基于数字图像的玉米叶面积测量方法研究

【研究目的】以数字图像处理技术为基础,采用数码相机获取数字图像,建立使用Visual C++6.0开发的图像处理软件进行玉米叶面积测量的方法。【方法】首先,用数码相机拍摄挂在墙上粘贴着玉米叶片的参照白板来获得数字图像。然后提取图像的蓝色分量,利用中值滤波、膨胀、腐蚀等方法去除图像噪声,最大类间方差法自动阈值分割目标。接着进行区域标记与区域像素数统计,区域像素数结合图像分辨率就可以获得玉米叶片的实际面积。【结果】与直尺法所测结果具有很好的相关性,且比直尺法更精确,【结论】此种拍摄方法避免了几何畸变的产生。蓝色分量图像中目标和背景的灰度差异最大,便于分割。     

基于叶片纹理特征的棉花蚜害诊断模型研究

【目的】为探究棉花叶片蚜害快速识别的可行性,本研究对健康和受棉蚜为害的棉花叶片的高光谱图像进行识别。【方法】以新陆早45号为研究对象,通过获取健康和受棉蚜为害棉花叶片的高光谱图像,提取不同处理下棉花叶片的感兴趣区域光谱图像信息,并采用3种降维手段获取高光谱特征。利用灰度共生矩阵(Gray-Level Co-occurrence Matrix,GLCM)提取图像的纹理特征,构建棉蚜为害诊断模型。【结果】采用全纹理特征数据结合随机蛙跳-偏最小二乘线性判别分析模型(RF-PLS-LDA)建模得到的预测集识别率为91.49%;以能量(Energy)作为输入,建立主成分载荷-偏最小二乘线性判别分析模型(PCA-Loading-PLS-LDA),对预测集识别率达到92.55%。【结论】以灰度共生矩阵二阶统计量能量建模可有效地简化模型,减少计算量,提高预测的稳定性。基于纹理特征向量能有效地实现蚜害棉花叶片的识别,为虫情的快速识别提供技术支持。     

黑背景下收获前棉花图像色特征生成及其品级聚类分析

为了客观地评价田间收获前棉花品级,依据我国子棉收购文字标准,运用机器视觉技术,对棉花的尺寸和色泽特征进行了研究,其色泽特征包括6个常用颜色空间下棉花和带壳棉花的黄色区域、黄色深度、白度、色差等8个色泽特征.结果表明,RGB、NTSC、亨特、HSI颜色空间下的特征参数区分度较好;棉花尺寸与色泽特征的相关性表明棉花白度为无效特征.在各颜色空间下,基于有效图像特征对7个品级的棉花样本进行了K均值聚类分析.分析结果说明,棉花品级的聚类结果独立于颜色空间;铃壳色泽对品级的贡献显著;由于其聚类品级与图像特征的相关性普遍较高、较均衡,且算法运行时间较短,HSI颜色空间可能是棉花品级聚类的最优颜色空间.与人工分级相比,机器视觉的区分度更好,因此机器视觉技术可用于提高收获前棉花分级精度.     

不同熟性棉花品种冠层温度分布特点

【目的】明确不同类型棉花品种冠层温度的分布特点,探究冠层温度与光合特性之间的关系,寻求判断棉花熟性的可能指标。【方法】选择6个常用的供试棉花品种,利用搭载热红外测温仪的无人机获取棉花花铃期冠层温度的数字图像,同时测定同一时间段的蒸腾速率、气孔导度等光合指标。【结果】中棉所50不同部位气冠温差表现为上层下层中层,中棉所60则正好相反。在同一天中,6个棉花品种表现为13:30的冠层温度大于10:30的冠层温度。此外,不同类型品种叶片蒸腾速率与气孔导度呈正相关,冠层温度和蒸腾速率呈负相关。通过聚类分析得出,在欧式距离12.5处,6个品种可以聚类成2类。在欧式距离5处,每一类还可分为2个亚类,其中第Ⅰ类的第一亚类包括中棉所60和冀棉研228,第二亚类仅有中棉所3799;第Ⅱ类的第一亚类包括中棉所50和通骞一号,第二亚类仅有0式品系。【结论】不同棉花品种冠层温度的变化规律不同。结合冠层温度和光合指标对棉花品种进行聚类分组与其基于生育期长短的熟性分组大致相同。     

棉花UGPase基因鉴定与生物信息学分析

【目的】尿苷二磷酸葡萄糖焦磷酸化酶(Uridine diphosphate glucose pyrophosphorylase,UGPase)是糖合成代谢途径中的一种重要限速酶,在植物纤维细胞发育中起重要作用,但是关于棉花中UGPase基因的生物信息学研究却很少。本研究采用生物信息学手段鉴定和分析棉花UGPase基因家族特性,为其相关研究提供重要线索。【方法】以陆地棉、海岛棉、亚洲棉和雷蒙德氏棉4种棉花为主要研究对象,结合藻类、水稻、葡萄、可可、榴莲等19种植物的UGPase基因进行系统进化分析和陆地棉UGPase基因的表达特性分析。【结果】系统发育分析显示UGPase基因被分为UGPase-A和UGPase-B两大类。保守基序及适应性进化分析显示,UGPase-B类基因在进化中十分保守,UGPase-A类基因在进化中与UGPase-B类基因存在较大差异。棉花、葡萄、可可、榴莲UGPase基因同源性分析显示,棉花中大多数UGPase基因来源于异源四倍体棉花形成之前的基因组加倍事件。UGPase-A类在棉纤维发育起始和伸长期表达量较高,UGPase-B类在营养器官中表达量较高。【结论】本研究明确了UGPase两类基因的结构、功能与进化,为后续研究奠定基础。     

基于粒子群算法和支持向量机的黄花菜叶部病害识别

使用数字图像处理技术,以黄花菜叶部病害图像为识别对象,基于Lab空间和K-means聚类算法分割病害区域,提取目标区域的颜色特征、方向梯度直方图(histogram of oriented gradient,HOG)特征和形状特征,分别建立单一特征模型和特征融合模型,采用粒子群(particle swarm optimization,PSO)算法通过交叉验证优化支持向量机(support vector machine,SVM)模型的惩罚因子和核参数,建立基于PSO-SVM的多特征融合分类模型识别黄花菜病害。基于SVM的多特征融合分类模型识别率高于单一特征分类模型,识别率可达为81.67%;基于PSO-SVM多特征融合分类模型识别率高达92.39%。基于PSO-SVM的多特征分类模型识别率高,可以及时、便捷、高效地识别黄花菜病害。     

湖南省棉花黄萎病菌致病力分化及致病型分布研究

【目的】研究湖南主产棉区黄萎病菌致病性变异情况,为湖南棉花抗病品种选育推广及棉花黄萎病综合防控提供理论依据。【方法】对湖南省各主产棉县(区)分离的77个黄萎病菌单孢进行培养特性观察,测定其中31个菌株生长速率、产孢量和致病力,并以SAS 9.1.3统计分析软件对供试菌株致病力聚类。以特异性引物(D-1/D-2和ND-1/ND-2)经聚合酶链式反应检测24个菌株的致病类型。【结果】根据微菌核产量及在马铃薯葡萄糖琼脂培养基上培养的菌落特性,菌株可划分为菌核型、菌丝型和中间型3种培养类型,分别占总菌株数的14.28%、42.86%和42.86%。供试菌株生长速率为1.22~2.54 mm·d~(-1),产孢量为5.3×10~6~40.6×10~6 mL~(-1),各菌株之间存在明显差异。根据平均病情指数聚类结果将供试菌株划分为致病力强的Ⅰ型、致病力弱的Ⅱ型和致病力中等的Ⅲ型,分别占3.2%、12.9%和83.9%。【结论】湖南省棉花黄萎病菌以菌丝型和中间型为主要培养类型,且致病力存在明显分化;致病型检测结果表明目前湖南主产棉区黄萎病菌以落叶型为主。     

我国主栽棉花品种的棉籽油资源评价与分析

【目的】探讨不同地区、不同棉花品种棉籽油脂肪酸含量与组成的差异。【方法】以收集于我国棉花主产区的82份棉花品种的棉籽为试验材料,采用索氏法提取种子中粗脂肪,并利用气相色谱法分析脂肪酸组成和含量,最后通过聚类分析等分析脂肪酸组成与棉花品种和产地之间的内在联系。【结果】棉籽仁脂肪总含量在188.4~302.8 mg·g~(-1),平均为249.52 mg·g~(-1)。棉籽仁中主要脂肪酸为亚油酸(104.88~180.68 mg·g~(-1))、棕榈酸(41.53~69.77 mg·g~(-1))、油酸(28.29~48.86 mg·g~(-1))和硬脂酸(3.56~6.8 mg·g~(-1));各品种脂肪酸含量具有差异。聚类分析表明,棉籽脂肪酸总含量和脂肪酸组成与产地具有相关性。【结论】本研究筛选得到棉籽脂肪酸总含量以及油酸、亚油酸、亚麻酸高的材料,明确了82份种质资源的棉籽油分特征、特性和利用价值。     

湖南省棉籽中重金属污染调查及评价

【目的】通过调查与评价湖南省棉籽中重金属污染水平,为保障棉花产品的质量安全以及探讨替代种植的可行性提供数据支撑。【方法】采集了湖南省所辖6个县区56个代表性的棉籽样品,测定棉籽中镉、铅、铜、铬、汞及砷的含量。采用污染指数法、相关性分析及聚类分析法评价湖南省六县(区)棉籽样品的重金属污染状况和分布特征。【结果】君山区、安乡县、南县、望城区及鼎城区棉籽样本重金属含量均处在安全水平,综合污染指数变化范围为0.366 5~0.577 0;仅衡阳县镉单项污染指数相对偏高,综合污染指数(0.801 6)相比其他地区略高,存在一定的安全隐患。【结论】湖南棉籽样本中重金属镉、铅、铜、铬、汞及砷的污染状况总体尚好,在重金属污染土地上用棉花替代粮食作物种植是可行的。     

陆地棉TLP基因家族的全基因组鉴定及表达分析

【目的】类甜蛋白(Thaumatin-like proteins,TLP)参与多种植物病原真菌侵染后的防御反应。本研究通过在全基因组分析TLP基因,为深入探究其在介导棉花抗黄萎病通路中的分子机理提供基础。【方法】分别利用生物信息学方法和荧光定量聚合酶链式反应技术对陆地棉中的TLP基因进行全基因组鉴定和响应棉花黄萎病菌侵染表达分析。【结果】共鉴定出88个TLP基因;通过系统发育分析和序列特征分析可将棉花TLP家族分为10类。TLP基因家族外显子数量介于1～5之间,内含子介于0～4之间,同组成员具有相似的基因结构。大部分TLP含有5个保守的motif,具有相同的基序组织模式,均为Motif 5_4_2_3_1。染色体定位显示87个TLP基因定位于陆地棉20条染色体上,其中A亚组和D亚组各分布有42和45个,其在染色体上的分布存在串联重复现象。响应病原菌侵染表达分析显示,黄萎病菌侵染可以诱导6个候选基因的表达,不同抗性品种相对表达量达到峰值的时间不同,且耐病品种(GZ-1)上述基因表达量比感病品种(86-1)有增高的趋势。【结论】该研究结果有助于了解棉花TLP基因家族的进化与功能。     

基于YCbCr颜色空间和Fisher判别分析的棉花图像分割研究

棉花的分割是采棉机器人研究的关键技术。本文分别在HSV、HIS和YCbCr颜色空间下,首先根据棉花的颜色信息与背景颜色信息的差距,对样本图像中的各个对象(棉絮、棉枝、土壤等)分类; 其次根据分类结果分别提取各类在各颜色空间下的样本像素值; 再根据类间离散度最大和类内离散度最小的准则计算出Fisher判别向量和各类的质心; 最后按照像素值离各质心最近的准则进行图像分割。结果表明, 在YCbCr颜色空间下产生的分割噪声最小,选取此颜色空间,采用贴标签的方法自适应去噪。实验仿真表明,本方法可有效避免阳光直射和阴影的干扰,对各种情况都能准确分割,分割准确率达90.44%。     

陆地棉NAC转录因子基因GhNAC6的克隆、表达和耐盐性分析

【目的】NAC(NAM-ATAF-CUC)家族是植物细胞内特有的1类转录因子家族,参与植物的抗逆过程。为了研究棉花抗逆的分子机制,本研究从陆地棉TM-1中克隆到1个NAC转录因子基因并研究了其功能。【方法】根据其序列同源性和进化分析结果,将该基因命名为GhNAC6,本文对GhNAC6进行了生物信息学和表达分析,并利用病毒诱导基因沉默技术在棉花中沉默GhNAC6的表达。【结果】GhNAC6全长为1629 bp,包含2个内含子,其中编码区为900 bp,编码1个相对分子质量为33.9×10~3、等电点为6.18的蛋白。GhNAC6启动子区段包含多个与诱导表达和组织特异表达相关的顺式作用元件。转录组数据分析结果表明,GhNAC6在棉花发育的不同时期具有时空表达差异性;实时荧光定量核酸扩增检测结果显示GhNAC6还受到植物激素水杨酸、乙烯利、茉莉酸甲酯和逆境胁迫低温、高温、高盐、伤口的诱导。干涉GhNAC6基因发现,降低GhNAC6基因的表达能增强棉花对盐胁迫的耐受性。【结论】研究结果表明GhNAC6可能参与了棉花发育、逆境响应和激素信号传导的过程。     

基于OpenCV确定植物叶片面积

为了进一步提高在图像处理方面的叶片面积检测的准确度,首先使用透视变换的亚像素角点检测的方法精确获取图像四边形的角点,对几何失真的图像进行校正。然后使用K-means聚类算法对图像进行图像分割。为了避免图像校正标记点、图像噪点与植物叶片内孔洞对测量面积的影响,先对图像进行一次分割只保留树叶图像,然后只提取叶片外轮廓的方法,对叶片轮廓的面积进行计算。实验的结果表明,使用此方法可以准确测量植物叶片面积,并且相对误差为0.01%～1.42%。本研究在保证叶片面积准确的前提下,找到了一种快速、简单方便的植物叶片面积测量方法。     

基于无人机数码图像的机采棉脱叶率监测模型构建

【目的】脱叶率是评价机采棉脱叶催熟效果的重要依据。以无人机RGB图像为基础数据源,通过从RGB图像中提取14种可见光植被指数,建立快速、准确监测棉花脱叶率的模型,为机采棉适时采收提供理论和技术支持。【方法】设置不同棉花品种,通过采集不同脱叶剂浓度及喷施时间处理下的棉花脱叶率数据,并利用无人机采集冠层RGB图像,提取可见光植被指数,分析其与棉花脱叶率的相关关系,进而采用一元线性回归(Simple linear regression,SLR)、多元线性回归(Multivariate linear regression,MLR)和偏最小二乘法回归(Partial least square regression,PLSR)构建棉花脱叶率监测模型,并进行模型评价。【结果】不同处理下的棉花脱叶率有明显差异,脱叶率与不同可见光植被指数存在较好相关性,其中三角形绿度值(Triangular greenness index,TGI)与棉花脱叶率的相关性最高(r=0.81)。建模结果表明,SLR模型中,以TGI指数建模效果最好(决定系数0.66,均方根误差10.44%,相对均方根误差12.87%);MLR模型中,以过蓝指数(Excess blue index,ExB)、绿叶指数(Green leaf index,GLI)、TGI和过绿指数(Excess green index,ExG)4个植被指数组合建立的模型效果最好,其决定系数为0.70,均方根误差为10.26%,相对均方根误差为12.65%。PLSR模型中,以ExB、GLI、TGI、ExG、综合植被指数2和综合植被指数1建立的模型精度更高,其决定系数为0.70,均方根误差为10.02%,相对均方根误差为12.22%。外部验证表明,各模型实测值与预测值间有较好的拟合关系。【结论】以MLR和PLSR方法建立的模型精度较高,拟合程度较好。从计算量及模型复杂程度角度考虑,通过MLR方法以ExB、GLI、TGI、ExG建立的棉花脱叶率监测模型,能够更好地监测棉花脱叶率。     

棉花冠层不同尺度光能空间分布特征研究

【目的】棉花冠层光能空间分布是光能利用率高低的直接影响因素之一。为科学量化光能在棉花冠层的空间分布,本研究旨在分析冠层内光合有效辐射(Photosynthetically active radiation,PAR)各分量的空间变化特征。【方法】用空间统计学方法分析了冠层不同空间点、线、面位置PAR的分布特征。【结果】盛花期棉花行间冠层PAR截获率整体变化呈"V"形,即棉行间PAR截获率低于棉行附近位置;高密度的群体冠层中下部PAR截获率纵向变化速率较缓,同时在距地面60 cm处PAR截获率横向变化幅度也较小;不同冠层区域的PAR截获率与密度呈正相关关系,且随播种后时间均呈现先增后减的变化趋势。【结论】适当增大种植密度可以提高群体PAR截获率。运用空间统计学原理精确定位定量分析冠层内PAR的分布,对合理配置棉花种植模式、研究群体株型结构、培育高光效品种具有指导意义。     

不同咸水利用方式对棉花叶绿素荧光参数及土壤盐分的影响

【目的】本研究旨在科学合理地利用浅层咸水资源。【方法】依托短期定位试验开展了在第3年和第4年不同咸水利用方式下(CK:造墒和蕾期灌淡水;T1:造墒和蕾期灌咸淡混配矿化度3 g·L^-1的微咸水;T2:淡水造墒蕾期灌矿化度5 g·L^-1咸水;T3:造墒和蕾期灌矿化度5 g·L^-1咸水;T4:淡水造墒蕾期不灌水)棉花长势、叶绿素荧光参数、土壤盐分累积及其运移的变化。【结果】T1和T2处理的齐苗率、株高、干物质质量、叶面积指数、叶绿素荧光参数、产量及霜前花率与CK无显著差异,土壤盐分含量较CK有所增加,但未对棉花生长产生明显抑制。T3处理的棉花长势指标、叶绿素荧光参数较CK显著降低,0~100 cm土壤盐分含量较CK明显增加。【结论】从土壤质量安全和咸水高效利用的角度考虑,连续4年用3 g·L^-1的咸淡混合水灌溉或用淡水与5 g·L^-1的咸水轮灌不仅能节约淡水,且不影响棉花产量。本研究结果为当地在棉花生产中安全利用咸水提供技术参考。     

基于无人机高光谱融合连续投影算法估算棉花地上部生物量

【目的】地上部生物量是表征植物生命活动的重要参数。探索不同的光谱预处理方法和建模方法,实现对棉花地上部生物量快速、无损、准确的估算,对棉花长势监测和大田精准管理具有重要意义。【方法】以新陆早53号、新陆早45号为研究对象,设置不同施氮处理,于出苗后不同阶段获取棉花地上部生物量和无人机高光谱数据,通过连续投影算法(Successive projections algorithm,SPA)筛选不同预处理[一阶导数、二阶导数、Savitzky-Golay(SG平滑)、多元散射校正]后的特征波长,基于筛选出的不同波长组合使用偏最小二乘法回归(Partial least square regression,PLSR)和随机森林回归(Random forest regression,RFR)分别构建棉花地上部生物量估算模型,比较不同预处理后建立模型的精度,确定最优估算模型。【结果】(1)利用SPA算法对不同预处理后的光谱信息筛选出特征波长9～26个,可实现光谱信息降维。(2)基于SG平滑-SPA处理及PLSR方法建立的模型最佳,R~2达到了0.63,均方根误差(Root mean square error,RMSE)为0.42,验证集的R~2为0.67,RMSE为0.44。(3)一阶导数-SPA处理后,采用RFR构建的模型最佳,R~2达到0.87,RMSE为0.45,验证集R~2为0.81,RMSE为0.37。【结论】采用一阶导数预处理结合SPA筛选特征波长,经RFR构建的估算模型结果和验证效果均最佳,可用于棉花地上部生物量定量估算。     

不同氮肥用量对免耕山地油菜产量及其农艺性状的影响

【目的】为综合评价并推荐免耕山地油菜最优的氮肥施用量在低纬高原山区推广应用,【方法】采用多元回归和模糊聚类等分析方法,对玉溪市2013—2015三年4个不同海拔试点10个氮肥用量的免耕山地油菜产量及其农艺性状进行对比分析。【结果】结果表明：(1)随着油菜苗期氮肥用量的增加,生育期、倒伏程度和白粉病发生有增加的趋势,而冻害程度和鸟害发生呈现下降的态势；(2)不同氮肥用量间油菜的主要农艺性状差异较大,单株有效角果数、角粒数和单株生产力随着氮肥用量的增加而增加,而增加千粒重和延长生育期有利于产量的提高；(3)不同氮肥用量间的产量都有不同程度的差异；【结论】综合分析丰产性和稳定性,低纬高原山区免耕山地油菜以苗期施用375~525kg/ hm2尿素为最优。     

基于RIL群体鉴定棉花抗黄萎病相关QTLs

【目的】鉴定出能够稳定表达的棉花抗黄萎病相关数量性状位点(Quantitative trait loci,QTLs)。【方法】以抗落叶型黄萎病棉花品种常抗棉和感黄萎病品种TM-1为亲本配制的111个重组自交系家系为作图群体,筛选出多态性简单序列重复(Simple sequence repeat,SSR)标记,并用于构建遗传图谱。用完备复合区间作图法对该群体在安阳大田、新疆重病地及病圃等多个环境下的黄萎病病情指数进行QTLs检测。【结果】构建了1张含有12个连锁群、40个标记、总长212.5 cM(厘摩)的遗传图谱。获得了6个与抗黄萎病基因相关的QTLs,对数优势比(Logarithm of the odd score,LOD)分布在2.51～5.55,贡献率最大为20.34%,最小为6.93%。其中,qVR-D05-1能够在安阳大田2015年7月15日和新疆南疆重病地2016年7月9日2个环境中检测到,贡献率分别为12.96%和20.34%。【结论】本研究得到的qVR-D05-1能够为定位出稳定的棉花抗黄萎病相关QTLs提供参考。     

陆地棉基因GhMYB52的克隆及特征分析

【目的】克隆了1个在棉纤维发育次生壁加厚期优势表达的R2R3类MYB (v-myb avian myeloblastosis viral oncogene homolog, MYB)转录因子基因Gh MYB52(Gh_A12G2460)。本研究旨在分析该MYB转录因子在陆地棉纤维次生壁发育过程中的作用。【方法】通过一步克隆法,从陆地棉遗传标准系TM-1中克隆了1个在纤维次生壁加厚期优势表达的R2R3类MYB转录因子基因Gh_A12G2460,进化树分析结果表明Gh_A12G2460与拟南芥中AtMYB52基因的相似度最高,因此将其命名为Gh MYB52。通过进化树构建、氨基酸序列多重比对、定量聚合酶链式反应(Polymerase chain reaction,PCR)、烟草瞬时转化、酵母双杂交等对其基因结构、编码产物的结构、表达特征、亚细胞定位以及互作蛋白进行了分析。【结果】GhMYB52基因的开放阅读框长672 bp,编码223个氨基酸残基,预测蛋白的相对分子质量为26.06 kDa,等电点为9.83。qRT-PCR结果表明,Gh MYB52基因在开花后15～25 d的棉纤维中优势表达。亚细胞定位结果显示,GhMYB52蛋白定位于细胞核,符合转录因子的特征。酵母转化结果显示,GhMYB52蛋白具有强烈的转录激活活性,并且与1个NAC类转录因子GhFSN1有强烈互作。【结论】GhMYB52是1个在棉花纤维次生壁加厚时期优势表达的R2R3类MYB转录因子,它可能通过与NAC类转录因子互作,形成蛋白复合物参与棉花纤维次生壁加厚过程。本研究为进一步从分子水平上验证GhMYB52基因在棉花纤维发育过程中的生物学功能奠定了基础。