冠层照片、实测、LAI2000分析叶面积指数比较

论文总字数：17635字

目 录

1 引言 1

1.1 研究目的和意义 1

1.2 国内外研究现状 1

1.3 本文研究内容 3

2 材料与方法 3

2.1 试验区概况 3

2.2 研究方法 3

2.2.1 实测法 3

2.2.2 冠层照片法 4

2.2.3 LAI-2000法 6

2.3 模型评价指标 7

3 结果与分析 7

3.1 实测法数据 7

3.2 冠层照片法数据 8

3.3 LAI-2000法数据 8

3.4 不同方法结果比较 9

3.4.1 实测法与冠层照片法的比较 9

3.4.2 实测法与LAI-2000法的结果比较 10

3.5 误差来源分析 10

3.5.1 实测法误差来源分析 11

3.5.2 冠层照片法误差来源分析 11

3.5.3 LAI-2000法误差来源分析 11

3.5.4 其他误差来源分析 12

3.6 整个生育期冬小麦叶面积指数的变化 12

4 结论与讨论 12

参考文献 13

致谢 15

冠层照片、实测、LAI2000分析叶面积指数比较

钱雨妃

,China

ABSTRACT:This paper measured leaf area index of winter wheat in agricultural meteorological station of Nanjing University of Information Science amp; Technology by three different kinds of methods(measured method,LAI-2000 canopy analyzer method and canopy photogrammetry).By making comparisons based on field measurement method,the analysis result indicates that the determinant coefficient(R²),root mean square error(RMSE) and Nash and Sutcliffe modeling efficiency(NSE) between canopy photogrammetry results and measured results were 0.89, 2.9 m²/m² and -2.3.At the same time,the determinant coefficient(R²) ,root mean square error(RMSE) and Nash and Sutcliffe modeling efficiency(NSE) between LAI-2000 results and measured results were 0.60, 1.1 m²/m² and 0.53.It turns that canopy photogrammetry is more specifically suited to measure LAI during the early stage of the growth of winter wheat when there is less leaf covering so that error value can be lower.LAI-2000 canopy analyzer is more specifically suited to measure LAI during the exuberant growth period.Measure method is only suitable for determination of a small scale because of cost of time and energy and its destructiveness.Meanwhile the change of LAI of winter wheat during the growth period was got by carrying on curve fitting with seasonal variation of LAI.

Key words:Leaf area index;Canopy photo;Measured method；LAI-2000 canopy analyzer

1 引言

1.1 研究目的和意义

叶片是作物进行光合作用和积累营养物质的主要器官。在作物的生长发育过程里，叶面积大小、叶片结构是确定栽培方案、选用研究方法等的一个重要依据。随着作物生育期的变化，叶面积指数的大小也将不断变化。同时，叶面积也被当成是评估植物发育状况和产量品质的重要指标之一，提供了植物生长的动态数据，与植物的生物量及产量有直接的关系，对研究植物的生物学特性和进行指导生产具有十分重要的意义。

作物叶面积指数(Leaf area index, LAI)最早是由Balls在1917年的时候提出来的^[1]，它被定义为作物植株全部叶片单面面积的总和与植株所占土地面积的比值，能够反映可用于光能截收和气体交换的作物潜在叶面积，是反映作物冠层结构、说明作物叶面数量的参数，能够影响作物光合作用和蒸腾作用，可以应用在作物长势模拟、产量估算和蒸腾系数研究等模型中。叶面积指数是无量纲参数，大小受到作物的种类、作物生长期、叶片倾角、叶簇和其他非叶生物量等因素的影响，还与叶面积指数定义及测定方法不同有关^[2]。因此，获取相对比较精准的作物叶面积指数对林学、农学、生态学、气象学等学科问题的研究与解决有十分重要的意义。

目前测量叶面积的方法主要有各种实测法和冠层仪器法等，同时，随着当代的计算机硬件成本的不断下降和处理速度的飞速提升，各种处理软件的开发与更新，使得计算机应用的适用范围和规模持续变大，所以数字图像处理技术也开始被应用于叶面积测定领域，所测定得到的结果也较可靠^[3]。

虽然目前测定叶面积的方法众多，但是各种方法在测定的精确度、操作步骤的难度系数、仪器设备先进程度、成本高低、环境条件等方面均存在差异，这说明在选择测定方法时，需要进行多方面的综合考虑才能得到较为理想的结果。任何新仪器和运算规则的目的都是把植物指数等参数有效转化成真实叶面积指数，但不同方法的概念与定义缺乏一致性，因此，在不同方法之间进行比较研究具有必要性与重要性。

1.2 国内外研究现状

由于LAI的测定受到多种不同因素的综合影响，因此至今仍然没有一个可以适用于所有不同情况的通用方法。目前，要确保测定方法能够快捷又精准仍有难度，只能依据具体情形选取最适合的方法，比如有要求能够迅速得到测定结果的，有要求不破坏作物植株的，有要求能够体现连续变化的等等。

测量LAI的方法分为直接测量和间接测量两大类别。直接测量方法是相对精确的，也是间接方法的重要校正方法。直接测量的缺点是：可能需要破坏作物植株、只能手动采集叶片样本，耗费大量时间和劳力，同时采样区是否具有代表性也是一个值得考量的问题。不过，直接测量LAI的技术基本上来说已经较为成熟。而间接测量LAI的技术也正在不断随着现代科学技术的发展向更高精度、更迅速、范围更大的方向发展，其应用也会越来越受到重视。间接测量是测量LAI的重要方法之一，其中，光学模型方法的测定速度快、普适性强、不破坏植被等特点让其成为未来最具有发展空间的测定方法之一。

遥感技术测量将会成为未来叶面积指数的一种主要测定方法，目前已经存在多种以遥感技术为核心的LAI测量仪器，尽管仪器的价格比较高昂，在测量时也面临函数反演等各种问题，但随着计算机科学技术的不断发展，我们所用仪器的价位和准确度也将会有所改变。近年来遥感技术的创新与开发，使各种数据资源越来越丰富。利用遥感技术精准获取叶面积指数是未来农业遥感的一个研究热点。

近年以来，无人机凭借敏捷、使用成本低等优点受到遥感方面研究人员的青睐，利用基于无人机遥感技术来获取作物信息已逐渐成为一种趋势。如 Sugiura等^[4]将数码相机放置在无人机上，基于拍摄得到的农田信息对作物LAI的分布情况进行了划分；Lelong等^[5]将滤光片和数码相机结合放置在无人机上，对法国西南部的小麦实验田进行了监测，基于拍摄得到的可见光-近红外波段范围的光谱影像对植被指数(NDVI、GNDVI)和农田实测的生物物理参数(LAI、氮吸收量)之间的联系进行了分析；汪小钦等^[6]根据可见光无人机影像的光谱特征，构建了基于可见光红、绿、蓝 3 个波段的一种新型植被指数——可见光波段差异植被指数，对可见光波段的差异植被指数和其他可见光波段的植被指数对植被信息提取精度进行了对比与分析，指出了可见光波段的差异植被指数对只含可见光波段无人机遥感影像的绿色植被信息具有相对较高的提取精度。

在利用单一的遥感源进行LAI的反演研究的同时，国内外的众多学者也开始尝试在不同分辨率的卫星遥感影像之间以及多光谱与高光谱遥感数据之间探讨LAI估测的差异。如Soudani等^[7]比较了IKONOS、SPOT和ETM 这3种卫星数据对温带针叶林和落叶林中LAI的反演效果；陈健等^[8]基于TM、MODIS数据分析了大区域中芦苇LAI的反演误差；刘玉琴等^[9]基于同空间分辨率、不同光谱分辨率的HJ-1B CCD1、Hyperion遥感影像数据，对宽波段和窄波段植被指数的草地LAI反演差异进行了比较；贾玉秋等^[10]对高分一号WFV多光谱影像和 Landsat-8多光谱影像在玉米LAI的反演差异进行了对比和分析，指出了在相对更为复杂的种植地区，高分一号影像的高空间分辨率优势比后者更能体现玉米的长势差异。上述这些研究内容偏重于从空间尺度效应以及宽、窄波段光谱分辨率这两个层次来分析LAI反演差异性问题，但很少涉及到对不同的遥感信息源进行反演LAI的优劣对比。鉴于目前可利用的遥感信息源数量越来越大，多源遥感信息的LAI估测精度的比较和分析就显得特别重要，但是目前这一方面的研究还少有报道。

当遥感测量方法不断得到发展的同时，国外已经出现了许多以光学模型方法为基础的测定冠层LAI的新仪器，并且已可应用于现实测定工作中。但由于国外仪器设备价格比较高昂，而在国内又尚且还缺乏自主开发的国产LAI仪器，所以目前以应用国外进口仪器为主。目前，国内地面实测工作大多采取冠层仪器法，主要仪器有LAI-2000、TRAC、CI-110等，大多缺乏直接测量数据，无法完成精度检验，但这一点正逐渐得到改善。如刘志理等^[11]采用半球摄影法和LAI-2000植物冠层分析仪两种光学仪器法(间接法) 以及凋落物法(直接法)，对小兴安岭谷地的云冷杉林叶面积指数随季节的变化进行了研究，并分析了不同季节采用直接法与间接法测定LAI的结果间的相关关系，结果显示在整个试验期间里，半球摄影法测定得到的LAI比直接法测定值低估了40%~48%，LAI-2000植物冠层分析仪的低估范围为15%~26%；李永秀等^[12]分别采取LAI-2000冠层分析仪测量法、LI-3000叶面积仪测量法和回归方程法对温室观赏凤梨的LAI进行了测量，结果表明LI-3000叶面积仪的LAI测定结果总体上最高；刘立鑫^[13]等选取称重法和冠层分析仪法对帽儿山天然次生林区的叶面积指数进行了测定和分析，研究表明，冠层分析仪法所得结果比称重法的结果小，精度低了25%~40%。这说明把不同方法进行对比与校验，选择最合适的方法来测定叶面积指数具有很大的必要性。将实际测定法与间接测定法同步进行，已经逐渐成为叶面积指数测定研究的一大趋势，通过结果对比和误差分析，将更有效更准确地找到对于特定群体而言最合适的测定方法。

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