基于三维数字化的玉米株型参数提取方法研究

【目的】玉米株型参数获取是玉米精确化育种和栽培研究的重要环节，研究解决玉米株型参数获取中存在的测量标准不一致、测量精度低、数据难以可视化、算法提取参数精度低等问题具有重要意义。【方法】本文利用三维数字化仪获取玉米植株骨架结构，提出玉米茎、叶、雄穗和雌穗器官三维数字化获取标准规程。通过将植株三维数字化数据旋转至与Z轴正方向平行并平移至坐标系原点进行数据标准化，进一步根据三维数字化数据位置关系，结合各株型参数的定义实现了株高、叶片着生高度、叶片最高点高度、叶长、叶宽、叶展、叶倾角及叶方位角等主要株型参数的提取，同时提出一种新的玉米植株方位平面计算方法，通过构建植株方位平面与各叶方位角角度差绝对值之和作为目标优化函数，进一步对该L1优化问题进行迭代求解得到植株方位平面，当叶数量是偶数时，方法可以给出精确的方位平面区间，在此基础上，引入dev值作为评价植株叶相对植株方位平面偏离度的指标。【结果】利用6个品种吐丝期玉米植株三维数字化数据和人工测量参数数据进行株型参数提取方法验证。结果表明，方法提取的叶长、叶倾角、方位角误差较小，RMSE分别为3.44 cm、3.41°和8.23°，叶长和叶倾角的MAPE分别为4.06%和4.72%，叶宽因叶片在叶脉垂直平面上的曲线形态不一致导致误差相对较大，RMSE和MAPE分别为0.80 cm和7.21%。与传统负方向能量均值法相比，所提出新的玉米植株方位平面计算方法给出了玉米植株方位平面更确切的定量化描述，对于玉米株型的定量评价具有一定价值。【结论】基于三维数字化的玉米株型参数提取方法为玉米株型参数的提取与分析提供了一种精确、便捷、可视的技术手段，对于玉米株型表型组学、玉米功能结构模型及玉米株型优化研究具有重要作用。

Research on Maize Plant Type Parameter Extraction by Using Three Dimensional Digitizing Data