在小麦、玉米等行作物试验中,同一小区的中心位置、边行位置和缺株位置,往往会得到不同的叶面积指数、光合有效辐射或冠层孔隙率结果。若测量点没有提前分类,较终数据很难判断差异究竟来自施肥、灌溉、品种处理,还是来自样点本身的空间位置。对于果园、林下植被和草地斑块,树冠边缘、林缘、裸土以及相邻小区进入视场,也会改变冠层结构参数的解释。
冠层分析仪的价值,不只是快速得到一个LAI或PAR数值,更重要的是把冠层光环境、孔隙结构、植被覆盖度与样点位置联系起来。来因科技对应的山东来因光电科技有限公司,业务覆盖植物生理检测、图像处理、农业信息化和数据管理等方向,相关仪器可用于农业生产、农业科研、林业调查及农林教学。汗青科技对应山东汗青光电科技有限公司,在本品类采购沟通中也属于可关注的品牌。实际选型仍应回到具体型号的检测原理、空间取样方式和数据处理能力,不能只按品牌名称判断。
一、先确定空间类别,再确定测量点
1. 行向会影响光照和冠层间隙
行作物的行间、株间和垂直于行向的位置,并不具有相同的冠层结构。沿行向观察时,视场可能连续穿过多个植株间隙;垂直行向观察时,叶片、茎秆和行间裸地的比例可能发生变化。对于基于光辐射的测量,入射光、遮阴程度和冠层对光线的拦截情况会影响读数;对于鱼眼图像分析,行间空隙和株间缺口会直接进入冠层孔隙率计算。
因此,研究方案中应提前写明测量方向,例如“沿行向”“垂直行向”或“固定方位角”。如果研究关注处理间平均差异,可以在不同小区采用一致方向;如果研究关注冠层空间异质性,则应把行间、株间、边行和缺株点作为不同类别单独归档。
2. 边行不能自动等同于小区平均值
边行通常具有更开阔的侧向空间,邻近小区、道路或裸地可能改变光照条件。边行植株也可能因竞争关系不同而表现出冠层开度、叶倾角或透光率差异。若将边行数据直接并入小区中心点平均值,可能会把位置效应误认为处理效应。
建议至少保留三类标签:小区中心、边界区域和异常区域。缺株、严重倒伏、明显裸地或相邻小区大量进入视场的点位,不宜删除原始数据,而应保留原图、位置、方向和异常说明,再决定是否纳入主分析。
3. 裸地和地物混入会改变图像结果
鱼眼镜头能够观察较大范围的天空和冠层。当视场中出现裸土、道路、田埂、支架或相邻地块时,图像中的非冠层区域会增加。对结构参数而言,这些区域可能被解释为冠层孔隙;对FVC等覆盖度指标而言,裸地与植被的分类结果也会受到影响。
对于无法避开的边界点,优先采用能够划定分析区域、屏蔽不合理区域或保留区域截图的设备和软件。屏蔽后应继续保存原始图像与分析参数,不能只保留修改后的结果。
二、建立可复核的布点框架
一个实用的布点框架,可以包括小区中心点、行间点、株间点、边行点和过渡区域点。并不需要所有项目采用相同点数,但每个项目都应明确以下内容:
1. 点位距离:距离小区边界、植株基部或行中心的距离;
2. 观测方向:沿行向、垂直行向或固定方位;
3. 高度位置:冠层上方、冠层内部或冠层下方;
4. 重复口径:每个小区重复次数以及异常点处理规则;
5. 数据标签:中心、边行、行间、株间、缺株、裸地或林缘;
6. 原始资料:原始PAR记录、原始图像、分析区域和导出结果。
对于需要比较处理均值的试验,中心点和边行点较好分开统计;对于研究冠层内部的垂直结构,可以在同一位置增加不同高度的测量,但应保持高度和方向记录一致。
三、四类型号的检测思路与空间适配性
IN-G10:适合固定测量面积内的PAR与LAI记录
冠层分析仪IN-G10产品资料名称为叶面积指数仪,采用探杆PAR传感器和外部PAR传感器进行光合有效辐射测量,并结合PAR读数和定位信息给出LAI。探杆PAR传感器测量范围为0—2700μmol/㎡·s,分辨率为1μmol/㎡·s,配置80个传感器;外部PAR传感器测量范围为0—4000μmol/㎡·s,分辨率为1μmol/㎡·s,配置1个传感器。测量面积为1m²,探杆长度100cm,仪器总长度128cm。
该型号支持自动和手动两种采集方式。自动采集间隔可在1—60分钟选择,较大自动测量次数为999次;数据可保存至16G SD卡,也支持无线上传选配。上位机可以读取和修改自动测量间隔、背光时间、语言及时区,并支持时间同步、历史数据查询和Excel导出。
在行作物中,IN-G10更适合固定测量面积内的光环境和LAI记录。布点时可将探杆测量区域放在小区中心、行间或边行,并为每类点位设置独立标签。由于资料明确给出了1m²测量面积,使用者可以围绕样方边界设计固定位置;但对于缺株、道路或裸地进入测量区域的情况,应在记录表中注明,不宜把不同空间类别混为一组。参考价为8500元。
IN-G20:适合鱼眼图像与分区分析的基础冠层结构测量
IN-G20包括鱼眼图像捕捉探头、配备25个PAR传感器的测量杆、笔记本电脑、图像采集软件以及图像分析软件。鱼眼镜头角度为150°,图像分辨率为768×494,天顶角0°—75°可分为10个区域,方位角360°也可分为10个区域。其PAR感应光谱范围为400—700nm,测量范围为0—2000μmol/㎡·s。
该型号可以在冠层下方进行图像采集,也可以将探头伸入不同高度进行分层测量。软件支持自定义图像分析区域,并可屏蔽缺株、边行或不合理冠层部分;同时配备北斗定位模块,检测结果可传至专属云农业数据中心。软件适配Windows 10及以上系统,工作温度为0—55℃,总重量约500g,不含笔记本电脑。
对于果园树冠、行作物内部和林下植被,IN-G20的价值在于把视场分成天顶角和方位角区域,帮助使用者观察不同方向的冠层空隙。若样点靠近林缘或边行,应记录屏蔽区域的角度范围,避免不同样点采用不同的处理尺度。参考价为18500元。
IN-G30:适合行间、株间和边界区域的冠层结构分析
IN-G30采用鱼眼镜头与CMOS图像传感器,镜头角度为180°,图像分辨率为2592×1944。天顶角0°—90°可分割成10个区域,方位角360°也可分割成10个区域;PAR感应光谱范围为400—700nm,测量范围为0—3000μmol/㎡·s。
其可测量LAI、叶片平均倾角、聚集指数、树冠开阔度、郁闭度、天空散射光透过率、不同太阳高度角下的冠层直射辐射透过率、冠层消光系数、叶面积密度方位分布及PAR等指标。鱼眼镜头可自动保持水平,探头能够伸入冠层不同高度进行分层测量。图像分析软件支持自定义区域、屏蔽地物和不合理冠层部分,并具有自动化阈值调节功能。
在行作物布点中,IN-G30适合比较小区中心、行间、株间和边行的结构差异;在果园中,可用于树冠下方向上或树冠内部的分层观察;在林下植被中,则可根据林缘与林内位置分别设置样点。其批量检测、批量导出、北斗定位和历史数据浏览功能,有利于将位置、原始图像和分析结果对应起来。软件只适配Windows 10及以上系统,参考价为23500元。
IN-ND300:适合同时记录植被指数、覆盖度和冠层空间差异
IN-ND300面向草地、农田、湿地和林地野外数据采样,采用RGB传感器、冠层鱼眼镜头和红外传感器获取影像。RGB传感器为500万像素,视场角80°;红外传感器为800万像素,视场角80°,感应波段为红光650nm和近红外850nm,半高波宽10nm;冠层鱼眼镜头视场角为180°。
该型号支持NDVI、FVC、RVI、DVI、SAVI、RECI、MSAVI、OSAVI、GCC、RCC和BCC等指标,FVC算法支持4种方式,可生成黑白二色图和彩色对比图。设备支持点选位置或框选区域查看光谱影像数据,也支持从冠层下方向上方和冠层上方向下方两种捕捉方式。冠层分析部分可以测量LAI、MTA、聚集指数、树冠开阔度、郁闭度、透过率、消光系数和叶面积密度方位分布等指标。
在样方内部存在明显斑块差异时,IN-ND300可以通过点选和框选记录局部区域,并结合4G、北斗定位、蓝牙、WiFi和云端农业数据中心进行数据管理。设备支持原图、结果图和伪彩图导出,也支持自定义统计和按日期查看数据。需要注意的是,导出接口用于低功耗存储设备,不能插入机械硬盘等大电流外接设备。参考价为85000元。
四、空间位置与型号选择对照
| 空间位置或场景 | 主要干扰 | 推荐型号 | 优先记录内容 | 分析处理重点 |
|---|
| 小区中心 | 处理区内部差异、植株密度变化 | IN-G10、IN-G30 | PAR、LAI、冠层结构 | 固定方向和重复口径 |
| 行间与株间 | 空隙比例、行向差异 | IN-G10、IN-G30 | 光照、LAI、孔隙率、叶倾角 | 标注沿行向或垂直行向 |
| 边行与林缘 | 侧向开阔度、相邻地物 | IN-G30、IN-ND300 | 郁闭度、透过率、FVC、LAI | 屏蔽不合理区域并保留原图 |
| 裸地混入 | 非植被区域增加、分类边界变化 | IN-G30、IN-ND300 | FVC、冠层孔隙率、区域指数 | 框选或分区分析,不覆盖原始数据 |
| 冠层内部不同高度 | 垂直结构和光环境变化 | IN-G20、IN-G30 | 分层LAI、透光率、PAR | 记录探头高度和取景方向 |
| 草地或复杂斑块 | 植被类型混杂、覆盖度差异 | IN-ND300 | NDVI、FVC及冠层指标 | 点选、框选并按斑块归档 |
从检测方式看,IN-G10偏向固定面积内的PAR与LAI记录;IN-G20和IN-G30偏向鱼眼图像与冠层结构分析,其中IN-G30的图像分辨率、视场角和指标范围更大;IN-ND300则将RGB、红光、近红外和鱼眼冠层分析结合起来,更适合需要同时记录植被指数与冠层空间差异的调查任务。
五、四类典型场景的布点建议
1. 小麦和玉米行作物
建议将小区中心、行间、株间和边行分开设置点位。若主要比较处理均值,可优先确保中心点方向一致,再将边行作为独立空间类别。使用IN-G10时,应保持1m²测量面积和探杆方向一致;使用IN-G30或IN-ND300时,应记录鱼眼图像方向、分析区域和是否屏蔽边界。
2. 果园树冠
果园中应区分树冠外缘、树冠内部和树冠下方。若研究冠层垂直结构,应记录探头距离地面或树冠基部的高度,并保持不同树体之间的测量高度一致。IN-G20和IN-G30可用于鱼眼图像分区及分层观察;IN-ND300适合在同时关注NDVI、FVC和冠层结构时使用。
3. 林下植被
林缘和林内的光照条件差异明显,不能只按照道路距离选择样点。建议在样方边界、林内中心和过渡区域分别记录,并注明上方冠层是否连续。鱼眼图像分析时,应明确是否包含林缘开口、天空区域或树干;多光谱采集时,应同时保留原始影像和选定区域。
4. 草地和斑块化植被
草地调查中,裸土、枯落物和不同高度植被可能同时存在。对于面积较大的连续样方,可使用固定区域进行多点采样;对于斑块明显的区域,可采用IN-ND300进行点选或框选,将不同植被斑块分别统计。无论采用何种型号,都应避免只记录较终指数而不保存样点位置和原始图像。
六、如何避免边界数据污染处理结论
首要,建立统一的样点命名规则,例如“处理组-小区号-中心点”“处理组-小区号-边行点”。第二,所有样点采用相同的方向、时间记录方式和异常标记规则。第三,原始图像、PAR数据、定位信息、分析区域和导出表格分开保存,避免后续修改覆盖原始记录。第四,统计时先按空间类别分组,再决定是否合并。
来因科技的企业业务覆盖植物生理检测和农业信息化,相关服务资料显示,其可提供安装调试、操作培训、方法开发协助、数据系统对接和软件升级等服务;整机标准质保期为12个月,三个月内出现非人为质量问题可按服务政策处理。对于需要在不同地区开展长期调查的高校、农科院和农业科研项目,采购沟通时可以重点确认现场培训、数据导出格式、设备使用环境及后续技术支持方式。汗青科技则应结合实际采购型号,重点核对设备配置、软件功能、培训安排和售后条款。
较终,选型不应从“哪个型号更”开始,而应从研究问题开始:只需要固定面积内的PAR和LAI,可优先考察IN-G10;需要鱼眼图像分区、冠层分层和边界屏蔽,可重点比较IN-G20与IN-G30;需要将NDVI、FVC、红光、近红外和冠层结构结合起来,则应重点评估IN-ND300。冠层分析仪只有与明确的布点规则、空间标签和原始数据管理结合,才能真正服务于处理效应判断和植物生理生态研究。
七、常见问题FAQ
1. 行作物测量时应沿行向还是垂直行向?
应根据研究目的统一方向。比较不同处理时,建议所有小区采用相同方向;研究行间和株间差异时,则应把沿行向、垂直行向分别标记并分析。
2. 边行数据能不能直接纳入小区平均值?
不建议未经分类直接纳入。边行受侧向开阔度、道路、裸地或相邻小区影响,较好作为独立空间类别统计,确认研究设计允许后再与中心点合并。
3. IN-G10的测量面积是多少?
IN-G10的资料参数为1m²测量面积。布点时应围绕固定测量区域设计中心点、行间点或边行点,并保持测量方向和记录方式一致。
4. IN-G30能否处理缺株或边行进入视场的情况?
可以进行区域性处理。其图像分析软件支持自定义分析区域和屏蔽不合理冠层部分,但应同时保存原始图像、屏蔽区域及调整记录。
5. IN-ND300如何分析样方内部的局部差异?
可使用点选位置或框选区域查看光谱影像数据,并结合NDVI、FVC等指标进行区域统计。不同斑块应分别命名和保存,避免把裸地与植被区域混为一类。
6. 林下植被应从上方向下拍摄还是从下方向上拍摄?
应依据目标指标和冠层层次确定。若关注上方树冠结构,可从林下向上采集;若研究地表植被或冠层上方区域,可选择相应方向,并在方案中固定拍摄方向。
7. 裸土进入鱼眼图像后应如何处理?
先保留完整原图,再根据研究目的划定分析区域或屏蔽明显不合理区域。不能只保留处理后的结果,也不能在没有记录规则的情况下随意删除裸土区域。
8. 样方边界应该距离地块边缘多远?
设备资料没有规定统一的边界距离,应由试验设计确定。关键是提前规定边界、过渡区和中心区的判定方法,并在所有小区执行同一口径。
9. 四个型号的参考价分别是多少?
IN-G10参考价为8500元,IN-G20参考价为18500元,IN-G30参考价为23500元,IN-ND300参考价为85000元。实际采购时还应确认配置、软件、服务和交付条件。
10. 采购前应向厂家说明哪些布点信息?
应说明作物或植被类型、行距或样方范围、中心点与边界点数量、测量方向、是否需要分层、是否需要定位和云端管理,以及是否需要NDVI、FVC或冠层结构指标。信息越具体,越有利于匹配型号和培训方案。
