Plant Phenomics | 基于無(wú)人機(jī)成像實(shí)現(xiàn)對(duì)田間小麥葉面積指數(shù)的快速精準(zhǔn)估計(jì)
 

葉面積指數(shù)（LAI）是指示作物長(zhǎng)勢(shì)和影響作物生長(zhǎng)和發(fā)展的關(guān)鍵作物特征。大田條件下LAI的快速和精準(zhǔn)測(cè)量，有助于實(shí)現(xiàn)作物生長(zhǎng)的精準(zhǔn)調(diào)控，也有助于加快育種進(jìn)程。
 

近日，Plant Phenomics在線發(fā)表了昆士蘭大學(xué)題為Unsupervised Plot-Scale LAI Phenotyping via UAV-Based Imaging, Modelling, and Machine Learning的研究論文。
 

本文基于混合方法理論發(fā)展了一個(gè)預(yù)測(cè)模型，用以實(shí)現(xiàn)從無(wú)人機(jī)多光譜成像捕獲的冠層反射率中對(duì)不同生長(zhǎng)條件下小麥的LAI進(jìn)行快速精準(zhǔn)估計(jì)的目的。這個(gè)模型基于隨機(jī)森林回歸（RFR）算法建立，在經(jīng)過輻射傳輸模型生成的模擬數(shù)據(jù)集上訓(xùn)練得到。這就使得該模擬在實(shí)際應(yīng)用中的估計(jì)精度，極大地取決于模擬光譜數(shù)據(jù)和實(shí)測(cè)光譜數(shù)據(jù)的相似性，因此本文通過土壤反射率校準(zhǔn)和光譜影像背景校正來(lái)提高模擬和實(shí)測(cè)光譜數(shù)據(jù)的相似性（圖1）。
 

圖1 研究流程圖

在本文中，作者提出了一種從無(wú)人機(jī)多光譜影像確定實(shí)際土壤反射率的方法。結(jié)合無(wú)人機(jī)影像中土壤像素的反射率取值和輻射傳輸模型中默認(rèn)的標(biāo)準(zhǔn)土壤反射率，該方法可以模擬出接近實(shí)際情況的400-2500nm范圍內(nèi)的土壤反射率。在利用輻射傳輸模型生成模擬數(shù)據(jù)集用于訓(xùn)練RFR模型時(shí)，利用校準(zhǔn)土壤反射率替代標(biāo)準(zhǔn)土壤反射率，可以使得模擬光譜數(shù)據(jù)更接近實(shí)測(cè)光譜數(shù)據(jù)。此外，作者還提出了一種影像背景校正方法來(lái)使得實(shí)測(cè)光譜數(shù)據(jù)更接近模擬光譜數(shù)據(jù)�；�于NDVI閾值分類法可以得到植被和背景的二分類圖，從而確定各波段影像中背景像素的位置，通過將背景像素原本的反射率替換成用于生成模擬數(shù)據(jù)時(shí)所用的土壤反射率可以實(shí)現(xiàn)影像背景校正。研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，模擬數(shù)據(jù)的土壤反射率校準(zhǔn)和光譜影像的背景校正可以有效提高RFR模型在稀疏冠層下對(duì)LAI的估計(jì)精度。由于本文提出的LAI估計(jì)方法可以在生長(zhǎng)季前被提前確定，同時(shí)訓(xùn)練好的模型可以實(shí)現(xiàn)從單一的多光譜數(shù)據(jù)源中對(duì)LAI的快速精準(zhǔn)估計(jì)，因此展示了該方法對(duì)生長(zhǎng)季早期LAI動(dòng)態(tài)模擬預(yù)測(cè)的潛在能力。

作者介紹

第一作者兼通訊作者：

陳巧敏，博士研究生，目前就讀于昆士蘭大學(xué)，師從Prof. Scott Chapman、Dr. Bangyou Zheng和Dr. Karine Chenu，研究方向?yàn)樽魑锬�擬和表型分析，重點(diǎn)關(guān)注如何通過多模型耦合、機(jī)器學(xué)習(xí)和光譜成像等技術(shù)的集成來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)作物生長(zhǎng)特征的動(dòng)態(tài)模擬預(yù)測(cè)。

通訊作者：

Prof. Scott Chapman，目前供職于昆士蘭大學(xué)（UQ），是SAFS學(xué)院的教授，同時(shí)是QAAFI的客座教授；在2020年全職受聘于UQ之前，Prof. Scott Chapman從1996年開始在CSIRO從事育種相關(guān)研究二十余年。他在小麥、高粱、向日葵和甘蔗方面領(lǐng)導(dǎo)了許多影響當(dāng)?shù)睾腿�球公共和私人育種項(xiàng)目的研究項(xiàng)目，是率先將無(wú)人機(jī)技術(shù)應(yīng)用于育種項(xiàng)目進(jìn)行植物模擬的研究者之一。根據(jù)ESI統(tǒng)計(jì)，他是植物、動(dòng)物和農(nóng)業(yè)領(lǐng)域引用排名前1%的作者，谷歌引用量近2萬(wàn)。他領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)，廣泛與世界各地科學(xué)家合作開展研究，包括澳大利亞CSIRO和阿德萊德大學(xué)、美國(guó)普渡大學(xué)、法國(guó)INRA、日本東京大學(xué)等。

論文鏈接：

https://doi.org/10.34133/2022/9768253

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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。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DOAJ、Scopus、PMC、EI和SCIE等數(shù)據(jù)庫(kù)收錄�？祁Ｎò睯CR2021影響因子為6.961，位于農(nóng)藝學(xué)、植物科學(xué)，遙感一區(qū)。中科院農(nóng)藝學(xué)、植物科學(xué)一區(qū)，遙感二區(qū)，生物大類一區(qū)（TOP期刊）。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。

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)。

特邀作者：陳巧敏

編輯：張威（實(shí)習(xí)）

審核：孔敏、王平