Plant Phenomics | 冠層粗糙度：一種用于無(wú)人機(jī)航測(cè)估算地上生物量的新表型性狀

太陽(yáng)輻射能夠改變生物物理參數(shù)（如作物的冠層光合作用速率、蒸發(fā)蒸騰量、輻射捕獲量和水分利用效率等），從而對(duì)作物的生長(zhǎng)產(chǎn)生直接影響。就植物冠層而言，其形態(tài)特征往往與冠層和太陽(yáng)輻射的相互作用有關(guān)。

遙感技術(shù)能在作物生長(zhǎng)初期對(duì)冠層性狀進(jìn)行無(wú)損測(cè)量。與人工測(cè)量相比，遙感測(cè)量顯著提高了數(shù)據(jù)采集質(zhì)量，并降低了后期表型鑒定的時(shí)間和費(fèi)用。為了滿足未來(lái)幾十年對(duì)食物、燃料和纖維制品的需求，很有必要使用性價(jià)比高的表型分析方法來(lái)促進(jìn)作物遺傳學(xué)研究。因此，近十年來(lái)，無(wú)人機(jī)航測(cè)(UAS)技術(shù)成為了植物表型分析的重要工具之一。

在數(shù)據(jù)采集方面，無(wú)人機(jī)航測(cè)系統(tǒng)有許多優(yōu)勢(shì)，例如：操控便捷，數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性高，時(shí)空/輻射分辨率高，能夠克服那些土壤條件不便于人工測(cè)量的情況等。而只有使用高度自動(dòng)化的分析算法，才能夠充分發(fā)掘無(wú)人機(jī)航測(cè)系統(tǒng)在數(shù)據(jù)采集方面的潛力�？梢灶A(yù)見(jiàn)的是，提高育種研究效率的下一個(gè)突破將高度依賴于表型分析過(guò)程的自動(dòng)化，從而利用作物全生育期中的基因組和表型信息，將基因型和作物表型相關(guān)聯(lián)。

近日，Plant Phenomics在線發(fā)表了美國(guó)普渡大學(xué)Monica Herrero-Huerta等人題為Canopy Roughness: A New Phenotypic Trait to Estimate Aboveground Biomass from Unmanned Aerial System的研究論文。

文章中，作者引入冠層粗糙度作為植物在小區(qū)層面的新性狀。為了測(cè)試這種新性狀的可用性，作者使用了無(wú)人機(jī)航測(cè)系統(tǒng)采集到的大豆光學(xué)數(shù)據(jù)，結(jié)合該性狀對(duì)大豆生物量進(jìn)行估計(jì)，并使用盛花期內(nèi)108個(gè)大豆重組自交系在多環(huán)境下試驗(yàn)(Figure 2)中得到的面板數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證。

文章使用搭載緊湊型相機(jī)的無(wú)人機(jī)平臺(tái)采集航拍圖像，并使用運(yùn)動(dòng)恢復(fù)結(jié)構(gòu)(SfM)技術(shù)，對(duì)試驗(yàn)中的大豆進(jìn)行三維重建；之后，采用新開發(fā)的特征提取算法計(jì)算大豆點(diǎn)云的冠層粗糙度(Figure 1,3)；最后，使用回歸分析對(duì)使用冠層粗糙度計(jì)算的地上生物量(AGB)及其實(shí)地測(cè)量值進(jìn)行關(guān)聯(lián)性分析，并進(jìn)行留一法交叉驗(yàn)證。

結(jié)果表明，試驗(yàn)中的所有數(shù)據(jù)在文中介紹的模型內(nèi)均獲得了大于0.5的決定系數(shù)(R2)，證明了冠層粗糙度有望成為在高通量表型分析中用于估計(jì)地上生物量的一個(gè)可靠性狀。

Figure 1: Schematic overview of the developed pipeline to estimate AGB by the proposed canopy roughness trait by 3D point clouds coming from RGB imagery

Figure 2: Test site locations in Indiana (left) and the setup of the soybean experiment with marked locations of each plot, height bars, and GCPs (right)

Figure 3: Point cloud processing steps for a random plot

論文鏈接

https://spj.sciencemag.org/journals/plantphenomics/2020/6735967/

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About Plant Phenomics

《植物表型組學(xué)》（Plant Phenomics）是由南京農(nóng)業(yè)大學(xué)和美國(guó)科學(xué)促進(jìn)會(huì)（AAAS）合作創(chuàng)辦的英文學(xué)術(shù)期刊，于2019年1月正式上線發(fā)行，是Science合作出版的第二本期刊。采用開放獲取形式，刊載植物表型組學(xué)交叉學(xué)科熱點(diǎn)領(lǐng)域具有突破性科研進(jìn)展的原創(chuàng)性研究論文、綜述、數(shù)據(jù)集和觀點(diǎn)。具體范圍涵蓋高通量表型分析的最新技術(shù)，基于圖像分析和機(jī)器學(xué)習(xí)的表型分析研究，提取表型信息的新算法，作物栽培、植物育種和農(nóng)業(yè)實(shí)踐中的表型組學(xué)新應(yīng)用，與植物表型相結(jié)合的分子生物學(xué)、植物生理學(xué)、統(tǒng)計(jì)學(xué)、作物模型和其他組學(xué)研究，表型組學(xué)相關(guān)的植物生物學(xué)等。期刊已被CABI、CNKI、DOAJ和PMC數(shù)據(jù)庫(kù)收錄。

說(shuō)明：本文由《植物表型組學(xué)》編輯部負(fù)責(zé)組稿。
中文內(nèi)容僅供參考，一切內(nèi)容以英文原版為準(zhǔn)。
撰稿：王棟（實(shí)習(xí)）
編輯：周燦彧（實(shí)習(xí)）、鞠笑、孔敏
審核：尹歡