用于评价作物冠层结构与功能的系统及方法技术方案

本发明专利技术涉及了一种收集作物冠层内外环境参数的系统，评价冠层结构与功能，提高产量预测模型的精度，属于农业信息技术领域。为解决现存田间作物内环境数据收集难，冠层结构和功能的评价及产量预测偏差大、工作强度大、工作环境差等问题，本发明专利技术利用多套具备温度、湿度、二氧化碳和光量子传感器的模块，固定在田间采集装置上测量、收集温度、湿度、二氧化碳浓度和光通量密度，计算作物冠层的透光率、通风透气性能、最大功能期和高功能持续时间等，定量冠层结构与功能，建立了标准化、智能化、系统化的冠层结构与功能评价方法，为作物育种、栽培管理和生长模型优化提供了技术支持。理和生长模型优化提供了技术支持。

【技术实现步骤摘要】
用于评价作物冠层结构与功能的系统及方法


[0001]本专利技术属于农业信息
，涉及一种利用冠层内外的环境参数评价作物冠层结构与功能的方法。

技术介绍

[0002]高效选育作物新品种和配合合理的管理措施是解决世界粮食安全问题的重要途径。快速、精确地对大量育种品系和栽培效果进行全面的表型评价，可筛选具有期望表型的品系。
[0003]田间作物群体冠层结构与功能特性，以及冠层内的生长条件与产量密切相关，也体现了作物品种的遗传特性，以及对环境的适应程度。冠层是履行光合作用和物质生产职能的组织体系，能直接影响其对于太阳辐射的拦截程度，二氧化碳的吸收能力；冠层的叶片密度能够极大地影响作物冠层区域，特别是冠层内部的小气候。冠层的形态和结构，对不同层次冠层内的光分布、冠层光合作用效率以及作物生物量积累至关重要，从而与产量的形成存在密切联系。因此，高效的冠层结构能提高透光率，增强植株的光合效率，从而生产较多的干物质，挺高产量。
[0004]目前，冠层结构与功能评价主要依靠育种家田间观察判断，人工参与机器测量或一些无人机搭载设备测量：
[0005]马冬青等(不同种植密度和土壤水分条件下大田玉米冠层光结构分析，《干旱地区农业研究》，2020，38(4):259
‑
265)研究了玉米不同种植密度与水分条件下各项光结构指标的变化规律，其采用植物冠层分析仪以及光量子传感器进行测定，但仍需定时人工测量。
[0006]张宏鸣等(基于热红外遥感影像的作物冠层温度提取，《农业机械学报》，2019,50(4):203
‑
210)利用无人机搭载热红外成像仪获得热红外影像以及正射影像，但难以测量冠层内部的小气候。
[0007]贾彪等(基于有效积温的玉米冠层图像特征参数分析，《中国土壤与肥料》，2020(2):159
‑
165)利用防抖手持云台搭载手机相机遥控获取玉米冠层垂直地面图像，同样地，仍需人工参与。
[0008]陈宗培等(玉米光合特性和冠层微环境对密度和行株距配置的响应，《作物杂志》，2020(1):179
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186)中采用LI
‑
6400光合仪测定多种参数(如冠层空气温度、湿度、CO2浓度等)，系统分析玉米光合特性及冠层微环境对密度和行株距配置的响应机制，但仍难以实现自动、多频次的实时测量。
[0009]丁相鹏等(扩行缩株对夏玉米群体冠层结构及产量的影响，《中国农业科学》，2020，53(19):3915
‑
3927)讨论了不同密度下，研究扩行缩株模式的群体冠层结构、不同层次光能利用和产量形成与黄淮海夏玉米区光资源的匹配关系。其中在行间按对角线方式，测定植株底层(距地面15cm)、穗位叶层光合有效辐射量和冠层顶部入射光合有效辐射量。但明显需人工参与测量，无法实现高频次的需求。
[0010]薛华政等(密度对粮饲通用型玉米新品种郑单901冠层结构和产量的影响，《河南
农业科学》，2019，48(12):23
‑
29)研究了种植密度对其冠层结构、籽粒产量和青贮产量的影响，在小区选取有代表性的测量点，在乳熟期采用CI
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110型植物冠层数字图像分析仪测定穗位层和底层(地上20cm处)的透光率、叶面积指数和叶倾角，并拍摄穗位层和底层的半球灰度图像。可见，其采用定点、定时的测量方法，无法收集和获得批量供统计、分析的数据。
[0011]苏伟等(无人机影像反演玉米冠层LAI和叶绿素含量的参数确定，《农业工程学报》，2020，36(19):58
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65)以DJI S1000+无人机为平台，搭载法国Parrot Sequoia相机，获取海南三亚市崖城玉米育种基地的多光谱影像，以确定针对UAV影像反演玉米冠层叶面积指数和叶绿素含量的参数。无人机可获得的参数受到一定限制，如冠层下方的温度、湿度或二氧化碳浓度参数等难以获得。
[0012]可见，现有技术中的多种测量冠层参数的方法，存在工作环境差、主观性强、工作强度大、多需人工参与或测量不全面等问题，导致难以实现多生育期、高频次、精准测定的要求；甚至破坏冠层内部小气候或冠层结构，以及破坏冠层环境参数的分布规律，导致测量数据不精准；严重制约了对同一观测目标长时间连续数据获取的实现，极大降低了观测数据在研究和应用方面的作用。
[0013]因此，建立一种标准化、智能化、系统化的作物冠层结构与功能评价方法有重要意义。

技术实现思路

[0014]本专利技术提供了一种多生育期、高频次和高精准度地收集田间作物冠层内、外部空间的小气候特征，筛选与冠层结构密切相关的不同指标，并建立以此评价冠层结构与功能的方法。
[0015]本专利技术中，术语“冠层”是指林木枝叶的稠密顶层，“冠层结构”是指植物群落顶层空间的组成。
[0016]在第一个方面，本专利技术提供了该方法的冠层内外环境参数测量系统，包括传感器模块、数据采集模块和田间行走模块。
[0017]所述传感器模块用于测量作物冠层内外的各种环境参数。在一些实施方案中，所述传感器模块包含一个或多个传感器。
[0018]在具体的实施方案中，其包括光量子传感器、湿度传感器、温度传感器和/或二氧化碳传感器。
[0019]在具体的实施方案中，所述光量子传感器用于测量作物冠层内外的光通量密度信息，所述湿度传感器用于测量作物冠层内外的湿度信息，所述温度传感器用于测量作物冠层内外的温度信息，所述二氧化碳传感器用于测量作物冠层内外的二氧化碳浓度的信息。
[0020]所述数据采集模块，与所述传感器模块相连，用于获取所述传感器模块测量得到的光通量密度、温度、湿度和/或二氧化碳浓度信息，并将所述获取的气候信息进行存储。
[0021]所述光通量密度信息是指指光合有效辐射中的光通量密度，表示单位时间单位面积上在400～700nm波长范围内入射的光量子数。
[0022]在一些实施方案中，所述光通量密度包括：总的光通量密度、散射光通量密度以及直射光通量密度；优选地，所述光量子传感器外部设有透光保护罩。
[0023]所述湿度信息是指冠层内外环境湿度，主要包括空气湿度。所述温度信息是指地
表温度和大气温度。所述二氧化碳浓度信息，是指周围环境空气中二氧化碳浓度。
[0024]进一步地，本专利技术使用的光量子传感器用于测量太阳辐射中对植物光合作用有效的光谱范围的光合有效辐射量，可选用光量子传感器(如Li190SB光量子传感器)、光照传感器等。
[0025]进一步地，本专利技术使用的湿度传感器选自干湿球、湿敏元件(碳湿敏元件)、半导体湿度传感器、氯化锂湿度传感器、氧化铝湿度计、陶瓷湿度传感器中的一种或多种。
[0026]进一步地，本专利技术使用的温度传感器选自红外温度传感器、快速温度传感器、慢响应高精度温度传感器等，可测量地表温度或大气温度。
[0027]进一步地，本专利技术还可使用温湿度传感器，同时测量环境温度和湿度。<本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.收集作物冠层内外环境参数的测量系统，其特征在于，该系统包括传感器模块1、数据采集模块2和田间行走模块3；所述传感器模块用于测量作物冠层内外的各种环境参数；所述数据采集模块用于获取所述传感器模块测量到参数信息；所述传感器模块与所述数据采集模块相连；所述田间行走模块用于架设传感器模块和数据采集模块。2.根据权利要求1所述的测量系统，所述传感器模块包含一个或多个传感器。3.根据权利要求2所述的测量系统，其特征在于：所述传感器模块包括光量子传感器、湿度传感器、温度传感器和二氧化碳传感器中的一个或多个；所述光量子传感器用于测量作物冠层内外的光量子密度的信息；所述湿度传感器用于测量作物冠层内外的湿度信息；所述温度传感器用于测量作物冠层内外的温度信息；所述二氧化碳传感器用于测量作物冠层内外的二氧化碳浓度的信息。4.根据权利要求3所述的测量系统，其特征在于：所述光量子传感器用于测量太阳辐射的光通量密度，选自光量子传感器、光照传感器中的一种或多种；所述光量子传感器优选外部设有透光保护罩；所述湿度传感器选自干湿球、湿敏元件、半导体湿度传感器、氯化锂湿度传感器、氧化铝湿度计或陶瓷湿度传感器中的一种或多种；所述温度传感器选自红外温度传感器、快速温度传感器、慢响应高精度温度传感器中的一种或多种；或所述温度传感器和湿度传感器采用温湿度传感器，同时测量环境温度和湿度；所述二氧化碳传感器选自红外二氧化碳传感器、催化二氧化碳传感器、热传导二氧化碳传感器中的一种或多种。5.根据权利要求3或4所述的测量系统，其特征在于：所述光量子传感器或光照传感器测量范围为全光谱，光谱分辨率0.2nm，可测量紫外、蓝、绿、红、远红及红外光谱值；所述二氧化碳传感器测量范围0
‑
3000PPM，测量精度为
±
1.5％；所述温度传感器的温度测量精度为
±
0.1℃，测量范围
‑
20～70℃；和/或所述湿度传感器测量精度为
±
1.5％，测量范围为0～100％。6.根据权利要求4所述的测量系统，其特征在于，所述光照传感器及其参数如下：型号：虹谱光色OHSP
‑
350UVP波长范围：230nm～850nm光谱分辨率/重复性：0.2nm X,Y重复性
±
0.0005波长准确度：
±
0.5nm照度准确度：一级(
±
4％读数
±
1个读数)感光面：Ф10mm照度测量范围：5lx～200klx。7.根据权利要求4所述的测量系统，其特征在于，所述温湿度传感器及其参数如下：型号：妙昕TH42G4
‑
EX
温度范围：
‑
40℃～85℃湿度范围：0～100％温度精度：
±
0.1℃湿度精度：
±
1.5％。8.根据权利要求4所述的测量系统，其特征在于，所述二氧化碳传感器及其参数如下：型号：GMP252扩散式二氧化碳传感器CO2测量量程：0～20,000μmol/mol；准确度：@25℃：
±
40ppmCO
2 0～3000ppm
±
2％的读值3000～10000ppmCO2工作环境：
‑
40～60℃，0～100％RH；气压：500～1100hPa。9.根据权利要求1
‑
8任一项所述的测量系统，其特征在于，所...

【专利技术属性】
技术研发人员：王喜庆，张帅松，赵晓明，
申请(专利权)人：中国农业大学，
类型：发明
国别省市：