利用機載紅外相機監測脫葉劑對棉花冠層溫度的影響

王康麗，韓迎春，雷亞平，楊北方，李亞兵

（中國農業科學院棉花研究所/棉花生物學國家重點實驗室，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，通過信號處理技術將其轉換成被測物體的熱圖像。它可以將被測物體的熱分布轉換成可視圖像顯示出來，最后得到被測目標表面各點的溫度，有較強的敏感性[1-2]。最早紅外熱成像技術主要應用于工業上測溫，自1980年開始應用于農業研究[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，結合紅外熱成像技術，監測感病的煙草葉片的溫度變化。在病斑顯現前，被感染的葉面溫度會有所上升。Pearce等[5]利用紅外熱成像技術對受凍大麥進行研究發現：大麥凍害縱向蔓延速度高于橫向，初次結冰的傳播是第2次結冰的先決條件。程麒等[6]使用Fluke紅外熱像儀獲取棉花的冠層紅外熱圖像，同時測量棉花葉片氣孔導度 （Gs）、凈光合速率（Pn）和葉面積指數（LAI），通過計算水分脅迫指數，有效地監測棉花冠層水分狀況。

近年來無人機在農業上的應用越來越廣，無人機遙感技術為生態學和動植物保護領域提供了高效的途徑[7-10]。微小型無人機信息獲取技術具有平臺構建容易、運行和維護成本低、體積小、質量輕、操作簡單、靈活性高、作業周期短等特點[11-12]。目前很多學者利用無人機遙感技術獲取農作物表型精細信息。如王利民等[13]利用無人機搭載普通光學相機對作物種植面積進行調查，并利用無人機影像開展了地物分類的研究。高林等[14]利用無人機搭載高光譜相機估測了冬小麥葉面積指數，估測的葉面積指數與實測值總體上表現一致。Santesteban等[15]利用無人機搭載熱紅外相機，利用獲取的冠層溫度信息計算水分脅迫指數，并將獲得的水分脅迫指數與同時間獲得的植物莖水勢和氣孔導度作對比，發現具有良好的相關性。

冠層溫度是農田作物活動層與周圍環境進行能量交換的結果，其作為一項重要參數，可用于研究土壤、作物及大氣之間的水熱交換。快速準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，更是逆境監測的有力措施[16]。目前農業生產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除草劑或它們的復配劑。脫葉劑會破壞植物的葉綠體膜，顯著降低光合作用、蒸騰速率和氣孔導度等[17-20]。因此，施用脫葉劑會使棉花葉片自身的調節能力下降，給棉花生長造成一定的逆境。本文利用機載紅外成像技術對棉花施用脫葉劑后形成的逆境進行監測，以噴施脫葉劑后棉花冠層溫度以及脫葉后棉田小區的溫度為研究對象，以無人機熱紅外圖像和紅外溫度探頭數據為信息源，分析脫葉劑噴施后棉花冠層及葉片溫度的變化規律。

1 材料與方法

1.1 試驗設計

田間試驗于2017年在中國農業科學院棉花研究所東場 （河南省安陽縣，36°06′N，114°21′E）進行，試驗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。每個處理小區面積為60 m2（6 m×10 m）。

試驗設置 5個處理，A：清水（CK）；B：50%（質量分數，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）上午進行人工噴灑。

1.2 試驗儀器

試驗使用的無人機為中國深圳大疆創新有限公司的 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 圖像和溫度數據采集

脫葉劑噴施后1 h，開始對試驗棉田熱紅外圖像進行采集，間隔1 h采集1次，第1天最后1次采集時間為17:30；隨后 5 d，每天8:30―17:30對棉田熱紅外圖像進行采集，間隔1 h采集1次。使用載有紅外熱成像鏡頭的大疆M100無人機對棉田進行拍攝，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。棉花葉片溫度監測：將SI411溫度探頭對準棉花上部果枝葉，使其與葉片垂直并保持2 cm的距離，數據采集器每1 min自動記錄一組葉片溫度數據。

1.4 數據處理

熱紅外圖像溫度提取使用Flir Tool，數據處理使用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，圖像的每個像素點均包含相應的溫度信息。通過對不同時間獲取的熱紅外圖像進行溫度提取分析發現：一天當中（本文中指8:30―17:30），棉花冠層溫度先升高后降低，這與太陽輻射規律一致。圖2a中，處理組與對照組處理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時段內，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，期間對照組棉花冠層最高溫度出現在13:30，溫度為40.37℃，對照組棉花冠層最高溫度與最低溫度差值為10.33℃。一天當中處理組棉花冠層最高溫度、最低溫度、溫差都高于對照組。從圖3可以看出，中午前后，太陽輻射強度大，處理組與對照組溫差最大，此時利用熱紅外相機監測處理組與對照組的棉花冠層溫度差異最明顯。因此，利用機載熱紅外成像對脫葉劑處理后棉花冠層溫度監測的最佳時段是中午前后。

2.2 脫葉劑處理后棉花冠層溫度隨時間變化

選擇每天13:30拍攝的熱紅外圖像（圖4）進行溫度提取。各處理組棉花冠層平均溫度與對照組棉花冠層平均溫度之差的變化如圖5所示，隨著脫葉劑處理時間的增加，處理組棉花冠層平均溫度與對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。9月22日環境溫度最高，處理組與對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，處理組與對照組葉片溫度均呈先升高后降低的規律，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載紅外相機獲得的冠層表面溫度變化規律具有一致性。

圖1 噴施脫葉劑1 d后不同時段棉花冠層熱紅外圖像

圖2 噴施脫葉劑1 d后棉花冠層時空溫度分布

3 討論與結論

本文利用機載熱紅外技術實現了脫葉劑噴施后棉花冠層溫度變化的監測，結果表明：噴施脫葉劑后，太陽輻射強度越大，處理組棉花冠層溫度和上部葉片溫度與對照組的溫度差異越明顯，中午前后是監測棉花冠層溫度的最佳時段；隨著噴施脫葉劑后時間增加，中午前后處理組與對照組的棉花冠層溫差逐漸增大后趨于平穩，溫度高時，溫差增幅快。

圖3 噴施脫葉劑1 d后處理組與對照組棉花冠層溫度變化

圖4 噴施脫葉劑后連續6 d棉花冠層熱紅外圖像

圖5 噴施脫葉劑后連續6 d處理組與對照組棉花冠層溫差變化

圖6 脫葉劑噴施1 d后處理組與對照組棉花上部葉片溫度隨時間的變化

目前，機載熱紅外成像技術多用于植被病蟲害的監測和預警，雖然熱紅外成像技術在監測植物逆境和植物水分管理中已有很多研究，但是在大田尺度對植物進行監測上卻鮮有報道[23-26]。Oerke等[27]認為環境田間可以影響葉片表面溫度，進而影響試驗結果的準確性。本研究中，所有處理的溫度數據在同一瞬間被記錄，避免了不同處理多次拍攝時輻射、風速、濕度等變化對結果的影響。利用脫葉劑使用后處理組與對照組棉花冠層溫度變化規律的對比初步證明了機載紅外成像在棉花脫葉效果監測上的可行性。

在日常的棉花生產中，可以設置溫度參考表面以及對棉花的脫葉率進行人工調查，從而建立相應的模型，實現對棉花脫葉效果的監測，更好地促進棉花現代化生產管理。