有效的决策依据。

本研究以不同棉花群体为研究对象，综合棉花各阶段生长发育特点和环境因素，利用空间统计学，研究冠层PAR透射率的空间分布特征和时空变异性，结合数字图像颜色特征随生育期的动态变化规律建立以及颜色特征参数与LAI和PAR透射率的相关性，建立PAR透射率的颜色特征模拟模型，研究结果为作物管理、株型构建与调控提供理论和技术支持。.研究结果表明，棉花群体数字图像各颜色分量在不同的密度下全生育期变化具有特定规律性，密度之间差异显著。R分量在棉花生长全生育期呈现二次曲线变化趋势。G分量则表现为开口向下的二次曲线。B分量其分布曲线形状界于R和G之间，呈现不规则波动。H分量全生育期变化趋势曲线为开口向上的二次曲线，I分量变化趋势曲线部分具备二次曲线特征，S分量变化趋势曲线不具备二次曲线特征。.不同大小群体冠层PAR空间变化结构方差构成比例分布在0.585～0.9，一半在0.75以下，表明在棉花封行前，PAR空间变化具有中度空间相关性，在6月17日以后，群体PAR空间变化具有高度空间相关性。通过对比不同空间差值方法，克里格法对PAR透射率进行空间插值计算，插值结果均方根误差越小、相对系数越大，估计精度高。.各密度不同时期冠层PAR的空间分布呈V”型或“U”型分布，均随着向下累计LAI的增加呈明显的递减趋势。冠层内光照强度随着高度的降低而减弱，但上部、中部的衰减速率较大，下部较小，且衰减速率随着种植密度的增加而增加。蕾期，棉田未封行，冠层内PAR透射率在同一取样高度的变异程度大于花铃期。.本文利用3/8simpson计算方法，得到棉花整个冠层的PAR透射率，反射率，截获率，群体PAR反射率来看，整个生育期群体PAR反射率，前期先快速下降，然后缓慢下降后缓慢上升。群体PAR透光率随着密度增加而减小，随着生育进程的推进，群体PAR透光率逐渐减小，到了棉花开始衰老，叶片开始脱落，群体透光率有开始缓慢上升。群体PAR透射率来看，PAR透射率变化曲线也呈开口向上的二次曲线；棉花PAR截获率变化曲线均呈开口向下的二次曲线.数字图像RGB、HSI、HSV、YIQ模型的颜色特征特征参数与LAI和PAR透射率分别呈极显著的相关性。其中H和H2的相关性最高，以这两个颜色参数建立的基于颜色特征的LAI和PAR透射率的估算模型，拟合度高，残差小，可准确的表述各阶段PAR透射率。