一種移動端紅外成像技術計算植物蒸散發(fā)測定方法及應用

王光焰 魏聰 陳長清 劉云飛

摘? ? 要：準確了解蒸散發(fā)對獲取植物生理生態(tài)參數(shù)非常重要，但目前的蒸散發(fā)測量方法依賴于侵入式、固定式的儀器設備，尚缺乏較為方便的移動測量方法。本研究提出一種依賴于移動端設備，獲取紅外成像技術圖片測量得到植物葉溫值，隨后根據(jù)“三溫模型”原理測定得到植物蒸騰速率的方法。通過室內盆栽試驗數(shù)據(jù)，研究結果基本驗證了技術流程的可行性，且結果之間互為驗證，說明該方法具有較好的應用前景。若開后期展大規(guī)模的應用和比較，可能獲得較好的推廣價值。本研究也可作為其他研究的理論參考和技術依據(jù)。

關鍵詞：紅外;葉溫;植物蒸騰;三溫模型

Abstract： It is very important to accurately understand evapotranspiration for obtaining plant physiological and ecological parameters. But the current methods of evapotranspiration measurement rely on invasive and fixed instruments and equipment， and there is still a lack of more convenient mobile measurement methods. In this study， a mobile device was used to measure the leaf temperature of plants by acquiring infrared image technology， and then the transpiration rate of plants was measured according to the principle of "three temperature model". Through the indoor pot experiment data， the research results basically verified the feasibility of the process of the technology， and the mutual results verified each other， which showed that the method had a good application prospect. If large-scale application and comparison were carried out in the later stage， it was possible to obtain better promotion value. This study can also be used as a theoretical reference and technical basis for other studies.

Key words： infrared; leaf temperature; plant transpiration; three temperature model

水資源短缺問題在全球范圍內已引發(fā)了潛在的生態(tài)、社會、經(jīng)濟甚至政治問題[1-2]。在缺水區(qū)域，水資源對區(qū)域可持續(xù)發(fā)展的制約作用更為顯著[3]。土壤—植被—大氣系統(tǒng)中的蒸散發(fā)（Evapotranspiration，ET）是耗水過程的重要子過程，決定了從土壤和植被進入大氣中水分的多少，對于區(qū)域的可持續(xù)發(fā)展、流域的生態(tài)平衡等各個方面具有重要意義。蒸散發(fā)不僅是水文循環(huán)的重要環(huán)節(jié)，也是確定農業(yè)用水量、生態(tài)用水量的主要依據(jù);通過控制區(qū)域蒸散發(fā)量，可以從總體上把握節(jié)水和水資源高效產出的方向，是實現(xiàn)區(qū)域消耗總量控制和管理的關鍵。蒸散發(fā)包括土壤水面的蒸發(fā)（E）和植被蒸騰（T）。作為蒸散發(fā)的組分之一，植被蒸騰（T）的消耗對地表水量平衡和熱量平衡具有重要影響[4]。結合ET的消耗和土壤水資源的動態(tài)轉化關系，可以對區(qū)域水資源的不同消耗效用進行區(qū)分，通過提高水循環(huán)中T的消耗占比可以提升水資源開發(fā)中的高效消耗利用[5]。

目前，測定植物蒸騰速率的方法主要有：（1）便攜式光合儀，但其可能造成植物葉片受夾以后造成損傷，實測蒸騰速率會偏低;（2）依賴冠層溫度的估計方法[6]，即依賴于土壤蒸發(fā)模型、土壤蒸發(fā)擴散系數(shù)、植被蒸騰模型、植被蒸發(fā)擴散系數(shù)和作物水分虧缺系數(shù)[7]。紅外熱成像技術通過觀測紅外波段的光譜并轉換為可見的熱圖像信息，為植株提供了能夠獲取其非接觸性和高分辨率的溫度信息[8-9]，從而為植株蒸散發(fā)信息的獲取提供了新的思路。本文通過建立一種移動端作物蒸散發(fā)快速測定系統(tǒng)，能夠實時動態(tài)地監(jiān)測植物蒸散發(fā)數(shù)據(jù)，節(jié)約了植物蒸散發(fā)計算時間。

1 材料和方法

1.1 移動端紅外成像技術

圖1給出了一種移動端作物紅外成像測量示意圖，測量系統(tǒng)包括：手機1、手機紅外熱像設備2、所測植物3、與植物顏色相近的卡紙4。首先，測量輸出植物冠層溫度數(shù)據(jù)與沒有蒸騰的參考冠層溫度數(shù)據(jù)，確保拍攝時手機1應與手機紅外攝像設備2處于連接狀態(tài);拍攝植物冠層溫度時擺放所測植物3（圖1-A），拍攝參考冠層溫度數(shù)據(jù)時擺放卡紙4（圖1-B）。

1.2 三溫模型

“三溫模型”計算公式如下[7]：式中，Tr是蒸騰速率（MJ·m-2·d-1）; Rn和Rnp是冠層和無蒸騰的參考冠層的凈輻射（MJ·m-2·d-1）; Tc是冠層溫度; Tp是沒有蒸騰的參考冠層溫度（用與植物葉片顏色一致的無蒸騰紙片獲得溫度）; Ta是氣溫（絕對溫度）; hat是植被蒸騰擴散系數(shù); Rs是太陽輻射（J·m-2·s-1）; α是地表反照率，通過測量可得（α=0.22）; ΔR1是凈長波輻射（J·m-2·s-1），通常是用太陽輻射和表面溫度計算; Rso是晴天太陽輻射量（J·m-2·s-1）; εa是大氣放射率; εs是地表放射率（植被地表放射率取0.98）; σ是斯蒂芬鄄玻爾茲曼常數(shù);σ=5.675×10-8J·m-2·s-1·k-4。模型中除太陽輻射量與氣溫外，其他因子可由常數(shù)、固定取值等方法得出。

1.3 盆栽試驗

研究區(qū)域為華中科技大學水電學院三樓走廊靠近玻璃側，走廊左側為玻璃，右側是辦公室，由于朝向原因，靠近玻璃一側的植物早上無法受到太陽照射，中午基本都可以受到陽光照射，但部分植物由于受到承重墻阻擋可能處于陰影之中。

觀測試驗于2018年2月28日的晴朗天氣進行，選擇了3個不同高度的植物作為研究對象。在10：30—12：30的時間段平均每0.5 h測1次數(shù)據(jù)。利用FLIR探測器，熱敏度為≤0.05 °C ，發(fā)射率設定為0.95。為確保精度，測定時間為10：30—12：30，植株頂端與熱成像儀的距離為1 m，采集的圖像傳至PC機后提取半日花葉片的平均溫度。

輸入的是拍攝時間數(shù)據(jù)，太陽輻射數(shù)據(jù)互聯(lián)網(wǎng)通過查詢日出與日落時間，得到可照時數(shù)（S）。通過Prescott公式計算太陽輻射Gt。

式中，Gt為月平均日總量，單位：MJ·m-2·d-1;G0為水平面上的天文輻射，單位：MJ·m-2·d-1;a1、a2為經(jīng)驗系數(shù)，分別為0.22，0.54;S為實際日照時數(shù)，單位是h;S0為最大可照時數(shù)，單位是h。

2 結果與分析

2.1 環(huán)境因子動態(tài)變化

對測定時間內的環(huán)境因子動態(tài)變化進行了分析。2018年2月28日太陽輻射量從8：00開始逐漸增加，在13：00達到其峰值（903 J·m-2·s-1）。按照測定的氣溫值最低為280.15 K，最高為285.15 K，17：00后氣溫急劇下降。

2.2 植物葉溫動態(tài)變化

圖2為紅外熱成像技術提取溫度示意圖，溫度較高的區(qū)域為紅色，溫度較低的區(qū)域為藍色，通過比較可見光和熱紅外圖像準確判斷盆栽花卉葉溫的大小，通過提取不同時間不同圖像葉溫來測定和比較葉溫隨時間變化規(guī)律。

圖3為葉溫隨時間變化的結果，從圖中可以看出，葉溫隨氣溫的升高而升高，3個不同處理中，植株越小其葉溫越高;但通過對氣溫和葉溫的相互關系進行比較后可以發(fā)現(xiàn)，大、中、小植株葉溫與氣溫的相關系數(shù)分別為-0.48，-0.27，-0.11，說明二者之間的關系并非簡單的線性關系。

2.3 蒸騰擴散系數(shù)動態(tài)變化

采用蒸騰擴散系數(shù)（hat）衡量植物蒸散量并評價其水分利用狀況，其具體的指標參考值為：hat取值范圍為hat≤1∶ hat最小值時，說明植被無水分虧缺或不受環(huán)境脅迫; hat最大值表明植被受到最大分虧缺或環(huán)境脅迫。hat越大，蒸騰速率越小，且在缺水條件下，植物根部區(qū)域的水分狀況主要影響hat的變化[10]。

圖4所示為不同處理（大、中、小植株）蒸騰擴散系數(shù)的日變化。由圖可以發(fā)現(xiàn)，不同植株的蒸騰擴散系數(shù)變化規(guī)律相似，在11：00—11：30之間出現(xiàn)了下降值，說明此時所受環(huán)境脅迫最大;但不同植株中，大植株雖然水分脅迫值較高，但其波動也較大;較為意外的是小植株，可能由于盆栽供水較好而波動較小。不同大小植株的蒸騰擴散系數(shù)差異極顯著（P<0.01）。

2.4 蒸騰速率動態(tài)變化

蒸騰速率（Tr）變化進程曲線如圖5所示。可以看出，大、中、小植株的蒸騰速率變化較為顯著，其中大植株波動性較大，而小植株波動性較小。不同處理（大、中、小）植株蒸騰速率存在極顯著差異（P<0.01）。

3 結 論

本研究通過提出一種移動端紅外成像技術，并以盆栽試驗予以了驗證。數(shù)據(jù)驗證得到了植物蒸騰速率輸出;雖然在實際應用中使用了效果較優(yōu)的色彩卡紙，但不限于色彩卡紙（為無蒸騰紙片類型即可）。本方法有效克服了現(xiàn)有技術中存在的缺點和不足之處，并且操作簡單，能夠實時動態(tài)監(jiān)測植物蒸散發(fā)數(shù)據(jù)，節(jié)約了植物蒸散發(fā)計算時間。研究結果基本驗證了技術流程的可行性，且結果之間互為驗證，由此說明該方法具有較好的應用前景。若后期開展大規(guī)模的應用和比較，可能獲得較好的推廣價值。本研究也可作為其他研究的理論參考和技術依據(jù)。

參考文獻：

[1]RUMBAUR C， THEVS N， DISSE M， et al. Sustainable management of river oases along the tarim river in north-western china under conditions of climate change[J]. Earth system dynamics， 2015， 5（2）：1221-1273.

[2]XUE L， FAN Y， YANG C， et al. Identification of potential impacts of climate change and anthropogenic activities on streamflow alterations in the Tarim river basin， China[J]. Scientific reports， 2017， 7（1）：8254.

[3]CHEN Y. Water Resources Research in Northwest China[M].New York： Springer， 2014：440.

[4]COENDERS-GERRITS A M J， VAN Der Eut R J， BOGAARD T A， et al. Uncertainties in transpiration estimates[J]. Nature， 2014， 506（7487）：E1-E2.

[5]王浩， 楊貴羽， 賈仰文，等.以黃河流域土壤水資源為例說明以“ET管理”為核心的現(xiàn)代水資源管理的必要性和可行性[J].中國科學， 2009，39（10）：1691-1701.

[6]高麗， 楊劼， 劉瑞香. 不同土壤水分條件下中國沙棘雌雄株光合作用、蒸騰作用及水分利用效率特征[J]. 生態(tài)學報， 2009， 29（11）： 6025-6034.

[7]QIU G Y， SASE S， SHI P J， et al. Theoretical analysis and experimental verification of a remotely measurable plant transpiration transfer coefficient[J]. Japan agricultural research quarterly， 2003， 37（3）： 141-149.

[8]王冰， 崔日鮮， 王月福. 基于遠紅外成像技術的花生苗期抗旱性鑒定[J]. 中國油料作物學報， 2011， 33（6）： 632- 636.

[9]劉亞， 丁俊強， 蘇巴錢德，等. 基于遠紅外熱成像的葉溫變化與玉米苗期耐旱性的研究[J]. 中國農業(yè)科學， 2009， 42（6）： 2192-2201.

[10]邱國玉， 吳曉， 王帥， 等. 三溫模型——基于表面溫度測算蒸散和評價環(huán)境質量的方法郁. 植被蒸騰擴散系數(shù)[J]. 植物生態(tài)學報， 2006， 30（5）： 852-860.