利用機(jī)載紅外相機(jī)監(jiān)測脫葉劑對(duì)棉花冠層溫度的影響

王康麗，韓迎春，雷亞平，楊北方，李亞兵

（中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院棉花研究所/棉花生物學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南安陽455000）

紅外熱成像測溫是通過紅外探測器接收被測物體的紅外輻射，通過信號(hào)處理技術(shù)將其轉(zhuǎn)換成被測物體的熱圖像。它可以將被測物體的熱分布轉(zhuǎn)換成可視圖像顯示出來，最后得到被測目標(biāo)表面各點(diǎn)的溫度，有較強(qiáng)的敏感性[1-2]。最早紅外熱成像技術(shù)主要應(yīng)用于工業(yè)上測溫，自1980年開始應(yīng)用于農(nóng)業(yè)研究[3]。Chaerle等[4]以接種過煙草花葉病毒（Tobacco mosaic virus）的煙草為研究材料，結(jié)合紅外熱成像技術(shù)，監(jiān)測感病的煙草葉片的溫度變化。在病斑顯現(xiàn)前，被感染的葉面溫度會(huì)有所上升。Pearce等[5]利用紅外熱成像技術(shù)對(duì)受凍大麥進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)：大麥凍害縱向蔓延速度高于橫向，初次結(jié)冰的傳播是第2次結(jié)冰的先決條件。程麒等[6]使用Fluke紅外熱像儀獲取棉花的冠層紅外熱圖像，同時(shí)測量棉花葉片氣孔導(dǎo)度 （Gs）、凈光合速率（Pn）和葉面積指數(shù)（LAI），通過計(jì)算水分脅迫指數(shù)，有效地監(jiān)測棉花冠層水分狀況。

近年來無人機(jī)在農(nóng)業(yè)上的應(yīng)用越來越廣，無人機(jī)遙感技術(shù)為生態(tài)學(xué)和動(dòng)植物保護(hù)領(lǐng)域提供了高效的途徑[7-10]。微小型無人機(jī)信息獲取技術(shù)具有平臺(tái)構(gòu)建容易、運(yùn)行和維護(hù)成本低、體積小、質(zhì)量輕、操作簡單、靈活性高、作業(yè)周期短等特點(diǎn)[11-12]。目前很多學(xué)者利用無人機(jī)遙感技術(shù)獲取農(nóng)作物表型精細(xì)信息。如王利民等[13]利用無人機(jī)搭載普通光學(xué)相機(jī)對(duì)作物種植面積進(jìn)行調(diào)查，并利用無人機(jī)影像開展了地物分類的研究。高林等[14]利用無人機(jī)搭載高光譜相機(jī)估測了冬小麥葉面積指數(shù)，估測的葉面積指數(shù)與實(shí)測值總體上表現(xiàn)一致。Santesteban等[15]利用無人機(jī)搭載熱紅外相機(jī)，利用獲取的冠層溫度信息計(jì)算水分脅迫指數(shù)，并將獲得的水分脅迫指數(shù)與同時(shí)間獲得的植物莖水勢和氣孔導(dǎo)度作對(duì)比，發(fā)現(xiàn)具有良好的相關(guān)性。

冠層溫度是農(nóng)田作物活動(dòng)層與周圍環(huán)境進(jìn)行能量交換的結(jié)果，其作為一項(xiàng)重要參數(shù)，可用于研究土壤、作物及大氣之間的水熱交換?？焖贉?zhǔn)確地獲取作物冠層溫度特征，不僅可以為品種選育和長勢診斷提供依據(jù)，更是逆境監(jiān)測的有力措施[16]。目前農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上常用的催熟劑和脫葉劑主要是一些外源激素和部分化學(xué)除草劑或它們的復(fù)配劑。脫葉劑會(huì)破壞植物的葉綠體膜，顯著降低光合作用、蒸騰速率和氣孔導(dǎo)度等[17-20]。因此，施用脫葉劑會(huì)使棉花葉片自身的調(diào)節(jié)能力下降，給棉花生長造成一定的逆境。本文利用機(jī)載紅外成像技術(shù)對(duì)棉花施用脫葉劑后形成的逆境進(jìn)行監(jiān)測，以噴施脫葉劑后棉花冠層溫度以及脫葉后棉田小區(qū)的溫度為研究對(duì)象，以無人機(jī)熱紅外圖像和紅外溫度探頭數(shù)據(jù)為信息源，分析脫葉劑噴施后棉花冠層及葉片溫度的變化規(guī)律。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

田間試驗(yàn)于2017年在中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院棉花研究所東場 （河南省安陽縣，36°06′N，114°21′E）進(jìn)行，試驗(yàn)地為多年棉花連作壤土，土壤肥力適中。供試棉花品種為中棉所60，播種日期為2017年4月20日。棉花播種方式為機(jī)械精量播種，采用76 cm等行距種植，播種密度為每666.7 m24 300株。每個(gè)處理小區(qū)面積為60 m2（6 m×10 m）。

試驗(yàn)設(shè)置 5個(gè)處理，A：清水（CK）；B：50%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同）噻苯隆300 g·hm－2（有效成分，下同）；C：50%噻苯隆 300 g·hm－2＋專用助劑 225 mL·hm－2＋40%乙烯利 1.8 L·hm－2；D：54%噻苯敵草隆243 g·hm－2（有效成分，下同）＋40%乙烯利1.8 L·hm－2；E：54%噻苯敵草隆 243 g·hm－2＋專用助劑 225 mL·hm－2＋40%乙烯利 1.8 L·hm－2。 本試驗(yàn)所有試劑均由中棉小康生物科技有限公司提供。脫葉劑在2017年9月19日（晴天）上午進(jìn)行人工噴灑。

1.2 試驗(yàn)儀器

試驗(yàn)使用的無人機(jī)為中國深圳大疆創(chuàng)新有限公司的 M100，熱成像鏡頭為 Flir公司 Thermo-CAM SC3000，非制冷焦平面，波長范圍 7.5～13.5 μm，分辨率為320×240像素。葉片溫度測定使用Apogee公司的Si411紅外溫度探頭。

1.3 圖像和溫度數(shù)據(jù)采集

脫葉劑噴施后1 h，開始對(duì)試驗(yàn)棉田熱紅外圖像進(jìn)行采集，間隔1 h采集1次，第1天最后1次采集時(shí)間為17:30；隨后 5 d，每天8:30―17:30對(duì)棉田熱紅外圖像進(jìn)行采集，間隔1 h采集1次。使用載有紅外熱成像鏡頭的大疆M100無人機(jī)對(duì)棉田進(jìn)行拍攝，拍攝高度為60 m，鏡頭垂直向下。熱紅外圖像的尺寸為640×512像素，格式為JPG。棉花葉片溫度監(jiān)測：將SI411溫度探頭對(duì)準(zhǔn)棉花上部果枝葉，使其與葉片垂直并保持2 cm的距離，數(shù)據(jù)采集器每1 min自動(dòng)記錄一組葉片溫度數(shù)據(jù)。

1.4 數(shù)據(jù)處理

熱紅外圖像溫度提取使用Flir Tool，數(shù)據(jù)處理使用Stata15，棉花冠層溫度空間分布圖制作使用Sufer12（Golden software）克里格插值法[21-22]。

2 結(jié)果與分析

2.1 脫葉劑噴施1 d后花冠層溫度變化

圖1是脫葉劑噴施1 d后利用無人機(jī)在距地面60 m的高空處拍攝獲得的棉花冠層熱紅外圖像，圖像的每個(gè)像素點(diǎn)均包含相應(yīng)的溫度信息。通過對(duì)不同時(shí)間獲取的熱紅外圖像進(jìn)行溫度提取分析發(fā)現(xiàn)：一天當(dāng)中（本文中指8:30―17:30），棉花冠層溫度先升高后降低，這與太陽輻射規(guī)律一致。圖2a中，處理組與對(duì)照組處理A之間的溫度差異并不明顯，但從圖2c可以明顯看出，噴施脫葉劑的處理B、C、D、E的棉花冠層溫度高于對(duì)照組。8:30各處理組的棉花冠層溫度在31℃左右，13:30上升到41.5℃左右，之后逐漸下降，17:30在30℃左右；8:30―17:30時(shí)段內(nèi)，處理 B、C、D、E 的棉花冠層最高溫度與最低溫度的差值分別為10.98℃、11.01℃、11.21℃、11.46℃。對(duì)照組在8:30和17:30獲取的棉花冠層溫度與處理組相差不大，期間對(duì)照組棉花冠層最高溫度出現(xiàn)在13:30，溫度為40.37℃，對(duì)照組棉花冠層最高溫度與最低溫度差值為10.33℃。一天當(dāng)中處理組棉花冠層最高溫度、最低溫度、溫差都高于對(duì)照組。從圖3可以看出，中午前后，太陽輻射強(qiáng)度大，處理組與對(duì)照組溫差最大，此時(shí)利用熱紅外相機(jī)監(jiān)測處理組與對(duì)照組的棉花冠層溫度差異最明顯。因此，利用機(jī)載熱紅外成像對(duì)脫葉劑處理后棉花冠層溫度監(jiān)測的最佳時(shí)段是中午前后。

2.2 脫葉劑處理后棉花冠層溫度隨時(shí)間變化

選擇每天13:30拍攝的熱紅外圖像（圖4）進(jìn)行溫度提取。各處理組棉花冠層平均溫度與對(duì)照組棉花冠層平均溫度之差的變化如圖5所示，隨著脫葉劑處理時(shí)間的增加，處理組棉花冠層平均溫度與對(duì)照組棉花冠層平均溫度之間的差值逐漸增加，最后趨于平穩(wěn)。9月22日環(huán)境溫度最高，處理組與對(duì)照組冠層溫度之差最大，變化最快。

2.3 脫葉劑處理后棉花葉片溫度隨時(shí)間的變化

噴施脫葉劑1 d后，8:00—18:00棉花上部葉片溫度的變化如圖6所示，處理組與對(duì)照組葉片溫度均呈先升高后降低的規(guī)律，與太陽輻射變化一致；中午前后，處理組葉片溫度明顯高于對(duì)照組。噴施脫葉劑后，使用紅外溫度探頭獲得的葉片溫度與使用機(jī)載紅外相機(jī)獲得的冠層表面溫度變化規(guī)律具有一致性。

圖1 噴施脫葉劑1 d后不同時(shí)段棉花冠層熱紅外圖像

圖2 噴施脫葉劑1 d后棉花冠層時(shí)空溫度分布

3 討論與結(jié)論

本文利用機(jī)載熱紅外技術(shù)實(shí)現(xiàn)了脫葉劑噴施后棉花冠層溫度變化的監(jiān)測，結(jié)果表明：噴施脫葉劑后，太陽輻射強(qiáng)度越大，處理組棉花冠層溫度和上部葉片溫度與對(duì)照組的溫度差異越明顯，中午前后是監(jiān)測棉花冠層溫度的最佳時(shí)段；隨著噴施脫葉劑后時(shí)間增加，中午前后處理組與對(duì)照組的棉花冠層溫差逐漸增大后趨于平穩(wěn)，溫度高時(shí)，溫差增幅快。

圖3 噴施脫葉劑1 d后處理組與對(duì)照組棉花冠層溫度變化

圖4 噴施脫葉劑后連續(xù)6 d棉花冠層熱紅外圖像

圖5 噴施脫葉劑后連續(xù)6 d處理組與對(duì)照組棉花冠層溫差變化

圖6 脫葉劑噴施1 d后處理組與對(duì)照組棉花上部葉片溫度隨時(shí)間的變化

目前，機(jī)載熱紅外成像技術(shù)多用于植被病蟲害的監(jiān)測和預(yù)警，雖然熱紅外成像技術(shù)在監(jiān)測植物逆境和植物水分管理中已有很多研究，但是在大田尺度對(duì)植物進(jìn)行監(jiān)測上卻鮮有報(bào)道[23-26]。Oerke等[27]認(rèn)為環(huán)境田間可以影響葉片表面溫度，進(jìn)而影響試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性。本研究中，所有處理的溫度數(shù)據(jù)在同一瞬間被記錄，避免了不同處理多次拍攝時(shí)輻射、風(fēng)速、濕度等變化對(duì)結(jié)果的影響。利用脫葉劑使用后處理組與對(duì)照組棉花冠層溫度變化規(guī)律的對(duì)比初步證明了機(jī)載紅外成像在棉花脫葉效果監(jiān)測上的可行性。

在日常的棉花生產(chǎn)中，可以設(shè)置溫度參考表面以及對(duì)棉花的脫葉率進(jìn)行人工調(diào)查，從而建立相應(yīng)的模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)棉花脫葉效果的監(jiān)測，更好地促進(jìn)棉花現(xiàn)代化生產(chǎn)管理。