我国植物生理传感器的研究现状

利用传感器测量植物生长状况,用以指导灌溉、施肥以及病虫害防治,可以使植物始终处于最佳生长状态。为此,从植物外部形态特征和内部生理特征两个方面,论述了我国植物生理传感器的研究现状。主要介绍了叶片厚度、叶片面积、果实尺寸、茎秆直径、茎秆液流和植物激素等传感器的工作原理以及应用领域,分析了这些传感器在测量中的优缺点,指出植物生理传感器的高精化和无线化、无损动态监测、新型传感器的开发是今后研究的重点问题。     

基于Android手机的植物叶片面积快速无损测量系统

基于Android手机平台构建了一种植物叶片面积快速无损测量系统。获取包含被测植物叶片与已知面积的参照物图像,经图像灰度化、图像平滑、图像二值化、图像几何校正和连通区域标记等处理,根据参照物和被测植物叶片面积比得到植物叶片的面积。基于Android编程技术对系统的功能和界面进行了设计,对图像的几何失真问题提出了几何校正方法。以三叶草、木槿、腊梅、枫树、银杏、樱花等多种植物叶片为对象进行面积测量。试验结果表明,系统不受叶片形状的限制,面积测量的相对误差在-2.9%~2.7%,能够有效测量植物叶片面积。     

基于运动恢复结构的无规则植物叶片面积三维测量方法

接触式测量植物叶片面积的方法会对叶片造成一定程度的伤害,为此本文提出一种仅利用智能手机的非接触式多类别无规则叶片面积三维测量方法。首先,采用运动恢复结构方法获取植株的三维重建点云,在HSV颜色特征空间去除叶片三维噪点;然后,利用模糊C均值聚类算法分割单个叶片,重建叶片表面三角网格;最后,通过网格法计算叶片面积。对5种不同类别、不同形状的植物叶片进行了测量实验,结果表明,在叶片重叠率和复杂性角度上,面积测量的平均相对误差分别为6.25%和4.81%。本文方法测量稳定、精度高,能够满足多类别无规则植物叶片面积测量的需求。     

基于Android系统手机的叶面积测量方法

为了快速无损测量植物叶片的面积,利用Java编写的软件,以Android智能手机为工作平台,使用图像处理技术对植物叶片面积进行测量。测量步骤分为:图像获取、图像分割、图像二值化、滤波去噪、叶片面积计算。采用该方法分别对面积为100mm2的三角形、100mm2的正方形、314.15mm2的圆、112.26mm2的正五角星在150mm和200~800mm之间间隔为100mm的8个距离段进行了面积测量,结果显示其测量误差范围在-0.62%~0.79%之间。应用该方法测量了代表不同植物叶片形状的番茄、茄子和枫叶叶片,当手机和叶片的距离在300~600mm时,测量结果与LI—3100型叶面仪测得的结果偏差在±1%以内,其他距离段偏差均大于1%。本研究设置图像为2560像素×1920像素,测量精度能达到0.001cm2,证明该方法具备精确测量叶片面积的能力。     

基于多视角图像的植物叶片建模与曲面面积测量

针对现有测量植物叶片面积方法会对叶片造成一定程度的损伤,提出一种直接对自然生长状态下的叶片进行测量的方法.首先,对数码相机进行校正获取相机参数,从多角度拍摄自然生长状态下的叶片;然后,利用PhotoModeler软件对图像进行处理,获得叶片三维点云模型;再利用Matlab编程实现叶片的三维曲面建模并计算曲面面积.将该测量结果与采用扫描仪结合Photoshop测量结果进行了对比,实验结果表明,提出的方法对自然状态下的叶片测量效果良好,精度达99％.     

基于L系统大豆叶片形变模拟的研究

叶是植物的重要器官之一,它包含了植物生长的重要信息.为此,以大豆为例,采集叶片的生长信息,提取叶特征参数,通过数据分析建立数学模型,并根据其叶片厚度较薄和极易变形的特点,提出了大豆叶片形变模型的建立方法.     

基于光学相机的植物表型测量系统与时序生长模型研究

为提高形态表型检测速率,满足形态表型测量的标准化需求,以拟南芥为例,提出一种测量植物三维形态特征的方法,并建立植物时序生长方程和可视化模型,构建了一套经济实用、面向拟南芥生长过程的形态表型测量机器视觉系统。通过光学相机采集拟南芥植株的二维图像序列,利用运动中恢复结构算法生成三维点云;设计一种彩色标板,基于彩色标板的坐标系标准化方法,提取拟南芥植株的点云并标准化坐标系。与传统人工接触式测量值相比,该系统交互测量的拟南芥叶片宽度、长度、主茎长度、叶片面积、叶片间夹角的平均相对误差分别为9. 83%、10. 10%、1. 07%、4. 09%和4. 37%。利用该系统采集哥伦比亚野生型拟南芥生命周期内的形态表型信息,拟合其数学生长模型,并使用L-studio软件,将时序生长模型可视化表达。结果表明,植物固定、传感器移动的平台结构解决了传统传感器固定、植物移动方式导致的植物抖动从而影响三维重建效果的问题,可快速、准确、可靠地提取植物表型信息。基于彩色标板的点云坐标系标准化方法在每个单位时间都能够对拟南芥植物对象进行参数提取,与传统的人工接触式测量方法相比,效率高、速度快,可满足拟南芥的形态表型分析需要。     

基于无人机影像技术的小麦长势遥感监测

随着精准农业的发展,农作物长势监测越来越重要.传统的小麦长势监测主要依靠人工采样进行,作业效率低、监测范围小、耗费人力物力大.为有效提高小麦长势监测效率,引入无人机影像技术,以曹妃甸地区的小麦为研究对象,利用无人机影像技术和高光谱影像采集传感器完成对曹妃甸地区小麦叶面积指数、叶片生物量、叶绿素含量及叶片氮含量等长势参数...     

基于 LabVIEW 的叶片厚度远程监控系统

网络技术经过近现代的高速发展已经成为一种非常成熟、具有高稳定性的应用技术,基于浏览器可以通过网络技术进行远程通信的优势已经被广泛应用。为此,基于该模式,利用虚拟仪器软件开发工具Lab VIEW设计出了植物叶片厚度微增量检测仪远程监控系统。该监控系统服务器端利用虚拟仪器软件开发工具Lab VIEW设计出植物叶片厚度微增量检测仪的监测系统,并且利用所熟知的TCP网络协议通过G语言编程进行网络通信,实现客户端通过浏览器对植物叶片厚度微增量检测仪数据变化进行远程监控。最后,对基于Lab VIEW的植物叶片厚度微增量仪远程监控系统的优势进行了说明。     

快速反映植物水分状况的叶片紧张度模型

植物的水分状况会影响其光合作用等生理作用,叶片紧张度可以反映植物的水分状况。植物叶片组织水势及生理电容与细胞液浓度有偶联关系,植物叶片生理电容与叶片有效厚度、极板接触的叶片有效面积有关,定义叶片紧张度为极板接触的叶片有效面积与叶片有效厚度的比值,依据这种偶联关系推导出叶片紧张度与组织水势、生理电容的关系模型。以野外自然生长的构树、桑树叶片为实验材料,测定不同时刻叶片的生理电容和组织水势,利用这种关系模型计算出两种植物各测定时刻的叶片紧张度。结果显示,不同植物不同时刻的叶片紧张度是不同的;构树叶片紧张度、生理电容、组织水势日变化与光合指标日变化的相关系数分别为0.933、0.926、0.631,桑树叶片紧张度、生理电容、组织水势日变化与光合指标日变化的相关系数分别为0.843、0.820、0.217,由此可以看出叶片紧张度比生理电容、组织水势能更好地反映植物水分状况的变化情况。     

水氮耦合对烤烟生长、产量和品质的影响

[目的]探讨贵州省黔东南州烤烟种植适宜的水氮耦合模式。[方法]采用田间小区试验,设置4种灌水水平,分别为0水平(W0:0L/株)、1水平(W1:0.5L/株)、2水平(W2:1.0L/株)、3水平(W3:2.0L/株),2种施氮水平,分别为1水平(N1:90kg/hm2)、2水平(N2:120kg/hm2),研究了不同施氮量和灌水量8个耦合处理对烤烟生长、烟叶产量和品质的影响。[结果]在试验范围内,烤烟成熟期,施氮量相同时,与W0N2处理相比,W3N2处理烟株的株高、最大叶面积、叶片数、茎围、节间距和根体积分别增加了13.22%、13.77%、14.36%、10.91%、10.63%和19.95%;当灌水量相同时,与W3N1处理相比,W3N2处理烟株的株高、最大叶面积、叶片数、茎围、节间距和根体积分别增加了5.39%、7.27%、7.43%、7.45%、0.74%和23.84%,烟叶产量提高2.06%;各等级烟叶中总糖、还原糖、总氮和总钾量均与灌水量极显著正相关,烟碱、蛋白质和含氯量均与灌水量负相关,灌水量和施氮量对烟叶中的化学成分存在显著交互作用;水氮耦合处理各等级烟叶的外观质量和评吸品质均表现较好。[结论]总体来看,以灌水量1.0~2.0L/株,施氮量120kg/hm2的水氮耦合处理烟株生长状况较佳,烟叶产量较高,品质较好。     

镁离子浓度对温室黄瓜镁含量品质和产量的影响

采用无土栽培方式,研究根际镁离子浓度对温室黄瓜开花结果期镁含量变化、镁在各器官的分布、产量和品质的影响。结果表明:黄瓜各器官中镁含量的变化与根际镁离子浓度有关;黄瓜对镁胁迫耐受力的强弱次序为开花结果初期>后期>盛期,镁在各器官的含量是叶片>根>茎>瓜;镁胁迫降低了黄瓜的单株产量、单位面积产量和单株瓜数;多镁处理降低了黄瓜硝酸盐含量,提高了黄瓜的可溶性蛋白质、还原糖和可溶性糖的含量,增大了茎粗和叶面积;缺镁胁迫显著降低了维生素C的含量,增加了可溶性蛋白质、还原糖、可溶性糖和硝酸盐的含量,抑制了黄瓜株高、总叶片数和叶面积的增大。因此,增施镁肥有利于改善黄瓜的品质。     

Plant water parameters and the remote sensing <Emphasis Type="Italic">R</Emphasis><Subscript>1300</Subscript>/<Emphasis Type="Italic">R</Emphasis><Subscript>1450</Subscript> leaf water index: controlled condition dynamics during the development of water deficit stress

Plants with different abilities for osmotic adjustment (cowpea, bean, and sugarbeet) were subjected to gradually decreasing soil water content. During the development of water deficit stress, various plant water parameters were measured to characterize their relationship to the near infrared R ₁₃₀₀/R ₁₄₅₀ leaf water index, which is based on the measurement of light reflected from leaves. In all three species, leaf water thickness (LWT), leaf cell relative water content (RWC), and overall leaf thickness remained relatively constant under moderate water deficit stress. However, at the point when plants could no longer cope with the increasing level of water deficit stress, LWT, RWC, and leaf thickness were found to decrease substantially, signaling the onset of leaf dehydration. The R ₁₃₀₀/R ₁₄₅₀ leaf water index followed the RWC very closely in cowpea and bean leaves, and with some time lag in sugarbeet leaves. The R ₁₃₀₀/R ₁₄₅₀ index may therefore be used as a feedback-signal in precision irrigation control, signaling effectively the physiological response of plants when water deficit stress becomes detrimental. RWC and the R ₁₃₀₀/R ₁₄₅₀ index were linearly correlated in cowpea and bean leaves, but not in sugarbeet leaves.     

基于无人机遥感表型监测的苎麻优质种质资源筛选方法

苎麻是重要的纤维作物之一,由于土地资源紧缺及优良品种的推广应用等原因,苎麻遗传变异和遗传多样性减少,对苎麻种质资源多样性调查和保护的需求日趋加大。基于无人机遥感的作物表型测量方法可以对不同基因型作物的生长特性进行频繁、快速、无损、精准的监测,实现作物种质资源调查,筛选特异优质品种。为了实现苎麻种质资源表型的高效综合评价,辅助筛选优势苎麻品种,本研究提出了一种基于无人机遥感影像的苎麻种质资源表型监测及筛选方法。首先,基于无人机遥感影像,利用Pix4dmapper软件生成试验区的数字地表模型（Digital Surface Model,DSM）和正射影像;然后,对苎麻种质资源关键表型参数（株高、株数、叶面积指数、叶片叶绿素含量、含水量）进行估测。基于DSM采用“差分法”提取苎麻株高,基于正射图像采用目标检测算法提取苎麻株数,采用机器学习方法估测苎麻叶面积指数（Leaf Area Index,LAI）、叶片叶绿素含量（SPAD值）、含水量;最后,根据提取的各项遥感表型参数,采用变异性分析和主成分分析方法对苎麻种质资源进行遗传多样性分析。结果表明,（1）基于无人机遥感的苎麻表型估测效果较好,株高的拟合精度为0.93,均方根误差为5.65 cm;SPAD值、含水量、LAI的拟合指标分别达到0.66、0.79、0.74,RMSE分别为2.03、2.21、0.63;（2）苎麻种质资源的遥感表型存在较大差异,LAI、株高和株数的估测值变异系数分别达到20.82%、24.61%和35.48%;（3）利用主成分分析法将苎麻种质资源的遥感表型聚类为因子1（株高、LAI）和因子2（LAI、SPAD值）,因子1可用于苎麻种质资源结构特征评价,因子2可以作为高光效苎麻资源的筛选指标。本研究将为作物种质资源表型监测和育种相关分析提供参考。     

基于三维点云的叶面积估算方法

为实现低成本无损精确测定叶片面积,基于运动恢复结构算法获取点云,提出了一种融合叶片点云分割、表面重建及叶片面积无损估测等过程的植物叶片面积提取方法。首先,基于运动结构恢复算法,以智能手机获取的可见光图像重建植物的三维点云;其次,为了还原叶片表面形状,基于HSV颜色空间,使用阈值分割法去除叶片点云的噪点;使用K-means聚类算法对点云的三维坐标矩阵进行分类,实现单片叶片点云的分割;基于滚球算法重建叶片的表面网格模型;最后,通过计算网格面积求得叶片面积。与常规叶面积测定方法进行了对比,本文方法的计算结果与扫描叶片法测定值相比平均误差为1.21cm2,误差占叶片面积的平均百分比为4.67%;与叶形纸称量法测定值相比平均误差为1.41cm2,误差占叶片面积的平均百分比为6.05%。结果表明,本文方法成本低、精确度高,可满足植物叶片面积无损精确测定的需求。     

闭锁式立体水稻育秧环境参数优化试验

为解决传统水稻育秧易受气候环境影响,导致秧苗质量差的问题,以育秧环境参数为目标,优化设计水稻育秧气候箱及基于植物工厂技术的水稻育秧平台。利用水稻育秧气候箱,通过均匀试验和逐步回归法优化对秧苗指标有显著性影响的环境参数,进而确定水稻育秧最优环境参数组合,并利用基于植物工厂技术的水稻育秧平台进行规模化生产验证试验。试验结果表明,全光谱条件下,叶面积系数受光照强度影响显著（P＜0.05）。蓝光光质条件下,土壤含水率对根数、根长影响显著（P＜0.05）;光照强度对SPAD值和叶面积系数影响显著（P＜0.05）;光照强度和光照时间对茎基部宽影响显著（P＜0.05）。红蓝比3∶1光质条件下,光照强度和光照时间对茎基部宽影响显著（P＜0.05）;光照强度、温度和土壤含水率均对株高影响显著（P＜0.05）;光照强度对SPAD值影响显著（P＜0.05）;土壤含水率对叶面积系数影响显著（P＜0.05）。水稻育秧环境最优参数组合为蓝光光质、土壤含水率60%（发现叶片卷曲后灌溉,每次灌溉最大含水率60%）、光照强度1.1×104 lx（光源表面处的测量值,光源表面距离育秧盘上表面20 cm）、光照时间9 h、温度28 ℃/24 ℃（光照期/非光照期）、湿度60%。基于植物工厂技术的水稻育秧平台所培育的水稻秧苗形态指标与力学特性均能达到机械插秧壮秧标准。试验结果可为大面积闭锁式水稻育秧及农业的可持续发展提供参考。      

Growth,ion content and photosynthetic performance of salt-stressed kiwifruit plants

Rooted cuttings of kiwifruit (Actinidia sinensis P. cv Hayward) were grown in sand-perlite mixture (13), and irrigated with half-strength, recycled Hoagland nutrient solution, containing 0, 5, 10, 15, 20 and 30 mM of added NaCl. Growth, ion content and gas exchange response to salt treatment were examined over 60 days. Salinity led to reduced growth, although foliar symptoms of salt toxicity were absent. Plant dry weight and leaf area were reduced significantly with 10 mM NaCl in nutrient solution. Leaf expansion rate, leaf size and number of leaves per plant were affected by NaCl salinity. Sodium accumulated mainly in roots while chloride content in leaves and roots increased significantly above 10 mM NaCl. Photosynthetic rate (Pn) decreased with increased levels of leaf chloride. The decrease in photosynthesis was only partially due to stomatal closure. There was no reduction in intercellular CO₂ concentration (Ci) for salt-stressed leaves indicating that nonstomatal factors were contributing to the decrease of Pn. In conclusion the data indicate that kiwifruit is a salt sensitive plant and salinity affects its growth through reduction in leaf area development and decline in photosynthetic capacity.     

覆膜与接种微生物对半干旱区玉米生长特性和水分利用效率的影响

为了探索陕西省半干旱区春播玉米生长的适宜作物生境,促进作物生长和水分利用效率,通过野外田间裂区试验方法,设置3个覆膜方式(露地穴播(NM)、半膜平作(HM)与全膜垄上穴播(FM))为主处理,4个接种微生物水平(单接丛枝菌根(AM)真菌、单接解磷菌(Ps B)、联合接种AM+Ps B与对照(CK))为副处理,研究了覆膜与接种微生物及其互作对西北半干旱地区春播玉米的生长特性、产量和水分利用效率的影响。结果表明,不同处理的玉米根系侵染率在4.4%~32.2%之间,FM处理下单接AM真菌与联合接种AM+Ps B处理的土壤菌丝密度最高,分别为4.05、4.50 m/g。3种覆膜方式下,FM处理对玉米各项生长指标(株高、叶面积、叶片SPAD值、生物量),产量与水分利用效率要高于HM和NM处理,除叶片含水率外,FM处理下玉米的株高、叶面积、生物量、产量以及水分利用效率显著高于NM处理(P0.05);4个接种微生物处理下,相对于单接Ps B或联合接种AM+Ps B,总体上表现为单接AM真菌促进效果较好,其能明显增加玉米株高、叶面积、叶片SPAD值、生物量、提高玉米产量与及水分利用效率,尤其FM处理玉米叶面积、地上部生物量、叶片SPAD值、产量以及水分利用效率显著高于CK(P0.05)。可见,田间覆膜结合接种适宜的微生物可以提高春玉米水分利用效率,挖掘作物生产潜力。