尹曉愛， 楊秀超， 侯 瑞,2?， 趙龍山,2,， 張金鑫

(1.貴州大學林學院，550025，貴陽；2.貴州大學土壤侵蝕與生態(tài)修復研究中心，550025，貴陽；3.中國林科院林業(yè)研究所，100091，北京)

葉面積指數(leaf area index, LAI)是指覆蓋單位地表面積與所生長的植物葉面積總和之比。LAI既可反映作物群體大小，又是表征作物冠層結構的重要指標[1]。在植被對氣候變化響應、遙感作物估產及植被水土保持作用等研究中LAI被廣泛采用[2]。為此，關于LAI測量與計算方法一直受到人們的關注。

植物冠層葉面積的測量方法主要有直接法與間接法2種[2]。直接測量法包括手工原位測量、落葉法和系數法等；間接測量方法主要基于光學原理，通過獲取植物冠層截獲光能量的多少來估算或通過測量入射光在冠層中的衰減量進行估算[1-2]。二者相比，直接法較耗時，而且對冠層結構會造成干擾，影響測量的可重復性和結果的準確性，而間接法需要借助先進的儀器設備完成。雖然間接測量儀器的應用在一定程度上提高了作物冠層參數的獲取效率，但該類方法計算流程復雜。如當前使用較多的是植被冠層分析儀，通過測量冠層內透過的太陽輻射量來估算冠層LAI[2-3]，但該儀器價格昂貴，野外攜帶也不方便。

隨著智能手機的普及，圖像分辨率、內存容量和人機交互功能等不斷提高，在野外調查中利用智能手機收集圖像、視頻資料已較為普遍，故開展基于智能手機的LAI測量和計算方法研究也受到人們關注。如郭文川等[4]基于智能手機開發(fā)葉面積測量軟件，無需購置硬件設備，也不需要給手機增加額外的硬件，具有很強的便攜性。高大帥等[5]利用智能手機方位傳感器確定拍攝角度，建立誤差校正模型并提出基于智能手機方位傳感器的葉面積測量校正公式。

盡管利用智能手機測定冠層參數有一些研究，但對LAI的測量和計算方法仍在進行不斷探索和改進；鑒此，本研究探討一種基于智能手機的玉米LAI快速測量方法，在試驗條件下通過對不同生育期玉米植株冠層LAI的模型計算結果與實測結果比較，驗證該方法的有效性，為進一步完善利用智能手機測定冠層參數方法和開發(fā)有效冠層LAI測定手機APP提供科技條件。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

以坡耕地種植玉米為研究對象，選擇5個重要生長期(拔節(jié)期、小喇叭期、大喇叭期、抽雄期、成熟期)的玉米植株各30株，進行單株冠層結構特征的測量，將測量數據用于制作玉米植株模型(表1)。玉米葉片采用仿真葉模擬，其材質為聚乙烯，透光率約為10%，莖稈采用PVC管代替，將仿真葉片粘貼在PVC管，葉片傾角為30°，莖稈底部固定在木板上。根據田間實際測量數據模擬不同生育期完整植株，模擬玉米株行距分別設置為30 cm×50 cm，株數分別為1、2、3、6和9株，以代表不同采樣面積。

表1 不同生育期單株玉米模型數量特征Tab.1 Quantitative characteristics of maize model per plant at different growth stages

1.2 試驗方法

試驗于2018年3—11月在貴州大學土壤侵蝕模擬實驗室進行。實驗室為暗室條件，用白熾燈模擬太陽光照，模擬太陽高度角分別為30°、60°和90°，試驗場景見圖1。先將模擬玉米植株按設定株行距置于坐標紙上，用智能手機進行玉米冠層投影拍攝(使用設備為iPhone 7 Plus MNRM2CH/A型智能手機，手機內置iOS 14.0操作系統(tǒng)，手機屏幕大小5.5 inch，1 200萬像素雙攝像頭，運行內存32 GB)。同時，在坐標紙上勾繪玉米植株實際投影邊界，以便對手機拍攝投影值進行建模修正，設置3次重復試驗。

圖1 試驗場景示意圖(∠1、∠2和∠3分別為30°、60° 和90°)Fig.1 Schematic diagram of test scene (measure 1, measure 2 and measure 3 are 30°, 60° and 90°, respectively)

玉米冠層實際投影在坐標紙勾繪后，利用掃描儀對坐標紙進行掃描存入計算機，采用Adobe Photoshop CS6軟件提取陰影，為便于區(qū)分對圖像中陰影區(qū)域填充為綠色(RGB：0，255，0)的圖像；對手機拍攝的冠層陰影圖像也采用同樣方法提取圖像中陰影區(qū)域，并填充為紅色(RGB：255，0，0)。利用像元比例關系分別計算出投影面積，分別記為SC(坐標紙勾繪的冠層投影面積)和SM(手機拍攝的冠層投影面積)，后通過回歸分析建立SC與SM之間的函數關系，對手機拍攝的冠層投影面積進行校對，進而可直接通過手機拍攝的冠層投影面積計算冠層LAI。

玉米冠層LAI計算公式為

(1)

式中：LAI為玉米冠層葉表面積指數，量綱為1；Sleaf為玉米冠層葉面積，cm2；SA為土地面積，cm2；本研究中其值為坐標紙面積。

本研究中模擬玉米植株冠層葉面積真值(Sleaf)通過仿真葉片實際面積計算，由于各生長期模擬玉米植株以實際玉米植株參數制作(表1)，故模擬的不同生長期玉米葉面積與實際坡耕地玉米接近。5個生育期單個模擬玉米植株葉面積Sleaf分別為177.03、799.62、2 061.25、5 868.40和6 581.03 cm2。土地面積(SA)即為試驗中坐標紙面積(9萬112.00 cm2)。相應地，1、2、3、6和9株模擬玉米冠層LAI真值(LAIT)見表2。

表2 不同生育期模擬玉米冠層LAI真值 (LAIT)Tab.2 LAI actual value (LAIT) of maize per plant atdifferent growth stages

1.3 數據處理

采用Excel 2016軟件繪制圖表；采用SPSS 26.0對玉米冠層LAI進行多因素方差分析；通過回歸方法對基于手機拍攝圖像、坐標紙勾繪的投影面積與LAI真值進行模型分析。

2 結果與分析

2.1 坐標紙勾繪的玉米冠層葉面積

由表3可知，隨著太陽高度角的增大，坐標紙勾繪的玉米冠層投影面積與實際面積間的比值(以下簡稱勾繪面積比)逐漸減小，太陽高度角為30°時勾繪的面積比最接近1，60°下的面積比次之，90°下勾繪的面積比值偏離1的程度較大。不同玉米生長時期與種植株數勾繪面積比變化不大，在太陽高度角為30°時，相比玉米的其他4個生長期，小喇叭期的勾繪面積比最接近1。

表3 坐標紙勾繪的冠層投影面積與實際面積之比Tab.3 Ratio of the projected area of the canopy to theactual area plotted on a coordinate paper

以玉米模型參數(生長時期、種植株數和太陽高度角)為因子，坐標紙勾繪的玉米冠層投影面積為變量進行多因素方差分析，結果見表4。玉米生長期、種植株數分別與坐標勾繪的投影面積之間具有顯著相關關系(P<0.05)；太陽高度角與坐標勾繪的投影面積之間關系不顯著(P>0.05)；玉米生長期與種植株數間的相互效應對坐標勾繪的投影面積具有顯著的影響(P<0.05)；其余2個交互效應(生長期×太陽高度角，太陽高度角×種植株數)對坐標勾繪投影面積的影響不顯著(P>0.05)。

表4 各模型參數下坐標勾繪的冠層投影面積相關性分析Tab.4 Analysis of canopy projection area plotted withcoordinates under various model parameters

2.2 手機拍攝的玉米冠層葉面積

總體上，太陽高度角為60°時，手機拍攝的玉米冠層投影面積與實際面積間的比值(以下簡稱拍攝面積比)較接近1，在太陽高度角為90°時次之，太陽高度角為30°時拍攝面積比值偏離1的程度最大(表5)。不同玉米生長期與種植株數拍攝面積比變化波動不大，在太陽高度角60°時，相比玉米的其他4個生長期，大喇叭期下的拍攝面積比最接近1。

表5 手機拍攝的冠層投影面積與實際面積之比

以玉米模型參數(生長時期、種植株數和太陽高度角)為因子，手機拍攝的玉米冠層投影面積為變量進行多因素方差分析，結果見表6。由表6可知，玉米生長期、種植株數分別與手機拍攝的冠層投影面積之間具有顯著相關關系(P<0.05)；太陽高度角與手機拍攝的投影面積之間關系不顯著(P>0.05)；玉米生長期與種植株數間的相互效應對手機拍攝的投影面積具有顯著的影響(P<0.05)；其余2個交互效應(生長期×太陽高度角，太陽高度角×種植株數)對投影面積的影響不顯著(P>0.05)。

表6 各玉米模型參數下手機拍攝的冠層投影面積相關性分析

2.3 對手機拍攝的投影面積進行修正

圖2 以坐標紙勾繪的葉面積來修正手機拍攝的冠層投影面積Fig.2 Use the leaf area drawn on coordinate paper to correct the canopy projection area taken by mobile phone

圖3 坐標紙勾繪的冠層投影面積與實際面積間的回歸分析Fig.3 Regression analysis between the projected area and the actual area of the canopy plotted on coordinate paper

LAIE=

(2)

2.4 LAI估算值的驗證

圖4 LAI估算值與真值間的關系Fig.4 Relationship between estimated and true LAI values

3 結論

1)玉米生長期、種植株數及二者的交互效應對玉米冠層葉面積測定具有顯著的影響(P<0.05)，太陽高度角的影響不顯著(P>0.05)。

本研究提出了一種基于智能手機的冠層LAI測定方法，通過模擬試驗表明該方法可操作性強，測量結果具有一定的準確性和有效性，可為植物冠層LAI測定提供新的途徑。