利用机载红外相机监测脱叶剂对棉花冠层温度的影响

王康丽，韩迎春，雷亚平，杨北方，李亚兵

（中国农业科学院棉花研究所/棉花生物学国家重点实验室，河南安阳455000）

红外热成像测温是通过红外探测器接收被测物体的红外辐射，通过信号处理技术将其转换成被测物体的热图像。它可以将被测物体的热分布转换成可视图像显示出来，最后得到被测目标表面各点的温度，有较强的敏感性[1-2]。最早红外热成像技术主要应用于工业上测温，自1980年开始应用于农业研究[3]。Chaerle等[4]以接种过烟草花叶病毒（Tobacco mosaic virus）的烟草为研究材料，结合红外热成像技术，监测感病的烟草叶片的温度变化。在病斑显现前，被感染的叶面温度会有所上升。Pearce等[5]利用红外热成像技术对受冻大麦进行研究发现：大麦冻害纵向蔓延速度高于横向，初次结冰的传播是第2次结冰的先决条件。程麒等[6]使用Fluke红外热像仪获取棉花的冠层红外热图像，同时测量棉花叶片气孔导度 （Gs）、净光合速率（Pn）和叶面积指数（LAI），通过计算水分胁迫指数，有效地监测棉花冠层水分状况。

近年来无人机在农业上的应用越来越广，无人机遥感技术为生态学和动植物保护领域提供了高效的途径[7-10]。微小型无人机信息获取技术具有平台构建容易、运行和维护成本低、体积小、质量轻、操作简单、灵活性高、作业周期短等特点[11-12]。目前很多学者利用无人机遥感技术获取农作物表型精细信息。如王利民等[13]利用无人机搭载普通光学相机对作物种植面积进行调查，并利用无人机影像开展了地物分类的研究。高林等[14]利用无人机搭载高光谱相机估测了冬小麦叶面积指数，估测的叶面积指数与实测值总体上表现一致。Santesteban等[15]利用无人机搭载热红外相机，利用获取的冠层温度信息计算水分胁迫指数，并将获得的水分胁迫指数与同时间获得的植物茎水势和气孔导度作对比，发现具有良好的相关性。

冠层温度是农田作物活动层与周围环境进行能量交换的结果，其作为一项重要参数，可用于研究土壤、作物及大气之间的水热交换。快速准确地获取作物冠层温度特征，不仅可以为品种选育和长势诊断提供依据，更是逆境监测的有力措施[16]。目前农业生产上常用的催熟剂和脱叶剂主要是一些外源激素和部分化学除草剂或它们的复配剂。脱叶剂会破坏植物的叶绿体膜，显著降低光合作用、蒸腾速率和气孔导度等[17-20]。因此，施用脱叶剂会使棉花叶片自身的调节能力下降，给棉花生长造成一定的逆境。本文利用机载红外成像技术对棉花施用脱叶剂后形成的逆境进行监测，以喷施脱叶剂后棉花冠层温度以及脱叶后棉田小区的温度为研究对象，以无人机热红外图像和红外温度探头数据为信息源，分析脱叶剂喷施后棉花冠层及叶片温度的变化规律。

1 材料与方法

1.1 试验设计

田间试验于2017年在中国农业科学院棉花研究所东场 （河南省安阳县，36°06′N，114°21′E）进行，试验地为多年棉花连作壤土，土壤肥力适中。供试棉花品种为中棉所60，播种日期为2017年4月20日。棉花播种方式为机械精量播种，采用76 cm等行距种植，播种密度为每666.7 m24 300株。每个处理小区面积为60 m2（6 m×10 m）。

试验设置 5个处理，A：清水（CK）；B：50%（质量分数，下同）噻苯隆300 g·hm－2（有效成分，下同）；C：50%噻苯隆 300 g·hm－2＋专用助剂 225 mL·hm－2＋40%乙烯利 1.8 L·hm－2；D：54%噻苯敌草隆243 g·hm－2（有效成分，下同）＋40%乙烯利1.8 L·hm－2；E：54%噻苯敌草隆 243 g·hm－2＋专用助剂 225 mL·hm－2＋40%乙烯利 1.8 L·hm－2。 本试验所有试剂均由中棉小康生物科技有限公司提供。脱叶剂在2017年9月19日（晴天）上午进行人工喷洒。

1.2 试验仪器

试验使用的无人机为中国深圳大疆创新有限公司的 M100，热成像镜头为 Flir公司 Thermo-CAM SC3000，非制冷焦平面，波长范围 7.5～13.5 μm，分辨率为320×240像素。叶片温度测定使用Apogee公司的Si411红外温度探头。

1.3 图像和温度数据采集

脱叶剂喷施后1 h，开始对试验棉田热红外图像进行采集，间隔1 h采集1次，第1天最后1次采集时间为17:30；随后 5 d，每天8:30―17:30对棉田热红外图像进行采集，间隔1 h采集1次。使用载有红外热成像镜头的大疆M100无人机对棉田进行拍摄，拍摄高度为60 m，镜头垂直向下。热红外图像的尺寸为640×512像素，格式为JPG。棉花叶片温度监测：将SI411温度探头对准棉花上部果枝叶，使其与叶片垂直并保持2 cm的距离，数据采集器每1 min自动记录一组叶片温度数据。

1.4 数据处理

热红外图像温度提取使用Flir Tool，数据处理使用Stata15，棉花冠层温度空间分布图制作使用Sufer12（Golden software）克里格插值法[21-22]。

2 结果与分析

2.1 脱叶剂喷施1 d后花冠层温度变化

图1是脱叶剂喷施1 d后利用无人机在距地面60 m的高空处拍摄获得的棉花冠层热红外图像，图像的每个像素点均包含相应的温度信息。通过对不同时间获取的热红外图像进行温度提取分析发现：一天当中（本文中指8:30―17:30），棉花冠层温度先升高后降低，这与太阳辐射规律一致。图2a中，处理组与对照组处理A之间的温度差异并不明显，但从图2c可以明显看出，喷施脱叶剂的处理B、C、D、E的棉花冠层温度高于对照组。8:30各处理组的棉花冠层温度在31℃左右，13:30上升到41.5℃左右，之后逐渐下降，17:30在30℃左右；8:30―17:30时段内，处理 B、C、D、E 的棉花冠层最高温度与最低温度的差值分别为10.98℃、11.01℃、11.21℃、11.46℃。对照组在8:30和17:30获取的棉花冠层温度与处理组相差不大，期间对照组棉花冠层最高温度出现在13:30，温度为40.37℃，对照组棉花冠层最高温度与最低温度差值为10.33℃。一天当中处理组棉花冠层最高温度、最低温度、温差都高于对照组。从图3可以看出，中午前后，太阳辐射强度大，处理组与对照组温差最大，此时利用热红外相机监测处理组与对照组的棉花冠层温度差异最明显。因此，利用机载热红外成像对脱叶剂处理后棉花冠层温度监测的最佳时段是中午前后。

2.2 脱叶剂处理后棉花冠层温度随时间变化

选择每天13:30拍摄的热红外图像（图4）进行温度提取。各处理组棉花冠层平均温度与对照组棉花冠层平均温度之差的变化如图5所示，随着脱叶剂处理时间的增加，处理组棉花冠层平均温度与对照组棉花冠层平均温度之间的差值逐渐增加，最后趋于平稳。9月22日环境温度最高，处理组与对照组冠层温度之差最大，变化最快。

2.3 脱叶剂处理后棉花叶片温度随时间的变化

喷施脱叶剂1 d后，8:00—18:00棉花上部叶片温度的变化如图6所示，处理组与对照组叶片温度均呈先升高后降低的规律，与太阳辐射变化一致；中午前后，处理组叶片温度明显高于对照组。喷施脱叶剂后，使用红外温度探头获得的叶片温度与使用机载红外相机获得的冠层表面温度变化规律具有一致性。

图1 喷施脱叶剂1 d后不同时段棉花冠层热红外图像

图2 喷施脱叶剂1 d后棉花冠层时空温度分布

3 讨论与结论

本文利用机载热红外技术实现了脱叶剂喷施后棉花冠层温度变化的监测，结果表明：喷施脱叶剂后，太阳辐射强度越大，处理组棉花冠层温度和上部叶片温度与对照组的温度差异越明显，中午前后是监测棉花冠层温度的最佳时段；随着喷施脱叶剂后时间增加，中午前后处理组与对照组的棉花冠层温差逐渐增大后趋于平稳，温度高时，温差增幅快。

图3 喷施脱叶剂1 d后处理组与对照组棉花冠层温度变化

图4 喷施脱叶剂后连续6 d棉花冠层热红外图像

图5 喷施脱叶剂后连续6 d处理组与对照组棉花冠层温差变化

图6 脱叶剂喷施1 d后处理组与对照组棉花上部叶片温度随时间的变化

目前，机载热红外成像技术多用于植被病虫害的监测和预警，虽然热红外成像技术在监测植物逆境和植物水分管理中已有很多研究，但是在大田尺度对植物进行监测上却鲜有报道[23-26]。Oerke等[27]认为环境田间可以影响叶片表面温度，进而影响试验结果的准确性。本研究中，所有处理的温度数据在同一瞬间被记录，避免了不同处理多次拍摄时辐射、风速、湿度等变化对结果的影响。利用脱叶剂使用后处理组与对照组棉花冠层温度变化规律的对比初步证明了机载红外成像在棉花脱叶效果监测上的可行性。

在日常的棉花生产中，可以设置温度参考表面以及对棉花的脱叶率进行人工调查，从而建立相应的模型，实现对棉花脱叶效果的监测，更好地促进棉花现代化生产管理。