基于有效积温的玉米冠层图像特征参数分析

2020-05-26贾彪，贺正

中国土壤与肥料 2020年2期

贾彪，贺正

（宁夏大学农学院，宁夏银川 750021）

对农作物长势和水肥营养进行及时有效的监测诊断，进而改进相应的栽培管理是作物获得高产的基础［1］。传统的监测手段与方法主要依靠栽培人员的自身经验对作物长势做出评价，易出现视觉疲劳，从而影响判断精度，且难以实现大面积快速无损监测［2］。随着数字图像处理技术的发展，运用数字图像对作物大面积的长势监测已成为精准农业发展的重要趋势。

近年来，国内外学者通过无人机［3］、数码相机［4-6］和手机相机［1］，获取作物的冠层数字图像信息，通过图像处理，分割出作物冠层图像信息层，提取图像信息层的三基色RGB分量值，对各颜色分量值进行标准化处理，得到红（R）绿（G）蓝（B）光归一化标准值［7-8］，并对颜色参数值进行组合，以提高图像色彩参数与农学指标间相关性［1，9］，进而建立基于作物冠层图像特征参数的长势监测和氮素营养诊断模型，达到指导农业栽培管理目的［10］。而较多研究仅针对作物某一关键生育时期进行监测与诊断，并未贯通到作物全生育期［11］，导致模型的通用性较差，且很少研究对玉米全生育期的冠层图像的动态变化规律进行深入分析，同时由于图像RGB等参数的获取易受光照、温度等外在条件的影响［5-6，12］，对玉米作物冠层动态随有效积温的影响很少进行分析。因此，为明确玉米冠层图像RGB分量的动态随有效积温的响应机理，本研究以宁夏引黄灌区滴灌水肥一体化玉米为研究对象，在平吉堡农场玉米高产田开展不同氮素处理试验。用手机相机获取玉米冠层图像，应用试验基地安装的小型气象站获取田间小气候数据，计算玉米全生育期有效积温，拟合出基于有效积温的冠层图像色彩参数动态模型，揭示玉米图像参数与积温的内在关系，为宁夏滴灌水肥一体化玉米生长发育进程冠层图像色彩特征的动态分析和预测提供新思路。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验于2018年4～9月，在宁夏平吉堡农场（E106°01′45″，N38°26′42″）玉米高产田开展，田间土壤类型为淡灰钙土，质地是壤土，肥力中等。试验田0～20 cm耕层土壤有机质含量12.82 g/kg、全氮0.75 g/kg、全磷0.48 g/kg、碱解氮36.82 mg/kg、有效磷17.37 mg/kg、速效钾95.31 mg/kg、 pH值8.1。

1.2 试验设计

试验设置6个氮素处理，分别为N0（0 kg/hm2，CK）、N1（90 kg/hm2）、N2（180 kg/hm2）、N3（270 kg/hm2）、N4（360 kg/hm2）、N5（450 kg/hm2），采用随机区组设计，3次重复，共18个小区，小区面积为67.5 m2（长15 m×宽4.4 m），采用宽窄行机播种植模式，宽行70 cm，窄行40 cm，株距20 cm，密度约为9×104株/hm2。供试玉米为宁夏引黄灌区主栽的品种天赐19（TC19），中晚熟型杂交种，生育期137 d左右，半紧凑株型。

供试肥料均为水溶性肥，结合当地推荐施肥模式和张兴风等［13］在宁夏滴灌玉米不同施肥模式的试验研究，其中氮肥为尿素（N 46%），采用水肥一体化滴灌模式施入，遵循“少量多次”的原则［14-15］，全生育期共施肥8次，随水施入，追施比例见表 1。磷肥为磷酸二氢钾（N-P2O5-K2O为0-52-34），钾肥为硫酸钾（K2O 52%），磷钾肥作为基肥结合整地采用秋季全层施肥［16］，用量分别为138和120 kg/hm2。其他管理过程同当地高产田生产。

表1 玉米不同生育期氮肥追施比例（%）

1.3 玉米冠层图像获取

由于玉米等作物冠层图像的RGB值获取是瞬时数据，不同时间段获取的图像参数差别较大，故本研究获取具有一定代表性的玉米冠层图像时，其获取时间严格控制在无风无云、天气晴朗、太阳高度角相对稳定的11：00～12：00（北京时间）之间，用手机（iphone，1 200万像素）相机获取玉米冠层图像，从而减少不同天气情况与同一天内不同时间段对图像参数的影响。本试验采用自主研发的便携式图像采集系统装置，主要由大疆灵眸（Osmo Mobile）防抖手持云台手机稳定器、碳素纤维伸缩杆、固定支架、蓝牙遥控器组成，伸缩范围0.6～3 m，能自由调节的伸缩杆角度获取冠层图像。拍摄时，将相机镜头距玉米冠层约1.0 m垂直高度，与地面呈90° 进行，同时将相机调至Auto模式下，以自动曝光控制色彩平衡。图片分辨率为3 024×4 032像素。

1.4 玉米冠层图像参数提取

本文采用Jia等［5］冠层图像处理方法，将玉米冠层图像导入计算机，通过基于Visual Studio平台、Visual C++和MATLAB软件开发的数字图像分析系统，分割玉米冠层图像和土壤，获取R、G、B通道均值。

1.5 有效积温测算

气象数据来自试验基地气象站，有效积温（GDD）的计算公式为见（1）［17-19］。

图1 玉米冠层图像参数提取

式（1）中Tmax和Tmin最高和最低临界温度分别为30℃ 和10℃，即当Tmax或Tmin超过30℃时，按30℃计算，当Tmax或Tmin低于10℃时，按10℃计算。

1.6 植株氮含量测定

将各处理玉米植株分器官烘干至恒重，粉碎、研磨和过筛，利用消煮液和H2SO4-H2O2凯氏定氮仪测定植株全氮含量，最后计算［17］。

1.7 数据处理与模型评价

采用Excel 2016数据整理、SPSS 22.0方差分析、Origin 8.5数据拟合与作图。

2 结果与分析

2.1 全生育期内红光R值动态变化规律分析

由图2可知，在玉米全生育期内，其各氮素处理间红光值R均随有效积温的增加呈先增加后降低趋势。从苗期（出苗25 d）至拔节期（出苗后37 d），有效积温在300～600℃时，玉米R值快速增加，之后以缓慢的速度持续增长至抽雄吐丝期（出苗后69 d）R值达到最大，灌浆期（出苗后81 d）开始R值呈现出持续下降趋势。方差分析表明，施氮不同显著影响R值的变化，在整个生育期低氮处理（N0、N1、N2）一直处于较高的水平，N0在生育后期显著高于N1、N2处理；而高氮处理（N3、N4、N5）从出苗至蜡熟期均低于其他处理，N3、N4在灌浆期明显高于N5，说明施氮可以降低玉米红光分量值R，尤以生育后期差异明显。回归分析表明，R与有效积温的最优模型为开口向下的有理函数关系，其表达式为y=（b + cx）/（a + x）。

图2 不同施氮水平红色分量R值动态变化特征

运用有理函数对R值的拟合参数（表2），各拟合曲线的决定系数R2的变化范围为0.872～0.951，以N0最高，N4最低，各处理拟合度较好，精度较高，均达到显著水平，表明有理函数可以用来拟合预测R值，模型的各参数均随着施氮的增加呈现出下降的趋势，N4略低于N5，其中对照N0的a、b、c参数明显高于其他施氮处理，各处理间参数c变化范围最大，a、c随施氮的变化较小，分析表明施氮主要通过降低参数b来影响模型的预测值。

表2 不同氮素水平玉米冠层图像颜色分量R值动态变化参数

图3 不同施氮水平绿色分量G值和蓝色分量B值动态变化特征

2.2 绿光值G与蓝光值B动态变化规律分析

图3a表明，在玉米整个生育期内，G值与R的动态变化趋势相似，且呈先迅速升高后缓慢增加至最大值，最后开始呈现出下降趋势，一直持续到蜡熟期，N5降幅最大，N0最低。方差分析表明，G值受氮素影响显著，尤其是从抽雄吐丝期开始，N0显著高于其他处理，N5显著低于其他处理，说明施氮显著降低玉米的G值。

如图3b所示，各氮素处理B值在出苗后25～30 d时B值增长最快，之后缓慢增加，抽雄吐丝期达到最大，之后的10 d内降幅较大，随生育期的推进B值无明显变化。施氮可显著提高B，尤以高氮处理（N3、N4、N5）明显，N5在全生育期内保持较高水平；低氮处理（N1、N2）B值略高于N0。G和B值最适曲线表达式为对数函数［y=a-bln（x+c）］

如表3所示，各处理R2均达到显著水平，拟合效果较好，模型参数a均随施氮量的增加呈现增加趋势，b和c随施氮量的增加，无明显上升或降低趋势，且参数c趋近于一个恒值，说明施氮主要影响曲线参数a，进而影响模型的预测值。

通过拟合曲线的绝对系数R2发现，对数函数y=a-bln（x+c）可拟合蓝光B值在整个生育期的动态变化，施氮对各处理的R2取值无明显影响，其值介于0.734～0.858，拟合度较高。各参数对施氮的响应不同（表3），参数c无差异，且趋于恒值，基于有效积温的玉米冠层图像蓝光B值拟合值为-290，参数b随施氮的增加未呈现出明显的增加或降低的趋势，而参数a随着施氮的增加而增加，在N4处理达到最大，N5出现下降趋势，降幅相对较小，说明施氮主要是改变模函数表达式中参数a的值，进而影响模型的输出结果。

表3 不同氮素水平玉米冠层图像颜色分量G值和B值动态变化参数

2.3 玉米关键生育时期冠层图像参数与植株含氮量动态关系

如表4所示，本文重点探讨拔节期（六叶期，V6）和小喇叭口期（十叶期，V10）的玉米6个图像参数R、G、B及其归一化组合参数R/（R+G+B）、G/（R+G+B）、B/（R+G+B）与叶片含氮量的相关性。R、G、R/（R+G+B）、G/（R+G+B）与植株氮含量达到了0.01水平或0.05水平的显著相关，六叶期G与B/（R+G+B）则在不同时期具有不同相关关系，除G/（R+G+B）与植株氮含量呈正相关外，其他参数均与植株氮含量呈负相关。其中R/（R+G+B）与含氮量的相关系数最高，B相对较低，大多数玉米冠层图像参数与植株氮含氮量相关系数为V10高于V6，因此V10可作为滴灌玉米氮素营养诊断的关键生育时期。

表4 关键生育时期玉米图像参数与植株含氮量间相关关系

3 讨论

宁夏引黄灌区玉米在氮肥管理方面，生产上习惯采用“一炮轰”的施肥方式，这种“前重后轻”的施肥方式，导致玉米生育前期植株发育过旺，造成后期倒伏，进而影响玉米产量［20］。多年来，在我国北方地区，玉米生产上无法实现关键生育时期氮肥追施。而滴灌水肥一体化技术是我国新疆、甘肃和宁夏等西北干旱地区近年来推广和广泛应用的一项农业生产新技术，即施肥与灌水融合为一体对农作物进行施肥。该技术通过“随水施肥，少量多次”的原则［21］，在保证作物根区水肥分布的均匀度的同时［21］，能有效提高作物产量和水肥利用效率［21］，且节水节肥。本研究结合宁夏当地推荐施肥模式和张兴风等［13］在宁夏滴灌玉米不同施肥模式的试验研究，围绕水肥一体化条件下开展了8次随水追施氮肥研究（表1），探究滴灌玉米不同氮素处理冠层图像动态以及图像参数与植株含氮量的相关关系等在推动农业生产的必要性，为基于数字图像处理技术和信息化监测在农业生产上的应用提供参考。

随着数字图像处理技术的日趋成熟，采用数码照相获取作物数字图像在作物长势监测等领域已初见成效［1，3，18］，通用方法即应用数字图像技术直接获取田间作物冠层图像，利用图像处理软件对作物冠层的色彩分量进行提取［12］，对应作物各生育时期进行营养状况分析，但由于硬件设备不同，图像获取的角度与高度等标准不同，图像处理软件各异，从而导致图像参数的提取误差相对较大［1，10］。为减少图像参数提取误差，本研究采用Jia等［5］研发的冠层图像处理方法，将玉米冠层图像传输至计算机，使用Visual Studio平台、Visual C++和MATLAB软件联合开发的数字图像分析系统，将玉米冠层图像与土壤背景进行深度分割，提取RGB模型各参数波段的像元平均值（图1），软件自动分割，自动提取，自动保存数据，可实现多点采样作物冠层图像数据分析，便于携带，可实现在田间实时操作。

迄今为止，基于图像处理技术提取作物冠层特征参数的研究，大部分建立在基于生长发育时间进行分析［7-8］，但按照作物生长发育规律来讲，积温直接影响作物的生长发育进程，生长天数与作物发育进程并不是因果关系，所有本文选用有效积温而未通过生长天数拟合冠层图像参数。分析了6个不同施氮水平下宁夏滴灌玉米冠层图像特征参数的差异，并对基于有效积温的玉米冠层图像参数R、G、B（图2与图3）进行了分析比较。不同施氮量对三维颜色空间RGB颜色系统拟合结果表明，施氮肥可显著降低图像特征参数R、G值，提高B值，因为氮肥供应量不同，玉米作物的营养吸收状态不同［19，22］，导致图像特征参数不同［23］，为基于数字图像特征参数的作物长势监测和营养诊断提供了一定的理论基础。本研究结果表明，虽然红光R值和蓝光B值随生育期的推进呈先升高后降低趋势（图3），但由决定系数R2比较可知，蓝光B值随施氮量的变化无明显规律，且拟合的参数c值也趋于恒值（表3），这主要是因为蓝光B值不受作物冠层的影响而变化，其变化是受土壤背景面积大小决定的［22］。本研究结果表明，在玉米整个生育期绿光G值一直高于红光R值（图2和图3），是因为玉米冠层叶片对绿光的反射率高于其红光值，与基于数字图像技术对滴灌棉花的生长监测研究结果类似［7］。

前人大量研究表明，不同的氮素营养状况直接影响作物冠层颜色特征参数［4-7，24-25］，Adamsen等［26］研究了颜色组合值G/R等与植株氮含量、作物叶片SPAD-502值等相关性很好。Wang等［27］对水稻营养生长阶段氮素营养状况进行了研究，经过图像分割，提取阈值的方法，认为冠层特征参数G-R与G/R是较好地表征水稻拔节期氮素营养状况的指标，并建立了相关函数关系。韩国学者Lee等［24］运用同样的方法，获取水稻出苗至拔节期这个关键时期冠层图像，对水稻冠层图像参数G/R、GMR（G-R）等进行了相关性分析。与其他研究认为玉米六叶期和九叶期与氮素营养指标具有较高相关性［1，10］不同，本文重点分析探讨了玉米六叶期（V6）和十叶期（V10）植株冠层图像参数和植株氮含量的相关性，研究结果表明，图像参数R/（R+G+B）与玉米植株氮含量的相关性最高（表4），且冠层图像参数与植株氮含量在V10期的相关系数明显高于V6期。由此推测V10期可作为该区滴灌玉米氮素营养诊断的关键生育时期，需要科技工作者进一步通过多年数据的验证与评价。

近年来，手机照相技术在不断进步，手机成本迅速下降，手机用途全力拓展，利用手机相机对作物进行监测便于携带、易操作、性价比高等优势。故应用手机相机提取玉米冠层图像参数应用前景广阔，可实现玉米的氮营养诊断，但在玉米不同生育时期，冠层颜色特征参数的变化与所需氮素临界值的关系需深入分析与探讨［1，9-10］，且不同玉米品种间色差明显，为了更好地解决这一问题，通常情况下需要对该地域范围内玉米主栽品种进行整理［2］，通过归类建立基于该地区几个主要品种的数字图像处理与氮素营养诊断参数，这都需要在今后的研究中进行整理归纳，以大数据的形式为宁夏滴灌玉米提供参考依据。