专利名称：农作物冠层覆盖度与土壤面源污染物输出强度关系的定量评估方法
技术领域：
本发明涉及农业生态环境保护领域，尤其涉及一种基于数码像素分析的农作物冠 层覆盖度与土壤面源污染物输出强度关系的定量评估方法。
背景技术：
农作物冠层覆盖度是控制土壤面源污染物输出强度的一个重要因子。以农作物冠 层覆盖度为考察对象，研究农田土壤侵蚀和养分流失规律方兴未艾。国内学者以人工降雨 为手段，将农作物冠层覆盖度作为评价农田土壤侵蚀、元素流失风险的指标，研究覆盖度下 农田土壤侵蚀规律和元素输出规律。在农作物冠层覆盖度与水土流失关系研究中，一般认 为，农作物冠层覆盖度愈高，水土流失愈少。降雨、土壤、植物等因素较为复杂且很难调控， 给农田土壤侵蚀和养分流失规律的研究造成一定的困难。由于研究手段的限制，有关农作 物冠层覆盖度对土壤侵蚀、元素流失等环境负面效应影响的研究较少，其中准确定量农作 物冠层覆盖度是一个重要的瓶颈。但是，随着计算机技术的发展，快速准确的农作物冠层覆 盖度计算成为现实，本专利介绍的基于数理统计与数码图像分析耦合的农作物冠层覆盖度 测算技术是一项先进的农作物冠层覆盖度计算技术，以达到对土壤侵蚀、元素流失进行准 确定量评估的目的。一般，田间农作物冠层覆盖度的定量方法主要有三种直观判断法、线性分割法以 及近红外分析法。直观判断法是通过三位以上经过训练的评估者肉眼来观察并评估农作物 冠层覆盖度，依靠的是评估者的主观经验，该方法虽然简单但是准确性不高，不同评估者之 间的数据重复性低、变异系数大；线性分割的方法是将整体小区面积用直线分割成若干等 面积的小方格，分别计算小方格内覆盖度后相加而得总覆盖度，划分方格的数量根据覆盖 度计算精确度的要求来定，尽管该方法明显比直观判断法获得的结果准确度高、重复性好， 但是花费的时间较长，在很多田间研究中不太适用。此外，近年来发展起来的近红外分析方 法在计算植物叶面参数中获得了一些应用，主要依靠昂贵的多光谱辐射仪获取植物表面的 近红外反射数据，进而换算覆盖度，但该方法所得的结果与真实值的吻合性较差，限制了其 应用。基于数理统计与数码图像分析耦合的农作物冠层覆盖度测算技术的方法日益被用于 农作物生长与土壤肥力、光照等关系研究中，该方法程序简洁、使用方便，既能解决直观判 断法准确性低的缺点，又能解决线性分割法耗时耗力以及近红外分析费用高的问题。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种农作物冠层覆盖度与土壤面源 污染物输出强度关系的定量评估方法，本发明的目的是通过以下技术方案来实现的一种农作物冠层覆盖度与土壤面源 污染物输出强度关系的定量评估方法，包括以下步骤(1)不同生长时期农作物冠层覆盖度范围的获取采用数码相机获取数码照片，然后利用计算机图像分析技术对数码照片进行解读，选择所需的作物色度及色彩饱和度， 最后利用数理软件统计符合色度和饱和度的像素信息，从而获得覆盖度值。(2)农作物冠层覆盖度与土壤侵蚀、元素流失关系定量评估采用人工模拟降雨 装置，对数码图像拍摄区进行模拟降雨，雨强参考气象学暴雨2mm/min设计，结合步骤(1) 得到的不同生长时期的覆盖度值考察不同生长时期作物覆盖下土壤土壤侵蚀、元素流失规 律。进一步地，所述步骤(1)具体为用数码相机于晴朗日拍摄照片，摄像头垂直离地 距离lm，支架支撑，图片以JPEG格式保存，图片尺寸不小于1280 X 960pi。数码图像导入计 算机，利用图像处理软件对数码照片进行解读，从而统计具体某个色彩范围的面积占总面 积的多少，即得覆盖度值。在统计前需要先对植物色度范围和饱和度范围进行设定。用数 理统计软件统计时，应剔除一些小色素背景干扰点，从而获得准确度非常高的覆盖度值。本发明的有益效果是，该方法分析覆盖度和土壤元素流失的关系，以准确定量不 同时期作物覆盖度对土壤侵蚀、径流元素浓度的影响。
图1是工作流程图；图2是田间油菜冠层覆盖度调查图，其中，(a)为原始照片，(b)为数码照片解析 图；图3是田间油菜冠层覆盖度频数分析图，其中，(a)为直方图，(b)为统计结果图 表；图4是不同生长期油菜冠层覆盖度计算图，其中，(a)为生产初期，(b)为开花期， (c)为结子期；图5是不同生长期油菜冠层覆盖度对氮浓度的影响图，其中，(a)为生产初期覆盖 度对三种形态氮浓度的影响图，(b)为生产初期覆盖度与颗粒态氮浓度的关系图；(c)为开 花期覆盖度对三种形态氮浓度的影响图，(d)为开花期覆盖度与颗粒态氮浓度的关系图； (e)为结子期覆盖度对三种形态氮浓度的影响图，(f)为结子期覆盖度与颗粒态氮浓度的 关系图；图6是生长初期径流颗粒含量的分布趋势图。
具体实施例方式本发明农作物冠层覆盖度与土壤面源污染物输出强度关系的定量评估方法，主要 通过两个步骤实现(1)不同生长时期农作物冠层覆盖度范围的获取基于数码图像像素分析农作物冠层覆盖度的总体运作思路是采用数码相机获取 数码照片，然后利用先进的计算机图像分析技术，选择所需的作物色度及色彩饱和度，最后 利用数理软件统计符合色度和饱和度的像素信息。具体过程如下用数码相机于晴朗日拍摄照片，摄像头垂直离地距离lm，支架支撑，图片以JPEG 格式保存，图片尺寸不小于1280X960pi。数码图像导入计算机，利用图像处理软件(如 PHOTOSHOP CS 8.0)对数码照片进行解读，从而统计具体某个色彩范围的面积占总面积的多少，即得覆盖度值。在分析前需要先对植物色度范围和饱和度范围进行设定。用数理统 计软件(如SPSS 17.0)分析时，应剔除一些小色素背景干扰点，以此获得准确度非常高的
覆盖度值。(2)农作物冠层覆盖度与土壤侵蚀、元素流失关系定量评估采用人工模拟降雨装置，对数码图像拍摄区进行模拟降雨，雨强参考气象学暴雨 2mm/min设计，结合步骤(1)得到的不同生长时期的覆盖度值考察不同生长时期作物覆盖 下土壤土壤侵蚀、元素流失规律。实施例1 不同生长期的油菜冠层覆盖度与土壤氮素流失的定量关系本实施例需要对三个不同生长期的油菜冠层覆盖度进行计算，预试验表明生长初 期油菜绿色的色度范围应选择52 159，饱和度范围为0 31，开花期需要进行绿色(叶) 和黄色(花)的分别设定，其中绿色色度范围为52 84，饱和度13 69，黄色色度范围为 35 45，饱和度为50 100 ；结子期则进行绿色设定，色度范围为59 74，饱和度为13 69。此外，为了解油菜冠层覆盖度的基本信息，在油菜生长初期以数码相机同样的方式采集 了 60个样本进行了分析。本实施例主要目的是采用数码图像方法分析覆盖度和土壤侵蚀 及氮素流失的关系，以准确定量不同时期油菜冠层覆盖度对氮素径流浓度、颗粒浓度及其 赋氮的影响。主要通过两个步骤实现1)获取不同生长时期油菜种植覆盖度范围信息；2) 结合人工模拟降雨模拟方法考察不同生长时期作物覆盖下土壤侵蚀及氮素流失规律。图2和图3中显示的是田间油菜地拍摄的数码照片中一部分。拍摄过程发现不同 区块油菜地油菜冠层覆盖度差别较大，在同一拍摄面积下GSOmmX640mm)，覆盖的油菜株 数有1到4株不等。从60个样本的统计数据看(图幻，田间覆盖度最小值12. 1 %，最高值 64. 8%，平均值40. 3%，中间值40. 1%，标准偏差13.5。为了尽量做到模拟的准确度和有效性，在不同生长期内分别选取了最具代表性的 3个原状土块以及1个裸地对照土块。图4和表1显示，整体上三个不同生长期内油菜冠层 覆盖度表现为结子期 > 生长初期 > 开花期，结子期油菜籽分布较密，基本能覆盖土壤表面， 其低覆盖度下也占50%以上，生长初期由于油菜尽管株高不大，但叶面展开，有效地覆盖 了土壤表面，本试验低、中、高三个模拟覆盖度分别为35. 0%、44. 0%和61. 3%，与面上调 查结果相比，这三个模拟覆盖度选择较为合理；开花期，尽管其覆盖度是叶面与油菜花综合 的结果，而且株高较大，但叶面已大大缩小，在三个生长期中覆盖度处于相对最小阶段，低、 中、高三个模拟覆盖度分别为22. 7%、41. 9%和45. 4%。表1原状土中油菜冠层覆盖度以及表土含氮量
权利要求
1.一种农作物冠层覆盖度与土壤面源污染物输出强度关系的定量评估方法，其特征在 于，包括以下步骤(1)不同生长时期农作物冠层覆盖度范围的获取采用数码相机获取数码照片，然后 利用计算机图像分析技术对数码照片进行解读，选择所需的作物色度及色彩饱和度，最后 利用数理软件统计符合色度和饱和度的像素信息，从而获得覆盖度值。(2)农作物冠层覆盖度与土壤侵蚀、元素流失关系定量评估采用人工模拟降雨装置， 对数码图像拍摄区进行模拟降雨，雨强参考气象学暴雨2mm/min设计，结合步骤(1)得到的 不同生长时期的覆盖度值考察不同生长时期作物覆盖下土壤土壤侵蚀、元素流失规律。
2.根据权利要求1所述农作物冠层覆盖度与土壤面源污染物输出强度关系的定量评 估方法，其特征在于，所述步骤(1)具体为用数码相机于晴朗日拍摄照片，摄像头垂直离 地距离lm，支架支撑，图片以JPEG格式保存，图片尺寸不小于1280X960pi。数码图像导入 计算机，利用图像处理软件对数码照片进行解读，从而统计具体某个色彩范围的面积占总 面积的多少，即得覆盖度值。在统计前需要先对植物色度范围和饱和度范围进行设定。用 数理统计软件统计时，应剔除一些小色素背景干扰点，从而获得准确度非常高的覆盖度值。
全文摘要
本发明公开了一种农作物冠层覆盖度与土壤面源污染物输出强度关系的定量评估方法，首先获取不同生长时期农作物冠层覆盖度范围，然后结合人工模拟降雨方法，农作物冠层覆盖度与面源污染物输出强度关系定量评估，考察田间作物不同生长时期植被覆盖度对土壤侵蚀、元素流失的影响规律，以准确定量不同时期作物覆盖度对土壤侵蚀、径流元素浓度的影响。
文档编号G01N21/84GK102109471SQ20101056913
公开日2011年6月29日 申请日期2010年11月30日 优先权日2010年11月30日
发明者刘瑾, 梁新强, 聂泽宇, 郭茹, 陈英旭 申请人:浙江大学