红外和可见光图像技术在节水灌溉中的应用研究
:本文以水稻为研究对象，水稻的分蘖期、拔节孕穗期和抽穗开花期三个生育阶段进行不同梯度的土壤水分胁迫，采用红外和可见光成像技术获取水稻的水分胁迫指数和叶片颜色特征参数，配合采用仪器测量水稻不同时期的光合指标，研究水稻水分胁迫指数和叶片颜色特征参数与光合指标之间的响应规律，并以此为依据，初步确定了运用于水稻水分亏缺诊断的作物分胁迫指数指标和水稻颜色特征参数指标。研究结果表明水稻蒸腾速率与作物水分胁迫指数CWSI呈现显著性相关关系；水稻生育期内叶片颜色特征参数对光合指标没有明显的响应规律。
目录
摘要 1
关键词 1
Abstract. 1
Key words 1
引言 1
1试验材料与方法 3
1.1试验区概况 3
1.2试验方案设计 4
1.2.1试验仪器 4
1.2.2试验材料 4
1.2.3试验数据记录 4
1.2.4光合仪叶室连接 4
1.2.5拍摄方案 5
1.2.6 小区概况 5
1.3试验布置 6
1.4观测指标与方法 7
1.4.1土壤水分状态 7
1.4.2常规气象指标 7
1.4.3灌溉水量 7
1.4.4水稻生理指标 7
1.5数据计算与分析方法 8
1.5.1红外图像的分析与计算 8
1.5.2可见光图像分析与计算 8
2水稻冠层温度变化规律与水分亏缺诊断指标 9
2.1俯视图和平视图对水稻冠层温度的影响分析 9
2.2基于冠层温度的水稻作物水分胁迫指数CWSI变化规律 9
2.2.1水稻作物水分胁迫指数CWSI日变化规律 9
2.2.2 水稻作物水分胁迫指数CWSI生育期内变化规律 9
2.3水稻作物水分胁迫指数CWSI与生理指标之间的关系分析 10
2.3.1作物水分胁迫指数CWSI与水稻蒸腾速率之间的关系分析 10
2.3.1.1分蘖期不同水分亏缺下水稻CWSI与蒸腾速率的关系分析 10
2
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072^
.3.1.2 拔节孕穗期不同水分亏缺下水稻CWSI与蒸腾速率的关系分析 11
2.3.1.3 抽穗开花期不同水分亏缺下水稻CWSI与蒸腾速率的关系分析 12
2.3.1.4 乳熟期不同水分亏缺下水稻CWSI与蒸腾速率的关系分析 12
2.6本章小结 13
3水稻叶片颜色特征参数变化规律与水分亏缺诊断 13
3.1叶片颜色特征参数生育期内变化规律 13
3.2分蘖期叶片颜色特征参数与水稻光合指标关系分析 14
3.3拔节孕穗期叶片颜色特征参数与水稻光合指标关系分析 15
3.4乳熟期叶片颜色特征参数与水稻光合指标的关系分析 15
3.5本章小结 16
4结论与展望 16
4.1主要结论 16
4.2研究展望 16
致谢 16
参考文献 17
红外和可见光图像技术在节水灌溉中的应用研究
引言
引言：水资源紧缺已成为目前全世界面临的一个重大问题，我国更是一个水资源匮乏的国家。我国水资源总量丰富，相对量较少。在缺水的同时，水资源利用效率低、水资源浪费等不合理现象普遍存在。我国农业灌溉水的利用效率只有40%50%左右，发达国家可达70%80%[1]。尽管水资源总量丰富，但按耕地面积和人口数量平均却很少，按照中国当前耕地数量18亿亩与人口数量13亿进行计算，中国耕地亩均占有径流量为1285 m3，水资源人均占有量为1860 m3。而在1995年底我国水资源人均占有量为2200 m3，低于世界平均值的1/4，美国的1/5，居世界第121位[2, 3]，近年来我国人均水资源继续下降，预测到2030年这一数量还将继续下降到1760m3[4, 5]。据统计，我国每年缺水约为300400亿m3，农田受旱面积约为13亿亩。
大力发展节水农业，推广节水灌溉，建立节水型社会是我国一项长期的基本国策。新世纪以来，连续11个中央1号文件和中央水利工作会议，都要求把节水灌溉作为重大战略举措，2012年印发的《国家农业节水纲要(20122020年)》对节水灌溉提出了明确的发展目标和要求。习近平总书记关于“节水优先、空间均衡、系统治理、两手发力”的治水思路，也强调了发展节水灌溉的重要性。
水稻是主要的粮食作物，具有耗水量大的特点，被认为是节水灌溉中的重中之重。精准灌溉是节水灌溉的重要措施，而适时、准确地掌握水稻作物需水信息是关键，以此开展灌溉决策，可达到灌溉的定位、及时、适量。此外，水分亏缺是农业生产中存在的普遍问题，适度水分亏缺不会减产，而且可以增加产量、提高品质，基于适度水分亏缺基础上的节水灌溉，对精准灌溉和精准农业的发展应用具有重要意义。因此，开展作物水分的检测、研究适度的水分亏缺方法是提高水分利用效率的重要基础。
叶水势、叶片相对含水量等生理指标的检测可以从本质上反映作物的缺水程度，但这些指标的传统采集测定方法对作物具有破坏性，难以提供实时、准确的作物需水信息，而利用图像处理技术获取水稻植株的含水率等相关信息具有非接触、非破坏、快速的优点。已有研究表明，当作物出现水分亏缺现象时，作物的生理指标、冠层温度以及叶片颜色特征等会产生对水分亏缺的响应。作物的叶片颜色特征可通过图像处理技术获得，冠层温度可通过红外热像仪拍摄获得，这些数字摄像技术为检测作物水分状况提供了可行的手段和可靠的依据。
因此，本项目应用红外测温和数字图像处理技术来研究水稻水分的无损检测方法，通过实时检测水稻需水状况，确定灌水定额及灌水时间并及时提供需水信息，为精准、智能型高效节水灌溉技术的研发提供技术支撑，项目的研究对提高水分利用效率具有重要的意义。
目前国内外常见的作物水分状况或亏缺检测的方法主要是通过采集作物生长相关需水信息参数，例如土壤指标、气象指标和作物生理指标等，以传统的采集手段为主。土壤指标是诊断作物缺水的一种古老的方法，常用的指标主要有土壤含水量和土水势，常采用的测定方法有烘干法、中子散射法、石膏电阻法、γ射线法、时域反射仪TDR法等。气象指标检测法是采用气象信息分析作物水分或缺水程度，主要是测定影响作物生长的降雨、日照、气温和空气湿度等气象信息，将其运用于计算时段内作物的蒸腾蒸发量，当蒸腾蒸发量累积到一定程度，即可认为作物缺水，计算常采用的相对蒸散法。常见的生理指标检测方法包括茎直径、叶水势、气孔导度、蒸腾特性、内源激素和细胞变化等[2]。
目录
摘要 1
关键词 1
Abstract. 1
Key words 1
引言 1
1试验材料与方法 3
1.1试验区概况 3
1.2试验方案设计 4
1.2.1试验仪器 4
1.2.2试验材料 4
1.2.3试验数据记录 4
1.2.4光合仪叶室连接 4
1.2.5拍摄方案 5
1.2.6 小区概况 5
1.3试验布置 6
1.4观测指标与方法 7
1.4.1土壤水分状态 7
1.4.2常规气象指标 7
1.4.3灌溉水量 7
1.4.4水稻生理指标 7
1.5数据计算与分析方法 8
1.5.1红外图像的分析与计算 8
1.5.2可见光图像分析与计算 8
2水稻冠层温度变化规律与水分亏缺诊断指标 9
2.1俯视图和平视图对水稻冠层温度的影响分析 9
2.2基于冠层温度的水稻作物水分胁迫指数CWSI变化规律 9
2.2.1水稻作物水分胁迫指数CWSI日变化规律 9
2.2.2 水稻作物水分胁迫指数CWSI生育期内变化规律 9
2.3水稻作物水分胁迫指数CWSI与生理指标之间的关系分析 10
2.3.1作物水分胁迫指数CWSI与水稻蒸腾速率之间的关系分析 10
2.3.1.1分蘖期不同水分亏缺下水稻CWSI与蒸腾速率的关系分析 10
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*好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072^
.3.1.2 拔节孕穗期不同水分亏缺下水稻CWSI与蒸腾速率的关系分析 11
2.3.1.3 抽穗开花期不同水分亏缺下水稻CWSI与蒸腾速率的关系分析 12
2.3.1.4 乳熟期不同水分亏缺下水稻CWSI与蒸腾速率的关系分析 12
2.6本章小结 13
3水稻叶片颜色特征参数变化规律与水分亏缺诊断 13
3.1叶片颜色特征参数生育期内变化规律 13
3.2分蘖期叶片颜色特征参数与水稻光合指标关系分析 14
3.3拔节孕穗期叶片颜色特征参数与水稻光合指标关系分析 15
3.4乳熟期叶片颜色特征参数与水稻光合指标的关系分析 15
3.5本章小结 16
4结论与展望 16
4.1主要结论 16
4.2研究展望 16
致谢 16
参考文献 17
红外和可见光图像技术在节水灌溉中的应用研究
引言
引言：水资源紧缺已成为目前全世界面临的一个重大问题，我国更是一个水资源匮乏的国家。我国水资源总量丰富，相对量较少。在缺水的同时，水资源利用效率低、水资源浪费等不合理现象普遍存在。我国农业灌溉水的利用效率只有40%50%左右，发达国家可达70%80%[1]。尽管水资源总量丰富，但按耕地面积和人口数量平均却很少，按照中国当前耕地数量18亿亩与人口数量13亿进行计算，中国耕地亩均占有径流量为1285 m3，水资源人均占有量为1860 m3。而在1995年底我国水资源人均占有量为2200 m3，低于世界平均值的1/4，美国的1/5，居世界第121位[2, 3]，近年来我国人均水资源继续下降，预测到2030年这一数量还将继续下降到1760m3[4, 5]。据统计，我国每年缺水约为300400亿m3，农田受旱面积约为13亿亩。
大力发展节水农业，推广节水灌溉，建立节水型社会是我国一项长期的基本国策。新世纪以来，连续11个中央1号文件和中央水利工作会议，都要求把节水灌溉作为重大战略举措，2012年印发的《国家农业节水纲要(20122020年)》对节水灌溉提出了明确的发展目标和要求。习近平总书记关于“节水优先、空间均衡、系统治理、两手发力”的治水思路，也强调了发展节水灌溉的重要性。
水稻是主要的粮食作物，具有耗水量大的特点，被认为是节水灌溉中的重中之重。精准灌溉是节水灌溉的重要措施，而适时、准确地掌握水稻作物需水信息是关键，以此开展灌溉决策，可达到灌溉的定位、及时、适量。此外，水分亏缺是农业生产中存在的普遍问题，适度水分亏缺不会减产，而且可以增加产量、提高品质，基于适度水分亏缺基础上的节水灌溉，对精准灌溉和精准农业的发展应用具有重要意义。因此，开展作物水分的检测、研究适度的水分亏缺方法是提高水分利用效率的重要基础。
叶水势、叶片相对含水量等生理指标的检测可以从本质上反映作物的缺水程度，但这些指标的传统采集测定方法对作物具有破坏性，难以提供实时、准确的作物需水信息，而利用图像处理技术获取水稻植株的含水率等相关信息具有非接触、非破坏、快速的优点。已有研究表明，当作物出现水分亏缺现象时，作物的生理指标、冠层温度以及叶片颜色特征等会产生对水分亏缺的响应。作物的叶片颜色特征可通过图像处理技术获得，冠层温度可通过红外热像仪拍摄获得，这些数字摄像技术为检测作物水分状况提供了可行的手段和可靠的依据。
因此，本项目应用红外测温和数字图像处理技术来研究水稻水分的无损检测方法，通过实时检测水稻需水状况，确定灌水定额及灌水时间并及时提供需水信息，为精准、智能型高效节水灌溉技术的研发提供技术支撑，项目的研究对提高水分利用效率具有重要的意义。
目前国内外常见的作物水分状况或亏缺检测的方法主要是通过采集作物生长相关需水信息参数，例如土壤指标、气象指标和作物生理指标等，以传统的采集手段为主。土壤指标是诊断作物缺水的一种古老的方法，常用的指标主要有土壤含水量和土水势，常采用的测定方法有烘干法、中子散射法、石膏电阻法、γ射线法、时域反射仪TDR法等。气象指标检测法是采用气象信息分析作物水分或缺水程度，主要是测定影响作物生长的降雨、日照、气温和空气湿度等气象信息，将其运用于计算时段内作物的蒸腾蒸发量，当蒸腾蒸发量累积到一定程度，即可认为作物缺水，计算常采用的相对蒸散法。常见的生理指标检测方法包括茎直径、叶水势、气孔导度、蒸腾特性、内源激素和细胞变化等[2]。
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