High-throughput field crop phenotyping: current status and challenges

In contrast to the rapid advances made in plant genotyping, plant phenotyping is considered a bottleneck in plant science. This has promoted high-throughput plant phenotyping (HTP) studies, resulting in an exponential increase in phenotyping-related publications. The development of HTP was originally intended for use as indoor HTP technologies for model plant species under controlled environments. However, this subsequently shifted to HTP for use in crops in fields. Although HTP in fields is much more difficult to conduct due to unstable environmental conditions compared to HTP in controlled environments, recent advances in HTP technology have allowed these difficulties to be overcome, allowing for rapid, efficient, non-destructive, non-invasive, quantitative, repeatable, and objective phenotyping. Recent HTP developments have been accelerated by the advances in data analysis, sensors, and robot technologies, including machine learning, image analysis, three dimensional (3D) reconstruction, image sensors, laser sensors, environmental sensors, and drones, along with high-speed computational resources. This article provides an overview of recent HTP technologies, focusing mainly on canopy-based phenotypes of major crops, such as canopy height, canopy coverage, canopy biomass, and canopy stressed appearance, in addition to crop organ detection and counting in the fields. Current topics in field HTP are also presented, followed by a discussion on the low rates of adoption of HTP in practical breeding programs.     

树冠振动式核桃采收装置的设计与分析

为提高核桃采收效率、降低果树损伤,针对新疆核桃种植模式,设计了树冠振动式核桃采收装置。该装置通过拨杆圆盘的直线往复运动产生的激振力实现核桃振动采收。通过对曲柄滑块总成进行运动分析,推导出了滑块速度和加速度的表达式,并对装置产生的激振力进行求解,得出振动频率为2Hz时装置对核桃最大激振力为134N,验证了该装置进行采收作业的可行性。同时,对采收装置进行惯性力分析,推导出了不同组数曲柄滑块总成的合力表达式,得出了该装置所受惯性力最大为8.69N,为新疆核桃收获机的进一步研究提供了理论基础。     

基于颜色取样的苹果树枝干点云数据提取方法

为了快速提取苹果树冠层枝干三维点云数据,以不同生长时期苹果树冠层彩色点云数据为研究对象,提出了基于颜色取样的苹果树枝干点云数据提取方法。首先,提出了苹果树冠层彩色点云获取方法,利用Trimble TX8型地面三维激光扫描仪获取冠层点云数据,同轴全景摄像机获取彩色全景图,采用贴图方法着色点云数据;然后,提取全景图像苹果树冠层区域R、G、B颜色分量信息,根据其分布规律建立枝干部分自适应分割阈值,并根据颜色阈值删除冠层中非枝干部分彩色点云数据;最后,在Geomagic软件中经过封装—创建流形—编辑多边形—填充孔—光滑等一系列操作重建枝干三维模型。苹果树提取枝干点云数据实验结果表明,本文方法点云删除率为75. 74%,相对于人工枝干点云数据提取,侧枝数量平均准确率为93. 34%,效率提高200倍以上,大大缩短了冠层枝干三维重建时间。本研究成果可为有叶苹果树枝干动力学模型建立提供技术基础。     

基于三维点云的苹果树冠层点-叶模型重建方法

为了快速重建苹果树冠层结构三维模型,以纺锤体苹果树冠层为研究对象,利用地面三维激光扫描仪获取冠层三维点云,提出了苹果树冠层点-叶模型重建方法。首先,提出了苹果树冠层叶基自动提取方法,可获取苹果树冠层生长期和叶幕稳定期的叶基,与手工提取的叶基对比分析表明,两种方法重合度较高、误差较小,两种方法的平均欧氏距离为1.41mm;其次,提出了基于冠层体素化的叶基提取方法,构建了苹果树冠层点模型,并在叶基上拼接叶片模板,构建出苹果树冠层点-叶模型;最后,利用VegeSTAR光模型计算光截获进行验证分析,与常规数字化仪测得数据相比,本文方法提高了苹果树冠层三维结构重建效率。     

基于M-LP特征加权聚类的果树冠层图像分割方法

针对背景和杂草干扰下的果树图像冠层提取问题,提出了一种基于M-SP特征加权聚类的冠层分割算法。首先,将采集的原始图像由RGB颜色空间转换到HSI颜色空间,计算果树与背景区域在H、S分量上的马氏距离,构造马氏距离相似度矩阵〖WTHX〗M〖WTBX〗;其次,提取图像像素的垂直位置作为空间特征〖WTHX〗P〖WTBZ〗,在HSI空间内的I分量上,利用最大熵算法提取图像的阴影区域,并进行掩膜处理,将获取的阴影区域作为空间特征的加权区域L,从而构造阴影位置加权的空间特征〖WTHX〗L〖WTBX〗P;最后,对获取的M-LP特征矩阵进行归一化处理,分别进行上背景、下背景、果树冠层、杂草4个类别的K means聚类,最终完成图像分割。为验证算法的有效性,在采集的果树图像上进行了分割试验,结果表明,基于M-LP特征的聚类方法能有效解决重度杂草干扰条件下果树冠层被漏分的问题。采用精确率、召回率和F1值3个评价指标对分割结果进行定量评价,选取不同杂草干扰程度（轻微、中等、较强）和时间段（早晨、中午、傍晚）的果树图像,分别以传统K-means和GMM聚类算法作为对比进行试验,结果表明,相对于未经过特征提取的普通聚类分割方法,本文算法对于不同杂草干扰程度和不同拍摄时间段下的果树冠层分割表现出一定的鲁棒性,平均精确率为87.1%,平均召回率为87.7%,平均F1值为87.1%。分割和验证结果表明,在进行有效图像特征提取的基础上,结合少量标注作为先验知识的无监督分割方法可以准确分割出果树冠层区域。     

大田葵花土壤含盐量无人机遥感反演研究

以内蒙古河套灌区沙壕渠灌域内大田葵花为研究对象,划分4块不同盐分梯度的试验地,利用无人机搭载六波段多光谱相机和热红外成像仪获取遥感数据,并同步采集区域内不同土壤深度处的盐分数据。利用灰色关联法对构建的光谱指数进行筛选,同时结合冠层温度数据,采用偏最小二乘回归(PLSR)、支持向量机(SVM)、反向传播神经网络(BPNN)和极限学习机(ELM) 4种建模方法构建大田葵花不同生育期、不同土壤深度的盐分反演模型。结果表明,基于葵花现蕾期数据构建的盐分反演模型整体效果优于开花期,以优选盐分指数和光谱指数作为变量组构建的模型效果优于植被指数变量组,盐分反演效果较好的土壤深度为0～20 cm和20～40 cm。不同建模方法对比结果表明,机器学习盐分反演模型的效果优于偏最小二乘回归模型,其中在葵花现蕾期0～20 cm土壤深度处,以光谱指数作为变量组构建的BPNN盐分模型反演效果最好,建模集和验证集R2分别达到0.773和0.718,验证集RMSE、CC分别达到0.062%和0.813。本研究成果可为无人机遥感在大田葵花土壤盐分监测方面的应用及相关研究提供参考。     

基于地面观测和Sentinel-2数据的玉米实际蒸散发估算

基于遥感技术估算作物蒸散发(Evapotranspiration,ET)对农业用水效率评价和精量灌溉决策具有重要意义。结合Sentinel-2数据和农田连续地面观测资料,利用混合双源蒸散发模型(Hybrid dual-source scheme and trapezoid framework-based evapotranspiration model,HTEM)对宁夏回族自治区中卫市2019年两个试验田玉米主要生育期(5—8月)的蒸散发量进行估算,并用水量平衡法对遥感估算结果进行验证和评价。结果表明:Sentinel-2数据具有高时空分辨率,能够与研究区复杂的种植地块相匹配,减少了混合像元的数量;遥感反演参数与地面观测数据拟合度较高,研究区2019年遥感反演的玉米田净辐射量均方根误差为36.256 W/m²。利用HTEM模型估算可得,主要生育期内研究区两个玉米试验田的日均实际蒸散发量分别为4.269 mm/d和4.339 mm/d,实际蒸散发总量分别为525.114 mm和533.690 mm,其中植被蒸腾量分别为363.483 mm和358.196 mm,生育初期主要以土壤蒸发形式消耗水分,随着作物的生长,在生育中后期主要以植被蒸腾的形式消耗水分。ET遥感反演结果与水量平衡结果之间差别不显著,两个观测点绝对误差分别为13.533 mm和7.774 mm。因此,结合地面连续观测系统和Sentinel-2数据估算研究区玉米生育阶段蒸散发量具有较高的精度,可为作物耗水规律研究及区域农业水管理提供技术支撑。     

基于物联网的日光温室冠层特征温度时空变化规律分析

针对日光温室冬季反季节生产中冠层温度时空分布不均的问题,以典型西北日光温室为研究对象,建立了40通道PT100温度场监测系统,对冬季番茄冠层全天候动态温度数据进行采集,在此基础上,采用克里金插值算法进行冠层温度场建模,通过差分进化算法获取温度极值点,分析了不同天气条件下冠层特征温度的时空变化规律。结果表明,晴天、多云天、阴（雨）天插值验证的R2均大于0.94,平均均方根误差分别为1.34、0.95、0.40℃,该算法更适用于阴（雨）天及夜间低温冠层温度场的插值;在不同天气条件下,温室冠层温度全天整体上呈现西高东低、内高外低的趋势,阴（雨）天温室内温度整体变化规律趋于一致,晴天、多云天气揭被后,受外界光辐射等因素影响室内温度分布差异性较大,晴天夜间温度的下降程度大于阴（雨）天;冠层极值点分布结果表明,在不同天气条件下,极值特征点在日光温室中分布区域基本相同,冠层最高温点主要位于温室中部[22.0m,2.5m]附近,最低温点主要位于温室东部外膜[4.0m,5.48m]附近。日光温室冠层极值特征点的获取为温室栽培、温度灾害监测与传感器部署等研究提供了理论基础。     

水土保持生态修复林植物群落演替研究

根据调查资料，研究了东江流域上杨水土保持试验区内4种典型人工生态修复林植物群落的植物种类分布及林冠郁闭度、地表覆盖度等多项植物群落学。通过与未经生态修复的稀树草坡植物群落进行对比分析，探索了水土保持生态修复林植物群落次生演替状况，并针对生态修复提出了一些的建议。     

ASTER卫星遥感影像在冬小麦品质监测方面的初步应用

该文利用ASTER遥感数据在冬小麦品质监测方面进行了初步的应用。根据2004年搭载ASTER传感器的Terra卫星的过境周期，对北京郊区21个冬小麦试验点进行田间取样试验，通过分析试验点冬小麦叶片生化组分(叶绿素a)与氮素间的关系、冬小麦叶片氮素含量与籽粒品质(蛋白质含量)间的关系、以及冬小麦ASTER影像冠层光谱信息与叶片生化组分和籽粒品质之间的关系，发现：冬小麦灌浆期小麦叶片叶绿素含量与同期ASTER影像的光谱信息－NDVI之间有良好的相关性，而冬小麦籽粒蛋白质含量也与ASTER影像波段2之间有很好的相关性；利用ASTER遥感影像对冬小麦灌浆期叶绿素以及籽粒蛋白质含量进行建模并反演，能够在较大的范围里了解冬小麦的品质信息，并能够在一定程度上对作物的籽粒蛋白质含量等品质进行预测；研究还表明，利用遥感技术来进行小麦籽粒蛋白质等主要品质指标的预测是可行的。研究成果为利用遥感技术监测冬小麦长势和籽粒品质提供了理论依据，开辟了遥感应用的新途径。