Plant Phenomics | 基于溫度注釋的三維點(diǎn)云測(cè)量蘋(píng)果果實(shí)水分脅迫指數(shù)

在與全球變暖和水資源短缺相關(guān)的應(yīng)用生態(tài)生理學(xué)研究中，水果的水分狀態(tài)在新鮮食品生產(chǎn)的背景下變得越來(lái)越重要。適合的作物水分狀態(tài)監(jiān)測(cè)方法對(duì)生態(tài)生理研究和可持續(xù)食品生產(chǎn)至關(guān)重要。當(dāng)前的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可根據(jù)空間和時(shí)間分辨率要求、傳感器平臺(tái)和傳感器類(lèi)型進(jìn)行定義。盡管這些近端傳感器的組合提高了準(zhǔn)確性，但在大量樹(shù)木中變異性、復(fù)雜的傳感器安裝與維護(hù)及不同水分狀態(tài)參數(shù)的正確解讀，限制了此方法的實(shí)際應(yīng)用。果實(shí)層面的遙感技術(shù)可以克服這些缺點(diǎn)，作物水分脅迫指數(shù)（CWSI）已廣泛用于通過(guò)熱成像檢測(cè)整個(gè)樹(shù)冠的水分不足脅迫。無(wú)人機(jī)（UAV）和基于地面的熱成像平臺(tái)已廣泛應(yīng)用于作物水分不足脅迫的檢測(cè)。近年來(lái)，光探測(cè)和測(cè)距（LiDAR）技術(shù)因其在田間條件下提供高分辨率三維幾何信息的能力，廣泛應(yīng)用于耕作農(nóng)業(yè)和林業(yè)，形成三維點(diǎn)云。地面LiDAR傳感器被用于開(kāi)發(fā)幾何果實(shí)參數(shù)的估算方法，以及在杏園中繪制花朵和果實(shí)的分布。地面LiDAR傳感器的進(jìn)步還使得每個(gè)測(cè)量點(diǎn)的散射反射強(qiáng)度能夠被獲取，為從整體樹(shù)冠的三維點(diǎn)云中分割果實(shí)以及量化單個(gè)果實(shí)的葉綠素含量提供了額外信息。在建筑和機(jī)器人等其他學(xué)科中，基于LiDAR的三維點(diǎn)云已與熱成像相機(jī)的溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)注。通過(guò)LiDAR獲得的三維果實(shí)可視化，使得與溫度數(shù)據(jù)的標(biāo)注能夠分析樹(shù)冠和果實(shí)的四維點(diǎn)云。

2024年9月，Plant Phenomics在線發(fā)表了德國(guó)ATB研究所和意大利馬爾凱理工大學(xué)等的合作完成的題為Fruit Water Stress Index of Apple Measured by Means of Temperature-Annotated 3D Point Cloud 的研究論文。

在本研究中，引入了一個(gè)果實(shí)水分脅迫指數(shù)（FWSI），用于密切分析果實(shí)與空氣溫度之間的關(guān)系。且本研究的目標(biāo)是： (a) 從地面移動(dòng)LiDAR傳感器和熱成像中推導(dǎo)和驗(yàn)證三維果實(shí)表面溫度；(b) 計(jì)算并比較估算的與手動(dòng)測(cè)量的FWSI；(c) 利用新方法獲得FWSI在生長(zhǎng)季節(jié)變化過(guò)程中的初步結(jié)果。研究中使用了由激光雷達(dá)（LiDAR）傳感器和熱成像相機(jī)組成的傳感系統(tǒng)，通過(guò)3D點(diǎn)云對(duì)蘋(píng)果樹(shù)（Malus x domestica Borkh. “Gala”）進(jìn)行遠(yuǎn)程分析。在對(duì)傳感系統(tǒng)進(jìn)行幾何校準(zhǔn)后，將溫度值分配到相應(yīng)的3D點(diǎn)云中，以重建整個(gè)樹(shù)冠的熱點(diǎn)云。通過(guò)分割屬于果實(shí)的注釋點(diǎn)，獲得了標(biāo)注了溫度信息的果實(shí)點(diǎn)云（圖2）。估計(jì)的果實(shí)表面溫度（TEst）與手動(dòng)記錄的參考溫度高度相關(guān)（r2 = 0.93）。作為方法上的創(chuàng)新，基于TEst，引入了果實(shí)水分脅迫指數(shù)（FWSIEst），相較于通過(guò)傳統(tǒng)2D熱成像獲取的整個(gè)樹(shù)冠的作物水分脅迫指數(shù)，F(xiàn)WSIEst可能提供了更詳細(xì)的果實(shí)信息。FWSIEst與手動(dòng)參考數(shù)據(jù)相比，誤差較低。共考慮了302個(gè)蘋(píng)果，F(xiàn)WSIEst在生長(zhǎng)季節(jié)中有所增加。此外，還對(duì)50個(gè)蘋(píng)果進(jìn)行了每日6次的晝夜測(cè)量（總共600個(gè)蘋(píng)果），這些測(cè)量是在商業(yè)收獲期進(jìn)行的。當(dāng)用空氣溫度加5°C進(jìn)行計(jì)算時(shí)，F(xiàn)WSIEst表現(xiàn)出晝夜滯后效應(yīng)（圖5）。這種FWSIEst的日變化以及果實(shí)發(fā)育過(guò)程中的變化為3D時(shí)空果實(shí)分析提供了一種新的生態(tài)生理學(xué)工具，尤其是在作物管理的具體需求方面，更有效地捕捉了更多樣本的見(jiàn)解。

圖2 利用激光雷達(dá)和熱傳感器分析冠層內(nèi)的三維空間溫度分布

圖5 氣溫與果實(shí)表面溫度之差（ΔΤ）與果實(shí)水分脅迫指數(shù)的關(guān)系。具體來(lái)說(shuō)，計(jì)算了兩種水分脅迫指數(shù)：一是根據(jù)Irmak等人方法計(jì)算的（A）使用空氣溫度加5°C（FWSII,Est），二是基于果實(shí)表面溫度數(shù)據(jù)歸一化的（B）FWSIN,Est。數(shù)據(jù)分析涵蓋了四個(gè)開(kāi)花后天數(shù)（DAFB；67、81、132和166），以觀察果實(shí)發(fā)育期間的變化。

論文鏈接：
https://doi.org/10.34133/plantphenomics.0252

——推薦閱讀——
Characterization and Identification of NPK Stress in Rice Using Terrestrial Hyperspectral Images 
https://doi.org/10.34133/plantphenomics.0197
Plant Phenomics | 東北農(nóng)業(yè)大學(xué)利用近端成像光譜對(duì)水稻NPK脅迫進(jìn)行特征化及鑒別
Grain Protein Content Phenotyping in Rice via Hyperspectral Imaging Technology and a Genome-Wide Association Study
https://doi.org/10.34133/plantphenomics.0200
Plant Phenomics | 南京農(nóng)業(yè)大學(xué)聯(lián)合江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院基于成像高光譜技術(shù)和GWAS分析的水稻籽粒蛋白質(zhì)含量表型研究

加入作者交流群
掃碼添加小編微信，拉您進(jìn)入《植物表型組學(xué)》作者交流群，群內(nèi)不定期開(kāi)展作者分享會(huì)、專(zhuān)刊發(fā)布會(huì)等高質(zhì)量活動(dòng)。

添加小編微信，備注姓名+單位+PP，加入作者交流群

About Plant Phenomics
《植物表型組學(xué)》（Plant Phenomics）是由南京農(nóng)業(yè)大學(xué)創(chuàng)辦的英文學(xué)術(shù)期刊，于2019年1月正式上線發(fā)行。采用開(kāi)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DOAJ、Scopus、PMC、EI和SCIE等數(shù)據(jù)庫(kù)收錄。科睿唯安JCR2022影響因子為7.6，位于農(nóng)藝學(xué)一區(qū)（1/125名），植物科學(xué)一區(qū)（13/265名），遙感一區(qū)（6/62名）。2023年中科院期刊分區(qū)位于農(nóng)林科學(xué)大類(lèi)一區(qū)。2020年入選中國(guó)科技期刊卓越行動(dòng)計(jì)劃高起點(diǎn)新刊項(xiàng)目、2024年入選江蘇科技期刊卓越行動(dòng)計(jì)劃領(lǐng)軍期刊項(xiàng)目。

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：王慧敏（南京農(nóng)業(yè)大學(xué)）
編輯排版：王平、許怡瑤（上海交通大學(xué)）
審核：尹歡、孔敏