第22卷第6期2006年6月农业工程学报T r ansactions of the CSA E V ol.22 N o.6Jun. 2006
作物冠层BRDF 的M onte Carlo 模拟与分析
黄健熙1,吴炳方1※,田亦陈1,曾 源1,2
(1.中国科学院遥感应用研究所,北京100101; 2.W agening en U niver sity a nd Resear ch Center ,the N etherlands)摘 要:该文构建了光子在作物冠层传输的随机过程,采用蒙特卡罗(M o nt e Car lo)方法模拟了作物冠层BR DF 。对比蒙特卡罗模型和M CRM 模型,分析了叶倾角(L AD )与叶面积指数(LA I )对两模型BR DF 的影响,并对其中的变化给出了合理的解释。研究表明,两模型虽然在模拟的BRDF 数值上有一定差异,但在不同LA D 和LA I 对BRDF 的变化趋势上达到了较好的一致性。最后,用实测BRD F 数据验证和分析蒙特卡罗模型,结果表明,蒙特卡罗模型与实测BR DF 较为吻合,蒙特卡罗模型可以作为其他作物冠层BRDF 前向模拟的有效验证工具。
关键词:作物冠层;蒙特卡罗方法;双向反射率分布函数;M CR M 模型中图分类号:S 127 文献标识码:A 文章编号:1002-6819(2006)06-0001-06黄健熙,吴炳方,田亦陈,等.作物冠层BRDF 的M onte Car lo 模拟与分析[J].农业工程学报,2006,22(6):1-6.
Huang Jianx i ,Wu Bing fang ,T ian Y ichen ,et al .Cr op canopy BR DF simula tio n and a nalysis using M onte Car lo met ho d [J].T r ansact ions of t he CSA E,2006,22(6):1-6.(in Chinese w ith English abstract )
收稿日期:2005-06-23 修订日期:2005-08-26
基金项目:中国科学院知识创新重要方向项目“植被群落遥感定量监测与巡视技术”(KZCX3-SW -334)
作者简介:黄健熙(1976-),男,博士研究生,主要从事生态环境遥感研究。北京市朝阳区大屯路9718信箱 中国科学院遥感应用研究所,100101。Email:vr _h jx@https://www.doczj.com/doc/6014027371.html,
※通讯作者:吴炳方,北京 中国科学院遥感应用研究所,100101。Email:w ubf@https://www.doczj.com/doc/6014027371.html,
0 引 言
基于计算机的蒙特卡罗(M onte Carlo )方法是1949年M etropolis 等提出的,又称随机抽样技巧或统计试验方法。通过在三维作物冠层内模拟大量光子的发生、碰撞、散射、消亡的过程,并对逃出冠层的光子进行统计,从而估计冠层的二向反射分布函数(BRDF)[1,2]。
现代计算机运行速度加快,使需要足够大样本数的蒙特卡罗模拟成为可能。因此,近20多年来,蒙特卡罗方法被普遍用于植被遥感中的BRDF 及热点效应的模拟,并且其模拟结果往往作为检验遥感模型的标准[3]。
1 蒙特卡罗模拟作物冠层BRDF
1.1 植被冠层的蒙特卡罗模拟研究进展
蒙特卡罗方法是植被冠层反射模型中计算机模拟模型的核心算法,蒙特卡罗方法模型很好地解释和描述了光子与植被叶片的相互作用过程。近几十年来,得到了众多学者的广泛研究。
日本学者Tanaka [4]首先提出用蒙特卡罗方法研究烟草群落的太阳辐射面积,把叶子视为三角形,用1000个光子模拟,通过记录碰撞数而正确描述了植被群落的热点效应机制。
Ro ss 等[1,5]
将作物假定水平无限的植被,在此基础上研究了植被结构和光照条件对群体BRDF 的影响。在对植被群体的研究中,他们首先用各种数学函数模拟群
体的几何结构,然后假设群体顶部初始直接入射光具有
单位强度,天空散射光的强度等于其角分布强度。他们用此模型具体研究了叶子形状、大小及叶间距离、叶角分布、植株高度及土壤反射率等对冠层反射率的影响。
Govaerts and Verstraete [6]
设计的Ray tr an 模型,用于模拟植被冠层(包括森林冠层和作物冠层)的BRDF 。
Gastellu -Etchegor ry 等[7]
设计了DART (Discrete
Anisotro pic Radiative Tr ansfer)模型用于模拟BRDF 。这些模型都是用蒙特卡罗方法和针对复杂三维异质性场景设计和实现的,但在具体处理细节上有一定差异。
作物冠层与森林冠层在BRDF 建模上有较大差异。作物冠层可以近似看作水平均匀的混合介质,森林冠层则不能做如此假设。森林冠层BRDF 模型必须考虑不同尺度上BRDF 的影响因子,森林立地的树冠分布,树冠结构和形状,树枝和枝条的分布,叶子的分布等因素,才可能准确建立冠层的BRDF 模型。1.2 作物冠层内光子的随机过程
蒙特卡罗方法模拟作物冠层BRDF,必须准确描述光子在冠层介质中传输的随机过程。本文将其随机过程设计为:首先选择一个随机数确定光子进入植被的自由路径,然后用一个或者几个随机数确定路径上的植被组分(叶子)的位置、方向、种类及入射的光子是否碰撞到了这个组分(叶子)。如果发生碰撞,入射光就会被吸收或散射(反射和透射),散射方向由随机数和散射相函数共同决定,这个过程不断重复直到光子被吸收或者最终到达传感器,然后选择其它随机数,模拟下一个光子从“生”到“死”的过程。
本文模型中,假设植被冠层叶子方位角是均匀分布的,且视整个冠层为一个单元高度。光子的运行方向用一个统一的冠层坐标系(定义垂直向上为天顶角0°,垂直向下为180°;方位角以X 轴为0°起点,逆时针方向方
1
位角增加,回到起点时为360°)来控制,所有叶子倾角分布和光子入射、散射方向都基于这一坐标系来表示。每个叶片都存在一个叶子局部坐标系,用于计算光子碰撞叶子后的散射(反射和透射)方向。具体的光子随机过程描述如下:
1)单位能量的光子从某个能量发射源以一定的方向(天顶角和方位角)射向作物冠层。产生随机数,根据光子的运行方向和冠层的LAI和G函数值,计算光子的自由路程L1。
2)计算光子运行方向在冠层中的最大可能运行距离L max1,比较光子自由路程L1和L max1。若L1> L max1,光子天顶角大于90°时,则光子将穿过植被冠层直接击中背景土壤,进行过程(7);若L1>L m ax1,而光子天顶角小于90°,则光子将穿过植被冠层上界而死亡。若L1 3)如果光子与冠层叶片发生碰撞,产生随机数,确定叶子是发生反射、透射还是吸收。如果是吸收,则光子消亡在冠层中,重新发射和追踪光子。如果是反射和透射,判断光子剩余能量,如果光子没有消亡,进行下一步。 4)根据叶倾角概率密度分布函数,产生随机数确定碰撞叶子的倾角;由于叶子的方位角在2P空间内随机分布,产生随机数确定叶子的方位角。 5)根据光子入射方向和叶子的法向构造叶子局部坐标系,并且假设叶子的反射和透射都符合Lam bertian 分布。在叶子坐标系生成光子散射方向,并转换到冠层坐标系,在冠层坐标系追踪光线。 6)根据光子散射后的方向,产生随机数,计算光子的自由路程L2和L max2比较,若L2 7)光子与土壤表面发生碰撞,假设土壤表面的反射符合Lambertian分布,采用类似的方法确定光子的散射方向。光子反射后一定向上运行,并带着剩余的能量从反射方向射向冠层,返回过程1)。 8)当光子逃出冠层上界,或光子经多次碰撞被吸收后,所剩的能量小于一个很小的阈值,表明光子基本被组分吸收,则该光子死亡。然后重新对一个新的光子进行上述过程的跟踪模拟。 9)采用一定数量的光子对上述随机过程进行模拟,记录在上半球空间每个单位立体角上逃出光子的个数。按照BRDF的定义即可获得每个角度上的方向反射率,从而完成整个作物冠层BRDF模拟。 2 作物冠层BRDF蒙特卡罗模拟结果与分析 本文在准确描述光子在作物冠层中碰撞、散射的随机 过程基础上,采用蒙特卡罗方法模拟作物冠层BRDF。用C语言编程实现整个模拟过程。2.1 作物冠层BRDF蒙特卡罗模拟结果 蒙特卡罗模拟所用到参数为:叶子倾角:球面型;近红外(830nm):叶子半球反射率:0.49;叶子半球透过率:0.44;土壤反射率:0.159;红光(660nm):叶子半球反射率:0.055;叶子半球透过率:0.015;土壤反射率: 0.127;叶面积指数(LA I):3.0m2/m2;光子终止能量阈值:0.01;叶子大小维数:K=0.08;传感器高度:100;光子数:4.0×107。光子入射天顶角为23.6°。 蒙特卡罗采用的光子数决定BRDF模拟的精度,由蒙特卡罗算法原理,模拟均方差误差表达为: SD_Mean_Error=sqrt(Az_Gr id×Zen_Grid/ PhotonNumber)(1)式中 Az_Grid,Zen_Grid——分别为BRDF主平面方位角和天顶角格网划分大小。通常Az_Grid,Zen_Grid 划分得越细,需要的光子数越多,才能达到一定的模拟精度。 PhotonNumber为达到SD_M ean_Er ror需要的光子数。如果达到3%的均方差误差,并且BRDF主平面的Az_Grid,Zen_Grid划分为1°×1°,根据公式(1)计算需要模拟的光子数约为4.0×107;要达到2%的均方差误差,大约需要8.0×107。图1、图2分别是红光波段(660 nm)和近红外波段(830nm)采用4.0×107和8.0×107光子模拟的结果。 图1 不同光子数蒙特卡罗BRD F模拟(红光:660nm) Fig.1 V ariatio ns o f BR DF w it h var ying pho tons and zenith v iew ang le(RED:660nm) 图2 不同光子数蒙特卡罗BRDF模拟(近红外:830nm) Fig.2 V ariatio ns o f BR DF w it h var ying pho tons a nd zenith view ang le(NI R:830nm) 2农业工程学报2006年 结果表明,蒙特卡罗模型采用8.0×107光子数模拟的BRDF曲线比采用4.0×107光子有更小的离散程度。蒙特卡罗模拟的BRDF在天顶观测方向出现异常值是由于Zen_Grid的采样方法造成在天顶方向上采样不同。 2.2 蒙特卡罗模型与M CRM模型的比较和分析 爱沙尼亚的Andres Kuusk[9,10]提出的M CRM(T he M ar ko v Chain Canopy Reflectance M odel)是模拟作物冠层BRDF的代表性模型,该模型侧重于辐射传输理论的建模和应用。模型中假设作物冠层为水平均一介质。M CRM模型的主要结构参数有:叶面积指数(LAI)、叶倾角(LAD)、叶子大小、M arkov参数、叶片蜡质层折射指数。生物化学参数主要有:叶绿素浓度,叶子的水分含量,蛋白质含量,木质素和纤维素含量等,叶片的反射率和透过率采用PROSPECT或LIBERT Y模型模拟计算。 由于M C和M CRM模型的设计的原理和方法不同,两模型的输入参数的个数和含义存在一定差异。在比较和分析这两个模型时,尽量保证了主要的结构和光学参数相同,并采用了2.1节中的参数。 2.2.1 叶倾角分布LAD对作物冠层BRDF的影响 为了评价不同作物冠层叶倾角(LAD)对MC模型和M CRM模型BRDF的影响,引入三种典型的作物冠层叶倾角分布函数[8],即 水平型g=D(L l-1),G=?L l?(2) 球面型g=1,G=0.5(3) 垂直型g=D(L l-0),G=2(1-L2l)1/2/P(4)式中 g——叶子倾角分布函数;L l=co s H l,H l——叶倾角;G——表征了作物所有叶片在太阳入射方向上的截光能力大小。固定其他的参数,分别改变叶子的倾角分布类型,红光波段,MC模型和M CRM模型模拟结果分别为图3和图4,近红外波段模拟结果分别为图5和图6。 从不同LAD对两模型BRDF模拟结果可以分析: 不同LAD对MC模型和MCRM模型作物冠层BRDF的影响变化趋势比较一致。 在红光波段(660nm),不同LAD对作物冠 层 图3 M C模型不同L A D对作物冠层BR DF 的影响(660nm) F ig.3 V ariatio n o f BR DF w it h LA D and zenith v iew angle by M C mo del(r ed:660nm) 图4 M CRM模型不同L AD对作物冠层BRDF 的影响(660nm) Fig.4 V ariatio n of BRDF with L AD and zenith view ang le by M CRM mo del(r ed:660nm) 图5 M C模型不同L A D对作物冠层BR DF 的影响(830nm) Fig.5 V ar iations of BRDF with L AD and zenith view angle by M C mo del(N IR:830nm) 图6 M CRM模型不同L AD对作物冠层BRDF 的影响(830nm) Fg u.6 V ar iat ion o f M CRM BRDF with L AD and zenith v iew angle by M CRM model(N IR:830nm) BRDF的影响不明显,M C模型和M CRM模型都表现了此规律。可能的原因是作物叶面积指数为3时,基本覆盖了背景土壤,土壤的影响很小,叶片在红光的反射率低,因此,不同LAD对作物冠层BRDF的影响小。 在近红外波段(830nm),不同LAD对作物冠层BRDF的影响较大。水平型的BRDF最高,球面型次之,垂直型最低。MC模型和MCRM模型都表现了此规律。可能的原因是,近红外波段多次散射的作用强。对于水平型分布的冠层,光子不易进入冠层,其单次散射的作 3 第6期黄健熙等:作物冠层BRDF的M o nte Carlo模拟与分析 用强。而对于垂直型分布的冠层,光子容易进入冠层发生多次散射消亡,其观测到阴影叶片和土壤的概率增大,因此,整体的BRDF 偏低。球面随机型叶片的冠层介于水平和垂直型之间,其BRDF 也位于中间。 2.2.2 叶面积指数LAI 对作物冠层BRDF 的影响 对M C 模型和M CRM 模型,假设LAI 依次从1,3,5变化,而固定模型其他输入参数,研究LA I 对冠层BRDF 的影响。红光波段MC 模型和MCRM 模型模拟结果分别为图7和图8。近红外波段模拟结果分别为图9和图10 。 图7 M C 模型不同LA I 对作物冠层BR DF 的影响(660nm ) F ig.7 V ar iations of BRDF w ith L A I and zenith view ang le by M C model (RED :660nm ) 图8 M CRM 模型不同L AI 对作物冠层BRDF 的影响(660nm ) F ig.8 V ar iations of BRDF w ith L A I and zenith v iew angle by M CR M model(RED :660 nm) 图9 M C 模型不同LA I 对作物冠层BR DF 的影响(830nm ) F ig.9 V ar iations of BRDF w ith L A I and zenith view ang le by M C model(N IR:830nm) 图10 M CRM 模型不同LAI 对作物冠层BRDF 的影响(830nm ) F ig.10 V ariatio ns o f BR DF w it h L A I and zenit h view ang le by M CRM mo del (N IR :830nm ) 从两模型模拟结果可以分析: 在红光波段,总体变化趋势是LAI 越大,BRDF 的数值越低。M C 模型和M CRM 模型都表现了此规律,这主要是叶片对红光的强烈吸收作用造成的。LAI 越小,热点的位置越高。 在近红外波段,BRDF 的变化趋势相反,LAI 越大,BRDF 值也越大。M C 模型和M CRM 模型都表现了此规律,这主要是由于叶片在近红外波段的强反射造成。LAI 越大,热点的位置越高。 3 蒙特卡罗模型与实测数据验证与分析 为了验证蒙特卡罗模型,利用2001年4月21日顺义赵全营乡NW 4点的冬小麦冠层BRDF 观测数据与蒙特卡罗模拟结果进行验证和分析。野外观测仪器是SE590便携式野外光谱仪(Spectron Eng ineering Inc.,U SA ),探测器型号为CE390WB,波长范围368.4～1113.7nm ,波谱分辨率约3nm ,视场角15°。观测基本信息如表1。 表1 观测基本信息 T able 1 Basic infor mation of o bser ved BRDF /(°) 观测日期观测时间作物类型 LAI 太阳天顶角太阳方位角观测方位角 2001-04-21 11:01:00冬小麦 3.0631.1 151.3 155&335 蒙特卡罗模型采用上述相同参数进行模拟。蒙特卡罗模型在红光(660nm )和近红外(830nm)与实测数据的对比如图11和图12。 图11和图12中的实测冬小麦BRDF,在前向,随观测天顶角增大,观测到的阴影比例越来越大,反射率一直在减小;在后向,随观测天顶角增大,反射率逐渐增大,至热点(SZN=31.1度)附近渐趋平缓,甚至小于两侧的反射率值,而没有出现一个峰值,即热点效应。其原因是在热点方向上观测仪器阻挡了部分入射光线,形成阴影,降低了热点方向上目标物的反射率,这一点在实测近红外BRDF 数据上表现更为明显。其次,也有可能与所选择的瞬时视场角较大(IFOV =15°)有关,大视场角容易造成方向反射信息的平滑。 4农业工程学报2006年 图11 实测BR DF 数据与M C 模型比较(660nm )Fig.11 M C-based BRDF validated by field measured data (R ED :660nm ) 图12 实测BR DF 数据与M C 模型比较(830nm )Fig.12 M C-based BRDF validated by field measured data (N IR :830nm ) 从实测BRDF 数据验证MC 模型结果可以看出,两者BRDF 的变化趋势达到较好的一致。 红光波段,只是在前向大观测角方向,M C 模型模拟值比实测值稍高。近红外波段,M C 模型模拟值整体上与实测数据吻合较好。MC 模型在前向观测方向的碗边效应不如实测数据明显。 由于叶片的反射率和透过率,以及背景土壤的反射率没有相应的实测数据,MC 模型模拟中较难确定这些参数。这在一定程度上影响着实测数据对M C 模型的验证。 4 结论与讨论 由于光子在植被冠层中的碰撞过程是一个随机过程,如果随机过程设计合理,采用蒙特卡罗方法可以准确模拟出作物冠层BRDF 。 比较和分析M C 模型和M CRM 模型,两模型虽然在模拟的BRDF 数值上有一定差异,但都准确模拟出 了BRDF 的两个重要特性:热点现象和碗边效应。并且,BRDF 后向观测的值比前向观测大,这与实测BRDF 特性相吻合。 不同LAD 和LAI 对M C 模型和M CRM 模型BRDF 的影响和变化趋势上基本一致。红光波段,不同LAD 对BRDF 的影响很小,近红外波段影响相对较大。不同LAI 在红光波段和近红外波段对BRDF 的影响呈现相反的变化趋势。 用实测BRDF 数据验证M C 模拟,结果表明,两者在BRDF 的变化趋势上达到了较好的一致性。部分的不吻合与叶片的反射率和透过率,以及土壤的反射率密切相关。 致谢:感谢爱沙尼亚的Andres Kuusk 提供MCRM 模型。感谢北京师范大学承担的863计划“我国典型地物标准波谱数据库”(2002AA 130010)项目组提供冬小麦实测BRDF 数据。 [参 考 文 献] [1] Ross J K ,M ar sha k A L .Calculatio n of canopy bidirec-t 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[7] Gastellu-Et cheg or ry J P,Dema rez V ,Pinel V ,et al. M odeling ra diat ive tr ansfer in hetero g eneo us 3-D veg eta-t ion canopies [J ].Remo te Sens Envir on,1996,58,131-156. [8] Ross J.T he r adiatio n reg ime and ar chitectur e of plant st ands [M ].Dr .W .Junk P ublishers ,T he Hague ,Bo st on,L o ndon,1981.391pp.[9] Kuusk A .A tw o -lay er canopy reflectance m odel [].J .Q . S.R.T.,2001,71:1-9. [10]K uusk A .A M arko v chain model of canopy reflectance [J].Ag r icult F or est M eteo ro l,1995;76:221-236. 5 第6期黄健熙等:作物冠层BRDF 的M o nte Carlo 模拟与分析 6农业工程学报2006年 Crop canopy BRDF simulation and analysis using Monte Carlo method Huang Jianxi1,Wu Bingfang1※,Tian Yichen1,Zeng Yuan1,2 (1.I nstitute of Remote Sensing Ap p lications,Chinese A cadem y of Sciences,Beij ing100101,China; 2.W ageningen U niv er sity and R esear ch Center,the N ether lands) Abstract:T his autho r designs the random process betw een photons and crop cano py.A M onte Carlo model has been dev elo ped to simulate the Bi-directional Reflectance Distribution Functio n(BRDF)of cro p canopy.Co mpar-ing Mo nte Carlo model to M CRM model,this paper analyzes the v ar iations of different LAD and LAI of these tw o models and g ives the r easonable ex planation.It can be concluded that although there are som e differences in BRDF v alue,the BRDF chang e trend w ith varying LAD and LAI reaches a g ood ag reem ent.In the end using field measured BRDF data to validate Mo nte Car lo mo del,the results show that the sim ulated BRDF w ith M onte Carlo model is in g ood accordance to the field data.T herefore,Monte Carlo model can pr ovide the effective validation tool of other forw ard BRDF simulation m odels of crop cano py. Key words:crop canopy;Mo nte Carlo metho d;BRDF;M CRM model 作物冠层分析仪使用说明书 在植物生理研究中，作物冠层分析仪可以说是一款非常重要的设备，因为作物的冠层是作物生理研究中的一个重要参数信息，实验人员常用它来反映植物叶面数量、植物群落生命活力及其环境效应，为植物冠层表面物质和能量交换的描述提供结构化的定量信息。除此之外，作物冠层它还是衡量作物生长状况的重要指标，所以说研究作物的冠层相关参数对于作物的管理调控和估产都具有重要意义。而托普云农推出的TOP-1200作物冠层分析仪选用敏感波段的光源照射作物冠层，感光部件同步获取冠层反射光谱信息，耦合作物生长监测诊断模型，获取作物生长信息，并诊断作物氮素匮缺情况。 那么，作物冠层分析仪具体该怎么使用呢？以下就是TOP-1200作物冠层分析仪的使用说明。 一、作物冠层分析仪安装步骤： 1、首先将指针紧紧地插入地下，接着将立杆1和立杆2旋转锁紧，并连接立杆和插针； 2、连接之后将调节块放入立杆，并调节到合适的高度，拧紧螺丝锁紧； 3、然后将传感器放入调节块，拧紧螺丝锁紧，即安装完成。 4、连接主机和传感器，长按开机键开机，即可进行采集数据。 二、作物冠层分析仪使用步骤： 1、自动采集：按菜单键进入采集设置的自动采集，然后调节传感器的高度就可以进行采集数据。 2、手动采集：手持传感器，进行手动采集。 3、传感器保持水平状态，传感器探头垂直向下。 三、作物冠层分析仪注意事项： 1、传感器通电预热2分钟以上，防止测量的时候有误差不稳定。 2、传感器保持水平状态，传感器探头垂直向下。 以上便是TOP-1200作物冠层分析仪的使用说明，该作物冠层分析仪能够有效地分析植被指数RVI、NDVI、作物叶层含氮量、氮积累量、叶面积指数、叶干重等，就比如叶面积指数、光照间隙及间隙分布状况。通过分析辐射数据的相关信息，能够测算出冠层截获的PAR以及冠层下方的辐射水平。比起传统测量法， 植物冠层温度测量仪的功能特点及测量原理 作物冠层温度测量仪顾名思义，很多人可能就会认为只是一种测量作物冠层温度大小的设备，这的确是它的作用，但除此之外，它还可以用于测量作物亩穗数，这些功能对于筛选和培育适宜冠层品种有重大意义。 作物冠层图像分析仪可用于各种高度植物冠层的研究，利用鱼眼镜头和CCD 图像传感器获取植物冠层图像，通过专用分析软件，获得植物冠层的相关指标和参数。利用鱼眼镜头成像测量植物冠层数据，只操作一次即可，简化了传统测量方法要一天定点多次测量的繁复工作，而且利用图像法测量冠层可以主动避开不符合计算该冠层结构参数的冠层空隙部分，也可以躲开不符合测量计算的障碍物。操作简单方便，是一种很好的作物育种工具。 作物冠层温度测量仪是主要用于测量作物在胁迫状态下的温度的，是确定农作物的冠层温度热点的设备。我们都知道，植物水分状况直接反映植物生长，测量植物水分含量能够实现农业的精准灌溉，这是当今节水灌溉的必经之路。而叶气温差和冠层温度可以很好地反映植物水分盈亏状况，此外，环境温度对植物开花等重要生长过程的影响也有研究，为进一步揭示植物本身与环境温度的关系，就必须要对植物体的“体温”进行测量。 TOP-500植物冠层温度测量仪是托普云农在吸收国内外先进技术的基础上，自主研发的一种现代化植物生理研究设备，它是通过菜单操作的线性光合有效辐射测量仪，用于拦截植物冠层中光线的测量，并计算叶面积指数。它包括数据采集器和探杆。探杆上包括80个独立的传感器，间隔-2-11cm ，测量400-700nm 波段内的光合有效辐射强度，其单位是μmol ms。该仪器可手动操作，也可自动测量。 总而言之，使用植物冠层温度测量仪可以活体采集叶片温度实现叶温和温差的实时精准测量，该仪器具有结构合理，操作简单，数据存储量大等特点，是植物生理研究中的一项先进技术。 可以为农田作物选育优良品种和大田栽培等生产时间带来有利的指导作用，为农业生产带来各种便利，推动农业现代化步伐，保证农业丰产高质。 冠层分析系统详细介绍 对于实验研究，实验人员的要求一向是比较严格的，不只是对于实验的过程，对于实验所用仪器也是如此。在植物生理研究方面，需要进行研究项目有很多，因此也避免不了要对植物进行一系列的实验，但是一般而言在使用过程中是避免不了实验仪器对植物的损害的，但是在科学技术发达的今天，一系列科学实验仪器的投入和使用，不仅实现了对植物的无损测定，还在一定程度上提高了实验检测的精度。就比如冠层分析系统，那么冠层分析系统是什么呢？冠层分析系统是一款可快速测定植被表面参数、植物冠层信息、植物养分信息、土壤养分信息、环境参数、植物病虫害程度等指标信息的植物生理仪器。 作物冠层分析是当前生态学中研究植物冠层光能资源调查的重要一步，需要测定植物冠层中光线的拦截等，对于作物的生长发育、产量品质与光能利用间的关系有重要的意义。而为了实现无损测定，冠层分析系统不断优化传统的测定方法，在利用传统测定方法的优势的同时，继续创新，研究了能够利用仪器快速无损测定的手段，不仅使作物冠层分析工作更加简单，而且也在一定程度上满足了现代田间测定的需要。据了解，有相关研究者通过在田间的对比试验，结果表明，冠层分析系统能够取得较好的效果，能够当前作物冠层无损测定的需要，而且通过数据的保存和传输，能够为进一步研究作物的光能利用提供重要的数据材料。 托普云农研发生产的TOP-1300冠层分析系统，采用国际上一致采用的原理（比尔定律以及冠层孔隙率与冠层结构相关的原理），通过专用鱼眼镜头成像和CCD图像传感器测量冠层数据和获取植物冠层图像，利用软件对所得图像和数据进行分析计算，得出冠层相关指标和参数，具有准确、省时省力、快捷方便的特点。目前，该设备已经广泛的应用于农业、园艺、林业领域有关栽培、育种、植物群体对比与发展的教学、研究工作当中，并发挥着重要的作用。 植物的冠层是植物与外界发生互相作用的主要场所，而光合有效辐射和叶面积指数是评估植物健康状况和植物冠层结构的重要指标。光合有效辐射可以表示有多少光能可以被植物光合作用利用，叶面积指数指的是可用于估计冠层密度和生物量，是植物冠层结构的一项重要表征参数。传统的测量这些植物冠层参数的方法是手动测量，其原理非常简单，但是需要耗费大量的时间和人力，并且在测量时不仅会毁坏植物，还很容易因为人为因素而导致测量结果不准确。因此，现在多使用植物冠层图像分析仪测量各项植物冠层参数。 在植物生理研究中，植物冠层图像分析仪可以说是一款非常重要的设备，其用途也非常广，主要有以几点： 1、可测算植物冠层的太阳直射光透过率、天空散射光透过率、冠层的消光系数，叶面积指数和叶片平均倾角等。 2、可用于农作物、果树、森林内冠层受光状况的测量和分析。 3、可用于不同植物群体结构的比较。 4、可对农田作物群体生长过程进行动态监测。 植物冠层图像分析仪广泛的应用于作物、植物群体冠层受光状况的测量分析以及农林业科研工作。了解仪器的用途，下面我们再来了解一下仪器的测量原理：植物冠层图像分析仪采用国际上一致采用的原理（比尔定律以及冠层孔隙率与冠层结构相关的原理），通过专用鱼眼镜头成像和CCD图像传感器测量冠层数据和获取植物冠层图像，利用软件对所得图像和数据进行分析计算，得出冠层相关指标和参数。 而托普云农TOP-1300植物冠层图像分析仪可以无损测量叶面积指数、叶片平均倾角、散射辐射透过率、不同太阳高度角下的直射辐射透过率、不同太阳高度角下的消光系数、叶面积密度的方位分布、冠层内外的光合有效辐射（PAR）等。仪器探头体积小巧，装在测杠上可任意角度测量植物冠层结构。除此之外，仪器同时具有精确、省时省力、快捷方便的特点，并且可以野外工作和长时间测量。 基于冠层温湿度模型的日光温室黄瓜霜霉病预警方法? 王一慧１，２ 一李梅兰１ 一许建平３ 一陈梅香２ 一李文勇２ 一李一明 ２?? （１山西农业大学园艺学院，山西太谷０３０８００；２国家农业信息化工程技术研究中心／农业部农业信息技术重点开放实验室／北京市农业物联网工程技术研究中心，北京１０００９７；３北京市丰台区植保植检站；北京１０００７０） 摘一要一利用温室环境参数构建室内微环境模拟模型，并结合温室病害模型进行预警，便于开展病害生态防治，以减少农药使用，从而保护温室生态环境和保证农产品质量安全．本文利用温室内能量守恒原理和水分平衡原理，构建了日光温室冠层叶片温度和空气相对湿度模拟模型．叶片温度模拟模型考虑了温室内植物与墙体二土壤二覆盖物之间的辐射热交换，以及室内净辐射二叶片蒸腾作用引起的能量变化；相对湿度模拟模型综合了温室内叶片蒸腾二土壤蒸发二覆盖物与叶面的水汽凝结引起的水分变化．将温湿度估计模型输出值作为参数，输入黄瓜霜霉病初侵染和潜育期预警模型中，估计黄瓜霜霉病发病日期，并与田间观测的实际发病日期比较．试验选取２０１４年９月和１０月的温湿度监测数据进行模型验证，冠层叶片温度实际值与模拟值的均方根偏差（ＲＭＳＤ）分别为０．０１６和０．０２４?，空气相对湿度实际值与模拟值的ＲＭＳＤ分别为０．１５％和０．１３％．结合温湿度估计模型结果表明，黄瓜病害预警系统预测黄瓜霜霉病发病日期与田间调查发病日期相吻合．本研究可为黄瓜日光温室病害预警模型及系统构建提供微环境数据支持． 关键词一日光温室；黄瓜；叶片温度；相对湿度；估计模型 ?国家自然科学基金项目（３１４０１６８３）二中国气象局气候变化专项（ＣＣＳＦ２０１５２１）二天津市农业物联网区试工程项目（设施蔬菜智能识别与监测预警系统建设）和欧盟ＦＰ７项目（ＰＩＲＳＥＳ?ＧＡ?２０１３?６１２６５９）资助．??通讯作者．Ｅ?ｍａｉｌ：ｌｉｍ＠ｎｅｒｃｉｔａ．ｏｒｇ．ｃｎ２０１４?１２?１９收稿，２０１５?０６?０９接受． 文章编号一１００１－９３３２（２０１５）１０－３０２７－０８一中图分类号一Ｓ１６２．４；Ｓ４３１一文献标识码一ＡＡｎｅａｒｌｙｗａｒｎｉｎｇｍｅｔｈｏｄｏｆｃｕｃｕｍｂｅｒｄｏｗｎｙｍｉｌｄｅｗｉｎｓｏｌａｒｇｒｅｅｎｈｏｕｓｅｂａｓｅｄｏｎｃａｎｏｐｙｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅａｎｄｈｕｍｉｄｉｔｙｍｏｄｅｌｉｎｇ．ＷＡＮＧＨｕｉ１，２，ＬＩＭｅｉ?ｌａｎ１，ＸＵＪｉａｎ?ｐｉｎｇ３，ＣＨＥＮＭｅｉ?ｘｉａｎｇ２，ＬＩＷｅｎ?ｙｏｎｇ２，ＬＩＭｉｎｇ２（１ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＨｏｒｔｉｃｕｌｔｕｒｅ，ＳｈａｎｘｉＡｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｔａｉｇｕ０３０８００，Ｓｈａｎｘｉ，Ｃｈｉｎａ；２ＮａｔｉｏｎａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＲｅｓｅａｒｃｈＣｅｎｔｅｒｆｏｒＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙｉｎＡｇｒｉ?ｃｕｌｔｕｒｅ／ＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙｆｏｒＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎＴｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓｉｎＡｇｒｉｃｕｌｔｕｒｅ，ＭｉｎｉｓｔｒｙｏｆＡｇｒｉｃｕｌｔｕｒｅ／ＢｅｉｊｉｎｇＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＲｅｓｅａｒｃｈＣｅｎｔｅｒｏｆＡｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌＩｎｔｅｒｎｅｔｏｆＴｈｉｎｇｓ，Ｂｅｉｊｉｎｇ１０００９７，Ｃｈｉｎａ；３ＦｅｎｇｔａｉＳｔａｔｉｏｎｏｆＰｌａｎｔＰｒｏｔｅｃｔｉｏｎａｎｄＱｕａｒａｎｔｉｎｅ，Ｂｅｉｊｉｎｇ１０００７０，Ｃｈｉｎａ）．?Ｃｈｉｎ．Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｅｃｏｌ．，２０１５，２６（１０）：３０２７－３０３４． Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅｇｒｅｅｎｈｏｕｓｅｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌｐａｒａｍｅｔｅｒｓｃａｎｂｅｕｓｅｄｔｏｅｓｔａｂｌｉｓｈｇｒｅｅｎｈｏｕｓｅｍｉｒｃｏ?ｃｌｉ?ｍａｔｅｍｏｄｅｌ，ｗｈｉｃｈｃａｎｃｏｍｂｉｎｅｗｉｔｈｄｉｓｅａｓｅｍｏｄｅｌｆｏｒｅａｒｌｙｗａｒｎｉｎｇ，ｗｉｔｈａｉｍｏｆｅｃｏｌｏｇｉｃａｌｃｏｎ?ｔｒｏｌｌｉｎｇｄｉｓｅａｓｅｓｔｏｒｅｄｕｃｅｐｅｓｔｉｃｉｄｅｕｓａｇｅ，ａｎｄｐｒｏｔｅｃｔｉｎｇｇｒｅｅｎｈｏｕｓｅｅｃｏｌｏｇｉｃａｌｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔｔｏｅｎ?ｓｕｒｅｔｈｅａｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌｐｒｏｄｕｃｔｑｕａｌｉｔｙｓａｆｅｔｙ．Ｇｒｅｅｎｈｏｕｓｅｃａｎｏｐｙｌｅａｆｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅａｎｄａｉｒｒｅｌａｔｉｖｅｈｕ?ｍｉｄｉｔｙｍｏｄｅｌｓｗｅｒｅｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄｕｓｉｎｇｅｎｅｒｇｙｂａｌａｎｃｅａｎｄｍｏｉｓｔｕｒｅｂａｌａｎｃｅｐｒｉｎｃｉｐｌｅｉｎｓｉｄｅｔｈｅｇｒｅｅｎｈｏｕｓｅ．Ｔｈｅｌｅａｆｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｍｏｄｅｌｃｏｎｓｉｄｅｒｅｄｒａｄｉａｔｉｏｎｈｅａｔｔｒａｎｓｆｅｒｂｅｔｗｅｅｎｔｈｅｇｒｅｅｎｈｏｕｓｅｃｒｏｐｓ，ｗａｌｌ，ｓｏｉｌａｎｄｃｏｖｅｒ，ｐｌｕｓｔｈｅｈｅａｔｅｘｃｈａｎｇｅｃａｕｓｅｄｂｙｉｎｄｏｏｒｎｅｔｒａｄｉａｔｉｏｎａｎｄｃｒｏｐｔｒａｎｓｐｉ?ｒａｔｉｏｎ．Ｆｕｒｔｈｅｒｍｏｒｅ，ｔｈｅｗａｔｅｒｄｙｎａｍｉｃｂａｌａｎｃｅｉｎｔｈｅｇｒｅｅｎｈｏｕｓｅｉｎｃｌｕｄｉｎｇｌｅａｆｔｒａｎｓｐｉｒａｔｉｏｎ，ｓｏｉｌｅｖａｐｏｒａｔｉｏｎ，ｃｏｖｅｒａｎｄｌｅａｆｗａｔｅｒｖａｐｏｒｃｏｎｄｅｎｓａｔｉｏｎ，ｗａｓｃｏｎｓｉｄｅｒｅｄｔｏｄｅｖｅｌｏｐａｒｅｌａｔｉｖｅｈｕｍｉｄｉｔｙｍｏｄｅｌ．Ｔｈｅｐｒｉｍａｒｙｉｎｆｅｃｔｉｏｎａｎｄｌａｔｅｎｔｐｅｒｉｏｄｗａｒｎｉｎｇｍｏｄｅｌｓｆｏｒｃｕｃｕｍｂｅｒｄｏｗｎｙｍｉｌｄｅｗ（Ｐｓｅｕ?ｄｏｐｅｒｏｎｏｓｐｏｒａｃｕｂｅｎｓｉｓ）ｗｅｒｅｖａｌｉｄａｔｅｄｕｓｉｎｇｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｏｆｔｈｅｌｅａｆｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅａｎｄｒｅｌａｔｉｖｅｈｕｍｉｄｉ?ｔｙｍｏｄｅｌ，ａｎｄｔｈｅｎｔｈｅｅｓｔｉｍａｔｅｄｄｉｓｅａｓｅｏｃｃｕｒｒｅｎｃｅｄａｔｅｏｆｃｕｃｕｍｂｅｒｄｏｗｎｙｍｉｌｄｅｗｗａｓｃｏｍｐａｒｅｄ 应用生态学报一２０１５年１０月一第２６卷一第１０期一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一ＣｈｉｎｅｓｅＪｏｕｒｎａｌｏｆＡｐｐｌｉｅｄＥｃｏｌｏｇｙ，Ｏｃｔ．２０１５，２６（１０）：３０２７－３０３４ 森林冠层结构与功能及其时空变化研究进展* 李德志1 臧润国2 (1华东师范大学环境科学系,上海200062;2中国林业科学研究院森林生态环境与保护研究所,北京100091) 摘要 林冠是森林与外界环境相互作用最直接和最活跃的界面层,同时,它本身又承载了森林生物多样性的主体部分。森林冠层研究的方法和技术在近些年取得了长足发展,从而促进了有关林冠结构与功能的研究。这些研究深化了人们对于林冠结构与光能截获以及群落干物质积累之间关系的认识,同时,对于森林冠层的物质循环和能量传输以及冠层内各营养级之间相互关系动态也有了更为深入的理解。考察森林冠层的结构与功能及其时空变化是深入理解整个森林生态系统的格局、过程及其运作机制的重要基础。 关键词 林冠 功能 机制 格局 结构 The Research Advances on the Structure and Function of Forest Canopy, as well as Their Temporal and Spatial Changes Li Dezhi1 Zang Runguo2 (1D epar tment o f Env ir onmental Science,East China No rma l U niv ersity,Sha ng hai200062; 2R esear ch Inst itute of F or est Ecolog y,Env ir onment and P r otectio n,Chinese Academy o f Fo restr y,Beijing100091) Abstract Fo rest canopy is regarded as a m ost direct and active interface betw een the for est and its outer env ironment.At the meantime,it also contains the m ain part of the forest biodiv ersity. The methods and techniques fo r studying forest canopy hav e progr essed g reatly in the recent years,w hich prom oted the r esearches on the forest canopy structur e and function.T hese re-searches deepened the reco gnition on the relationships between the for est canopy,light capture and dry matter accumulatio n within the co mmunity,and also,deepened the understanding of the material cycle,energy flo w and the dynamics of interrelations am ong the trophic levels w ithin the canopy.The studies on the fo rest canopy structure and function as w ell as their temporal spatial changes are the bases fo r deep understanding the pattern,process and mechanism o f w hole forest ecosystem. Key words:canopy,function,m echanism,pattern,structur e 1 引言 植物的冠型是植物用以适应环境和提高整体光合效能所采取的一种生态对策。具有不同的生态习性或生长在不同类型生境中的植物,其冠型结构特征往往会表现出很大的不同。例如,生长在开阔地的树木一般倾向于形成扩散型的多层冠型结构(叶片散布于冠层的内外);而生长在庇荫环境中的树木则倾向于形成单一而连续的冠层(叶片多集中于冠层的外部)[21]。传统的植物形态学研究侧重于对植被冠层进行定性描述,并主要以单株植物为研究对象。随着现代测量技术手段的发展,在植物群体冠型结构的研究方面已经取得了长足进步。 森林是地球表面上生物量最为庞大的植被类型,同时,森林冠层的生物多样性也构成了地球生物多样性的主要部分,森林生态系统中具有光合活性的叶层系统也基本囊括其间[25]。因此,林冠研究不仅有利于深入了解森林生态系统的运作机制,也有利于合理培育和经营森林群落。 林冠的研究典型地包括4个组织层次,即器官(叶、茎、枝)、植株、林分和群落[40]。林冠生物学是森林科学中的一个新兴学科,它包括固着的和运动的生物的研究,以及它们与生态群落相联系的过程[29,30]。 有关森林冠层的生态学研究起步相对较晚,并且最初基本上是以描述性的研究为主。随着一些新的研究方法的不断问世,生态学家们终于能够采用更加便捷、有效和数量化的方法进行林冠方面的研 第17卷 第3期2004年6月 世 界 林 业 研 究 World Forestry Research Vol.17 No.3 J un.2004 本研究得到上海市生态学重点学科、华东师范大学211工程项目以及国家自然科学基金项目(No.30370245)的资助。收稿日期:2004-02-20 植物冠层分析仪测植物冠层相关参数的方法植物冠层分析仪采用近红外光反射光谱技术和多通道光谱信息扫描技术，可以测定植被表面参数、植物冠层信息、植物养分信息、土壤养分信息、环境参数、植物病虫害程度等，获取作物生长信息，并诊断作物氮素匮缺情况。近年来，为了研究和测量作物生长的限制因素等有价值的信息，进一步提高农作物的生长潜力，取得增产增效的目标，农业研究中应用了很多新的科学仪器和技术，而植物冠层分析仪就是其中一种重要的农业仪器。 该仪器的应用大大的减少了研究人员获取数据的时间，使冠层的结构分析过程更加的准确、高效。目前，托普云农研发生产的TOP-1200植物冠层分析仪已经广泛的应用于农业、园艺、林业领域有关栽培、育种、植物群体对比与发展的教学、研究工作当中，能有效帮助人们进行科学种植、施肥，使作物处于更有利的生长态势，以达到优质高产目的。拥有众多功能特点及作用的植物冠层分析仪在使用时当然也不能马虎，因为正确的使用方法是保证仪器测量准确度的基础，那么，如何使用植物冠层仪呢？我们一起来看看吧！ 托普TOP-1200植物冠层分析仪使用方法： 1、先安装传感器，将插针紧紧插入低下，再将立杆1和立杆2旋转锁紧，接着连接直杆和插针； 2、将调节块放入直杆，并调节到合适的高度，拧紧螺丝锁紧； 3、将传感器放入调节块，拧紧螺丝锁紧，即安装完成； 4、接着连接主机和传感器，长按开机键开机，调节传感器高度进行采集数据； 5、按菜单键进入采集设置自动采集，也可手动采集，传感器也可手持使用采集。 以上就是植物冠层分析仪测植物冠层相关参数的方法，需要提醒大家的是，在使用过程中应该注意两个事项：一是传感器要保持水平状态，传感器tan头垂直向下；二是传感器通电后应预热2分钟以上，防止测量有误差或者不稳定。 玉米株型冠层三维数字化与结构解析技术研究作物群体是履行光合作用和物质生产职能的组织体系,其形态结构对光截获能力、冠层光合效率以及作物产量均具有重要影响,作物群体形态特征一直是人类认识、分析和评价作物的最基本方式。然而,作物群体形态结构复杂,空间分布规律性差、各器官表面结构变异性强,群体间存在大量器官的遮挡、交叉与相互作用,其形态结构不是简单单株复制的物理过程。传统农业对于作物群体形态结构的研究以经验型人工测量实验为主,其难以精确刻画作物群体因品种、种植密度和人工管理措施因素带来的形态结构差异。因此,综合运用计算机图形学、统计学、农学的技术和方法,以数字化、可视化的方式对作物群体形态结构进行快速、准确的解析研究具有重要的现实意义。 玉米是我国最重要的粮食作物之一,增产潜力巨大;同时玉米植株高大,群体形态结构相对简单,易于描述和研究。针对玉米株型冠层三维数字化和结构解析研究中存在的问题,借助三维信息获取手段,重点开展玉米表型参数提取、玉米器官三维资源库构建、玉米群体三维建模、玉米器官网格简化和作物冠层冠隙分数计算方法研究,并应用这些方法对玉米株型和冠层结构进行评价。论文主要工作和创新点如下:1.基于三维数据的玉米表型参数提取。针对玉米株型参数手工测量标准不一致、误差大,基于图像和三维点云提取的株型参数无法满足玉米三维建模精度的问题。 利用三维数字化仪获取玉米植株三维骨架结构数据,整合农学中对株型参数的定义,提取玉米主要株型参数,包括株高、叶倾角、方位角、叶长等。通过求解距离植株各叶片方位角角度差之和最小的平面角得到精确的玉米植株方位平面,并提出描述方位角偏离程度的dev值作为评价植株紧凑性指标。基于三维数字化提取的玉米株型参数可精确反映玉米品种和因栽培处理等因素产生的形态差异,并可用于玉米形态结构的三维模型构建。通过计算玉米果穗三维点云的法向信息,对点云进行收缩变换和欧式聚类,实现了玉米果穗点云的籽粒级分割,为基于三维数据的果穗考种提供了技术支持。 2.玉米器官三维模板资源库构建。针对玉米植株及群体三维建模缺乏高精度器官三维模板支持的问题,提出基于实测数据的玉米器官三维模板资源库构建方法。对玉米植株进行结构单元划分,从三维数据获取方式角度制定玉米主要器官 农业干旱指标研究综述 王友贺，谷秀杰 河南省气象台，河南郑州 450003 摘要：干旱是对人类及其社会危害很大的一种自然灾害。总的来说，干旱可分为气象干旱、水文干旱、农业干旱和社会经济干旱，其中农业干旱是我国发生范围最广、频率最高、灾情和影响最严重的干旱类型。为了全面地认识农业干旱，有效地进行旱灾风险管理，减轻旱灾损失和影响，本文在参考了大量国内外有关文献的基础上，对目前比较有代表性的农业干旱分析指标系统地进行了归纳总结，指出了不同指标的优点和缺点，并对今后的研究方向进行了展望。 关键词：干旱；干旱分类；农业干旱；农业干旱指标 引言 干旱目前已是人们普遍关注的世界性问题。1990年国家科委出版的“中国科学技术蓝皮书”第五号《气候》，将干旱列为了我国气候灾害之首[1]。近几十年来，随着全球气候日趋变暖，干旱和旱灾造成的损失和影响越来越严重。干旱不仅直接导致农业减产，食物短缺而且其持续累积会使土地资源退化、水资源耗竭和生态环境受到破坏，制约可持续发展。因此，预防和减轻旱灾成为当今世界的重要课题之一。而全面认识旱灾本质、成因及其发生规律则是有效预防和减轻旱灾的前提[2]。本文将对国内外学者关于农业干旱研究的进展作一简介和综述。 1. 农业干旱的定义 对于干旱的研究，国内外已开展了大量工作，国外始于19世纪末，国内始于20世纪初。各部门对干旱定义有所不同，综合起来看，干旱可分为四类：气象干旱、水文干旱、农业干旱和社会经济干旱。就农业干旱而言，是指由外界环境因素造成作物体内水分失去平衡，发生水分亏缺，影响作物正常生长发育，进而导致减产或失收的现象。它涉及到土壤，作物、大气和人类对资源利用等多方面因素，所以是各类干旱中最复杂的一种。它不仅是一种物理过程，而且也与生物过程和社会经济有关。按其成因的不同还可以将农业干旱分为：土壤干旱、生理干旱和大气干旱[3]。 ---------------------------------------------------------------最新资料推荐------------------------------------------------------ 棉花冠层结构测定方式探索 棉花冠层结构测定方式探索植物冠层结构是指群落中地上部分器官的数量和空间排列方式。 其要素包括植物叶、茎、枝、花和果等的大小、形状、角度、位置分布以及在时空上的动态变化。 良好的作物冠层往往和高产紧密联系,测量获得植物冠层结构的基本参数信息以了解植物冠层与环境之间的相互作用过程,是对棉花采取调控措施的主要依据[1-3]。 测定冠层结构的仪器根据其原理的不同可分为三类,分别为基于空隙率分析、基于空隙大小分布分析和基于辐射数据采集技术。 国内外对棉花冠层结构特征的研究很多[4-7],但用仪器实际测定冠层特征时,明显会存在个人掌握的尺度不够统一和主观判断的差异等缺陷,影响了信息的适时采集、造成分析处理结果的准确性不高。 因此针对具体的田间环境,建立采集冠层信息的相对标准操作方法,以减小人为误差影响显得尤为重要。 针对新疆棉花覆膜栽培模式,研究仪器测量时间、在田间放置位置、测定高度等因素对棉花冠层结构影响,确定棉花冠层结构测定最适时间、测点和高度。 1 冠层测定的原理 1.1 试验所用仪器试验用近年来在棉花冠层结构测定中使用较普遍的美国CID 公司产的CI-110 数字式植物冠层图像分析仪[8-12],该仪器原理是基于空隙 1 / 7 大小分布分析冠层特征。 它主要是通过鱼眼成像原理,将摄像头水平放置在近地面处对作物群体照相,每次成像形成一个Image文件,存储在仪器中,用专用软件对获取的图像进行数字化及相关处理,通过计算出直接辐射透过系数或植物冠层下可视天空比例来获取相关的参数。 1.2 测量参数 1. 2.1 叶面积指数(Leafareaindex,LAI)。 是指单位土地面积上某一指定层次内所包含的总的叶面积,它通常是指作物群落内从地面到层顶的叶子总面积。 1.2.2 平均叶倾角(Meanfoliageinclinationangle,MFIA)。 是指叶面法线方向与 Z 轴方向的夹角,即平均叶倾角为叶片与主茎间的夹角。 1.2.3 散射辐射透过率(Transmissioncoefficientfordiffusepenetration,TC)。 散射辐射是指太阳辐射以散射的形式到达地面的辐射,对光合作用有较大的辅助作用。 1.2.4 直射辐射透过率(Transmissioncoefficientforradiationpenetration,T)。 直接辐射是指太阳辐射以平行光的方式到达地面的辐射,是光合作用的主要成分。 1.2.5 消光系数(Extinctioncoefficient,K)。 实验六植物冠层分析仪测量原理与使用方法 【实验目的】 通过本实验使学生了解叶面积指数这一重要生态系统结构与功能参数，掌握目前国际上流行的叶面积指数测定仪器——植物冠层分析仪的使用方法，并以灌木林为例，在老师的指导下分组具体测定灌木林地叶面积指数。 【实验原理】 叶面积指数（Leaf Area Index，LAI）是一个重要的生态系统结构参数，定义为某一树木或林分的叶片在地面上投影的总面积。叶面积指数不仅直接反映植物的生长状况，而且影响着植物的许多生物、物理过程，如光合作用、呼吸作用、蒸腾作用、碳氮循环和降水截获等。由于叶面积的指数是一个很好反映植物对于环境变化响应的指标，又与植被的光合作用、蒸腾作用、水分利用及净初级生产力、碳氮循环直接相关，特别是在研究植被生产力与遥感数据的关系模型方面，叶面积指数显示了巨大的应用前景，因此，叶面积指数的快速和准确测定显得十分重要。LAI是研究从叶片水平推移到森林冠层的重要参数，是一个无量纲、随着叶子数量的变化而变化的参数。LAI值变化范围：针叶林的为0.6～16.9；落叶林为6～8；年收获的作物为2～4；绝大部分生物群系为3～19。 LAI测量方法包括直接测量法和间接测量法。直接测量法通过先测定所有叶片的叶面积，再计算LAI，叶面积测量方法有求积仪测定法、称重法、方格计算法、排水法、经验公式计算法、异速生长法等。其中常用的有利用叶片形状的标准形状法、根据叶面积与叶重之间关系的称重法以及利用叶面积与胸径的回归关系推算叶面积的易速生长法。因要剪下全部待测叶片，直接测量多数属于毁坏性测量，或至少会干扰冠层，叶片角度的分布，从而影响数据的质量，直接测量法费时、费力。 间接测量法，利用冠层结构与冠层内辐射与环境的相互作用这一可定量耦合关系，通过测定辐射的相关数据推断冠层的结构特征，具体有顶视法和底视法。间接测量法可以避免直接测量法所造成的大规模破坏植被的缺点，不受时间的限制，获取数据量大，仪器容易操作，方便快捷，还可以测定一年中森林冠层LAI的季节变化。间接测量法常用的仪器有LAI-2000植物冠层分析仪（美国LI-COR 公司）、AccuPAR（美国Decagon公司）、SunScan（英国Delta-T Devices）、TRAC（陈镜明）、CI-110 植物冠层图像分析仪（美国CID公司生产）等。目前最常使用的是LAI-2000植物冠层分析仪，其特点是能现场读数，快速直接测量叶面积指数，并不受光线条件限制，能在不同光照下进行测量，但测量时不需太阳直射光线照射，LAI-2000可测量不同大小的冠层，仪器轻便易携，便于野外使用，低能耗，可以在野外长时间使用，还可以连接多种辐射感应器，能同时测量PAR等。 本实验主要介绍目前国内最常用的叶面积指数测定仪―LAI-2000植物冠层分析仪。 【实验器材】 LAI-2000植物冠层分析仪 一仪器组成 LAI-2000由LAI-2070控制器和LAI-2050传感器两部分构成。LAI-2050传感器主要的构成部分包括：鱼眼镜头：半球型市场（74°）；反射镜：反射鱼眼镜头接收的光；滤光镜：最小化树叶散射光的贡献；系列透镜；硅光敏圆环：从中心向外分为5个环形，张开的角度分别为7°、23°、38°、53°、68°；LAI-2070控制器包含了测量和计算结果必要的电子元件和64kB的文件存储空间，以及一个可显示两个数据的液晶显示屏控制器有5个接口，其中有2个LAI-2050传感器接口（X,Y）、2个BNC 接口（1,2）和1个与计算机通讯用的RS-232接口。LAI-2070控制器由6个电池驱动，可持续工作260小时。除此之外，LAI-2000还有一系列的观察帽，用于在一定情况下限制传感器的视域。 工具软件：基于Windows平台的FV2000软件和基于DOS的1000-90和2000-90，用于从LAI-2070控制器下载、浏览、分析数据，并计算结果。 二LAI-2000测量原理 当光线透过植物冠层时，由于受到叶片和枝干的阻拦，辐射强度会迅速消减。根据其消减程度就可推算出植物的叶量。LAI-2000便是依据此原理，通过测量植被冠层以上（A）和植被冠层以下（B）5个角度的透射光线，利用植被树冠的辐射转移模型, 计算LAI。LAI-2000测量一次至少包括10个数据：传感器置于冠层上方的5个数据和传感器置于冠层下方的5个数据。这两组数据测量时，传感器都要水平朝上放置。通过这两组相应数据相除就可计算出5个冠层透射率值。 超高产春玉米冠层结构及其生理特性 作者：张玉芹;杨恒山;高聚林;张瑞富;王志刚;徐寿军;范秀艳;杨升辉 作者机构：内蒙古农业大学农学院,呼和浩特010019;内蒙古民族大学农学院,内蒙古通辽028042;内蒙古民族大学农学院,内蒙古通辽028042;内蒙古农业大学农学院,呼和浩特010019;内蒙古民族大学农学院,内蒙古通辽028042;内蒙古农业大学农学院,呼和浩特010019;内蒙古民族大学农学院,内蒙古通辽028042;内蒙古民族大学农学院,内蒙古通辽028042;内蒙古民族大学农学院,内蒙古通辽028042 来源：中国农业科学 ISSN：0578-1752 年：2011 卷：044 期：021 页码：4367-4376 页数：10 正文语种：chi 关键词：春玉米;超高产;冠层结构;生理特性 摘要：[目的]研究超高产春玉米群体冠层结构和功能特性,揭示超高产形成的生理机制,为春玉米超高产栽培提供理论依据.[方法]以金山27为供试品种,设超高产栽培(SHY)和普通高产栽培(CK)2个处理,于2009年和2010年连续2年的田间试验,测定超高产春玉米冠层结构及生理指标的变化规律.[结果]与普通高产栽培相比,超高产栽培春玉米叶面积指数大,在生育期上表现为吐丝之后更为明显,在叶位上表现为棒三叶最为突出；不同叶位的叶倾角超高产栽培均小于普通高产栽培,而叶向值均大于普通高产栽培,在棒三叶表现最为明显；随着生育时期的推移,超高产栽培与普通高产栽培光合势的差幅增大；吐丝期和乳熟期,两种栽培模式间净光合速率的差异不显著,但冠层光合能力的差异均达到极显著水平；吐 丝后40d内,超高产春玉米叶片SOD和POD酶活性总体上高于普通高产栽培,而MDA含量低于普通高产栽培.[结论]超高产栽培春玉米叶面积指数高,群体光合势大；叶倾角小、叶向值大,冠层结构合理；叶片SOD和POD活性强,MDA 含量低,衰老缓慢,净光合速率相对较高,冠层光合能力强.在合理的栽培技术调控下,超高产春玉米群体结构与个体功能实现了协同增益. AccuPAR植物冠层分析仪 光合有效辐射（PAR）和叶面积指数（LAI）是评估植物健康状况和植物冠层结构的重要指标。PAR表示有多少光能可被植物光合作用利用；LAI可用于估计冠层密度和生物量，是植物冠层结构的一项重要表征参数。AccuPAR 可以同时测量PAR 和LAI。仪器出厂前经过校验，校验值储存于内存中，故在使用过程中无须校验。AccuPAR植物冠层分析仪被广泛应用于农业、林业和植物学等研究领域。工作原理 探头中包括80个间隔为1 cm的PAR光量子传感器，用于测量环境光照中PAR 的变化，输入研究区域的经纬度和时间，仪器可自动计算出天顶角，通过设置叶角分布参数（X）和测量冠层上、下PAR的比率，可以计算出植物冠层的LAI值。 主要优点 ?经济、便携 ?实时测量PAR ?简便直观的6键控制 ?自动记录模式功能 ?强大的数据存储能力，1M内存 ?既可用随机所带软件，也可用计算机超级终端下载数据 ?低电消耗，4节7号碱性电池可使用2年 ?外置PAR传感器可用于探杆校准和实时测量冠层上、下的PAR值系统组成 ?带传感器的控制单元 ?测量探杆和外置PAR传感器 ?RS-232数据线、数据传输软件、用户说明书及手提箱 技术指标 数据存储容量 1 M RAM（可存2000次以上测量结果）传感器数量80个GaAsP光敏传感器 PAR传感器量程0~>2500 μmol·m-2·s-1 PAR传感器分辨率 1 μmol·m-2·s-1 探杆长度84cm 仪器总长99 cm 无人值守采样间隔1~60 min可选 重量0.56 kg 数据传输RS-232数据线 键盘6键菜单驱动 工作环境0~50 ℃，0~100 % RH 电源4节7号电池 最小空间分辨率 1 cm 订购信息 LP-80含外置PAR传感器（线长2m） 外置PAR传感器延长线（7.6m，3针环形接口） 冠层分析仪可分析测量的指标 在植物生理研究中，研究人员需要对植物进行研究的项目有很多，而随着科学技术的发展，要想提高科学实验研究结果的准确性，就必须借助相关的植物生理仪器设备，冠层分析仪就是植物生理研究中重要的仪器之一，该仪器的投入及应用，不仅不会损伤植物，而且检测结果的准确性非常的高。 那么，冠层分析仪可以分析测量的指标有哪些呢？ 冠层分析仪也叫植物冠层分析系统，该系统采用可见/近红外光反射光谱技术和多通道光谱信息扫描技术，可快速测定植被表面参数、植物冠层信息、植物养分信息、土壤养分信息、环境参数、植物病虫害程度等指标。通过测定这些指标，进而更好的了解作物的生长信息，并诊断植物的氮素匮缺情况。就拿氮来说，氮是植物生长中氮是植物生长必需的重要营养元素之一，为植物的光合作用提供重要支持，对植物的生长、产量和品质有着极为显著的影响。而且，几乎所有植物对氮素营养都很敏感，当植株缺氮时，蛋白质合成减少、细胞分裂减慢、早熟低产等；而当植株氮素过剩时，蛋白质合成增加、碳水化合物大量消耗、徒长减产等。所以，利用冠层分析仪探究氮素的匮缺情况，保证氮肥的合理使用，则有利于加快植物生长点的生长，抽发新梢、心叶，快速生长。 以上就是冠层分析仪可以测量的指标分析，一直以来，精细化农业的发展都离不开专业仪器的帮助，只有使用专业仪器才能准确获取植物生理数据。而托普云农TOP-1200冠层分析仪在研究植物生理研究中的应用，则大大的减少了研究人员获取数据的时间，使冠层的结构分析过程更加的准确、高效。目前，该设备已经广泛的应用于农业、园艺、林业领域有关栽培、育种、植物群体对比与发展的教学、研究工作当中，能有效帮助人们进行科学种植、施肥，使作物处于更有利的生长态势，以达到优质高产目的。 第36卷 第6期西北农林科技大学学报(自然科学版)Vol.36No.6 2008年6月Journal of Northwest A&F University(Nat.Sci.Ed.)J un.2008 花生群体冠层温度分异现象及其 生理特性研究初报 任学敏,王长发,秦晓威,赵 丽 (西北农林科技大学农学院,陕西杨凌712100) [摘 要] 【目的】了解花生群体冠层温度分异现象及其生理特性。【方法】应用红外测温仪对豫花9331、豫花9327及鲁花11号花生的冠层温度进行了长期观测,并测定了饱果期花生主茎功能叶片的可溶性蛋白质、可溶性糖、叶绿素含量以及该时期花生荚果的干物质积累量,并对一些农艺性状进行了调查分析。【结果】不同品种花生群体的冠层温度存在着明显的分异现象,鲁花11号、豫花9331持续偏低,豫花9327持续偏高。冠层温度持续偏低的豫花9331、鲁花11号功能叶片可溶性蛋白质、叶绿素含量较高,可溶性糖含量在逆境条件下变化平缓,干物质快速积累期的持续时间较长;相关分析表明,主茎高、分枝数和侧枝长均与冠层温度呈负相关。【结论】冠层温度偏低的花生品种生理活性高于冠层温度偏高的花生品种,且温度型归属与功能叶片生理性状的优劣及植株农艺性状密切相关。 [关键词] 花生;冠层温度;生理特性 [中图分类号] S565.201[文献标识码] A[文章编号] 167129387(2008)0620068205 Preliminary study on canopy temperature difference of peanut varietie s population and physiological characteristics R EN Xue2min,WAN G Chang2fa,Q IN Xiao2wei,ZHAO Li (College of A gronom y N ort hwest A&F Universit y,Yangling,S haanxi712100,China) Abstract:【Objective】The st udy was to find out canopy temperat ure difference of peanut and it s p hys2 iological characteristics.【Met hod】Inf rared radiation t hermometer was used to observe t he peanut’s canopy temperat ure for a long time,and soluble protein content,soluble sugar content,chlorop hyll content of t he f unction leaves of peanut caulis and t he rate of dry matter accumulation of legume during filling stage were surveyed.【Result】The result s showed t hat t he canopy temperat ures of different peanut varieties pop ula2 tion were markedly different,Yuhua9331was persistently low and Yuhua9327was persistently high.Yu2 hua9331and L uhua11having a persistent low canopy temperat ure were more excellent t han Yuhua9327 having a persistent high canopy temperat ure,showing t hat t heir soluble protein content,chlorop hyll con2 tent were higher,t he changes of soluble sugar content were slower and t he time of dry matter fast accumu2 lation was longer.The correlation analysis showed t hat height of caulis,t he number of branches,length of lateral branches had negative correlation with canopy temperature.【Conclusion】Those indicated that the physiolo2 gy activities peanut varieties having persistent low canopy temperature were stronger than those having persistent high canopy temperature,and t he temperat ure type was closely correlated wit h t he p hysiological characters of 3[收稿日期] 2007207216 [基金项目] 国家自然科学基金项目(30370859) [作者简介] 任学敏(1982-),男,河南周口人,在读硕士,主要从事作物栽培生理研究。E2mail:renxuemin2520@https://www.doczj.com/doc/6014027371.html, [通讯作者] 王长发(1967-),男,河北南宫人,副教授,博士,主要从事作物种质资源与生态生理研究。 E2mail:wangchangfa@https://www.doczj.com/doc/6014027371.html,作物冠层分析仪使用说明书
植物冠层温度测量仪的功能特点及测量原理
冠层分析系统详细介绍
植物冠层图像分析仪(也称作物冠层分析仪)
基于冠层温湿度模型的日光温室黄瓜霜霉病预警方法
森林冠层结构与功能及其时空变化研究进展
植物冠层分析仪测植物冠层相关参数的方法
玉米株型冠层三维数字化与结构解析技术研究
农业干旱指标研究综述
棉花冠层结构测定方式探索
实验六 植物冠层分析仪测量原理与使用方法
超高产春玉米冠层结构及其生理特性
AccuPAR植物冠层分析仪
冠层分析仪可分析测量的指标
花生群体冠层温度分异现象及其生理特性研究初报
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