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基于标志点法的烟草叶形提取与判别

浙江大学学报（农业与生命科学版） 2022年第4期48卷 533-542页

作者：钟培阁周也莹张彦石屹郭焱李保国马韫韬中国农业大学土地科学与技术学院北京100193 中国农业科学院烟草研究所农业农村部烟草生物学与加工重点实验室山东青岛266101

本研究采用标志点法并基于39个烟草品种叶片图像提取叶形信息,比较分析了不同生长时期、不同品种和不同叶位间的叶形差异。采用主成分分析法实现数据降维并对叶形差异进行可视化表达,采用决策树、随机森林和支持向量机法对不同类型叶形... 详细信息

本研究采用标志点法并基于39个烟草品种叶片图像提取叶形信息,比较分析了不同生长时期、不同品种和不同叶位间的叶形差异。采用主成分分析法实现数据降维并对叶形差异进行可视化表达,采用决策树、随机森林和支持向量机法对不同类型叶形进行判别分析。主成分分析结果表明,烟草叶片间差异的主要来源分别为叶片宽和最大宽位置、叶片扭转程度以及叶柄部3方面,分别占总差异的42.7%、21.3%、10.7%。叶形判别结果表明,采用标志点数据的判别精度为52%~62%,而采用常用叶形指标的判别精度为51%~54%。上部叶、中部叶的判别精度高于下部叶10%左右,具有更明显的品种特征。团棵期叶片由于处于营养生长期,判别精度低于开花期叶片近10%。去除12类非典型品种后,标志点法判别精度上升至77%。标志点数据在叶形信息提取上的效果优于常用叶形指标,为叶形信息的自动化提取提供了新的思路。

关键词：几何形态学标志点法烟草叶形机器学习

基于三维点云和集成学习的大田烟草株型特征识别

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浙江大学学报（农业与生命科学版） 2022年第3期48卷 393-402页

作者：贾奥博董天浩张彦朱冰琳孙延国吴元华石屹马韫韬郭焱中国农业大学土地科学与技术学院北京100193 中国农业科学院烟草研究所山东青岛266101

为构建高效的大田烟草株型定量化方法,本研究基于多视角图像序列并采用运动恢复结构算法重建了5个品种烟草植株的三维点云。根据常用的烟草株型特征指标,基于烟株三维点云自动提取株高、顶宽、底宽、叶层最大宽等10个表型参数,并基于大... 详细信息

为构建高效的大田烟草株型定量化方法,本研究基于多视角图像序列并采用运动恢复结构算法重建了5个品种烟草植株的三维点云。根据常用的烟草株型特征指标,基于烟株三维点云自动提取株高、顶宽、底宽、叶层最大宽等10个表型参数,并基于大田原位手动测量的株高和叶层最大宽对计算精度进行评估。结果表明,基于三维点云提取的株高和叶层最大宽与实测值的决定系数(R2)均大于0.97,均方根误差分别为3.0、3.1 cm。同时,采用不同方法对提取的烟草表型性状进行分析。组间相关性分析结果表明,有16对性状呈极显著正相关,1对性状呈极显著负相关。单因素多元方差分析结果表明,各品种株型之间具有极显著差异。利用主成分分析提取前3个主成分,其对总体方差的累计贡献率为81.6%。基于Stacking集成学习方法进行株型判别,其准确率达到93.7%,显著高于随机森林、支持向量机和朴素贝叶斯等3种机器学习模型的准确率。本研究可为大田烟草表型特征及株型识别提供方法依据。

关键词：三维点云烟草表型机器学习株型

基于多视角立体视觉的植株三维重建与精度评估

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农业工程学报 2015年第11期31卷 209-214页

作者：胡鹏程郭焱李保国朱晋宇马韫韬中国农业大学资源与环境学院北京100193 中国农业科学院蔬菜花卉研究所北京100081

基于图像序列的植株三维结构重建是植物无损测量的重要方法之一。而对重建模型的精度评估方法大多基于视觉逼真程度和常规测量数据。该研究以精确的激光扫描三维模型为参照，采用豪斯多夫距离，从三维尺度上对基于图像序列的植株三维重... 详细信息

基于图像序列的植株三维结构重建是植物无损测量的重要方法之一。而对重建模型的精度评估方法大多基于视觉逼真程度和常规测量数据。该研究以精确的激光扫描三维模型为参照，采用豪斯多夫距离，从三维尺度上对基于图像序列的植株三维重建模型进行精度评估。同时，从植株表型参数（叶片长、宽、叶面积）方面，对植株三维重建模型进行精度评估。结果表明，基于图像序列的三维重建模型精度较高，豪斯多夫距离在0～10 mm之间，各试验植株豪斯多夫距离大多小于4.0 mm，各植株表型参数与其对照值的R2均大于0.95，且两者的无显著性差异（P＜0.05）。此植株三维结构重建方法能够应用于植物表型、基因育种、植物表型与环境互作等研究领域。

关键词：图像重构三维立体视觉图像序列多视角植株表型

基于植物功能-结构模型的玉米-大豆条带间作光截获行间差异研究

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智慧农业（中英文） 2022年第1期4卷 97-109页

作者：李双伟朱俊奇 Jochem B.EVERS Wopke VAN DER WERF 郭焱李保国马韫韬中国农业大学土地科学与技术学院北京100193 浙江省农业科学院农业装备研究所浙江杭州310021 瓦赫宁根大学作物系统分析中心海尔德兰瓦赫宁根430-6700 AK荷兰新西兰植物和食品研究所马尔堡研究中心马尔堡布莱尼姆7240新西兰

间作种植形成了异质冠层空间结构,但因此导致的作物生长、表型和光截获的行间差异目前还少有定量化。为解析条带间作生产力的行间差异,本研究基于田间观测数据构建植物功能-结构模型(Functional-Structural Plant Model,FSPM),量化间作... 详细信息

间作种植形成了异质冠层空间结构,但因此导致的作物生长、表型和光截获的行间差异目前还少有定量化。为解析条带间作生产力的行间差异,本研究基于田间观测数据构建植物功能-结构模型(Functional-Structural Plant Model,FSPM),量化间作系统中光截获的行间差异。于2017—2018年开展了玉米和大豆单作、2行玉米和2行大豆的2:2 MS间作以及3行玉米和6行大豆的3:6 MS间作田间试验。基于植物生长平台GroIMP开发了玉米-大豆间作的FSPM,模型较好地模拟了叶面积指数(Leaf Area Index,LAI)、株高和光截获系数动态三个指标,均方根误差(Root Mean Square Error,RMSE)分别为0.24~0.70 m^(2)/m^(2)、0.06~0.17 m和0.06~0.10。田间试验结果表明,间作种植显著增加了玉米节间直径。受玉米遮阴影响,大豆节间变长、变细,且随大豆条带变窄差异越明显。模型模拟的2:2 MS间作玉米光截获比单作玉米高35.6%,3:6 MS边行玉米和内行玉米的光截获分别比单作玉米高27.8%和20.3%。2:2 MS与3:6 MS边行大豆的光截获比单作大豆分别少36.0%和28.8%;3:6 MS大豆内Ⅰ行和内Ⅱ行比单作大豆的光截获分别少4.1%和1.8%。基于三维FSPM,未来可进行不同生长环境下间作种植模式等的布局优化,以达到最佳系统光截获优势。

关键词：玉米-大豆间作植物功能-结构模型光截获三维结构表型可塑性行间差异

基于超分辨率重建和多模态数据融合的玉米表型性状监测

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农业工程学报 2021年第20期37卷 169-178页

作者：车荧璞王庆李世林李保国马韫韬中国农业大学土地科学与技术学院北京100193

无人机遥感技术已逐渐成为获取作物表型参数的重要工具,如何在不降低测量精度的同时提高空间分辨率和测量通量受到表型研究人员的重视。该研究以玉米为研究对象,获取5个生育期无人机图像序列,结合小波变换与双三次插值对数码影像进行超... 详细信息

无人机遥感技术已逐渐成为获取作物表型参数的重要工具,如何在不降低测量精度的同时提高空间分辨率和测量通量受到表型研究人员的重视。该研究以玉米为研究对象,获取5个生育期无人机图像序列,结合小波变换与双三次插值对数码影像进行超分辨率重建,提取原始影像和重建影像的冠层结构、光谱等参数。基于单一参数和多模态数据构建地上生物量估算模型。结果表明:重建影像质量较高、失真较小,其峰值信噪比为21.5,结构相似性为0.81。航高60 m的重建影像地面采样距离与30 m的原始影像相近,但每分钟可多获取0.2 hm^(2) 地块的图像。多模态数据融合在一定程度上克服冠层饱和问题,相对于单一参数获得更高的生物量估测精度,拟合的决定系数为0.83,单一参数拟合的决定系数为0.095~0.750。在采用更高飞行高度条件下,结合超分辨率重建和多模态数据融合估算生物量的精度没有降低、反而略有提高,满足更高测量通量的需求,为解码基因型与表型关联的策略提供依据。

关键词：无人机遥感地上生物量玉米超分辨率重建多模态数据融合

基于无人机可见光与激光雷达的甜菜株高定量评估

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农业机械学报 2021年第3期52卷 178-184页

作者：王庆车荧璞柴宏红邵科李保国马韫韬中国农业大学土地科学与技术学院北京100193 内蒙古自治区生物技术研究院农业人工智能与作物表型工程研究中心呼和浩特010070

甜菜株高可用于估算根系生物量、指示水分胁迫,还可作为甜菜氮含量和产量的有效指示因子,是育种者和农田管理者评估大田甜菜生长状态的重要参数。本研究以186个不同基因型的大田甜菜为研究对象,探究无人机分别搭载可见光(RGB)相机与激... 详细信息

甜菜株高可用于估算根系生物量、指示水分胁迫,还可作为甜菜氮含量和产量的有效指示因子,是育种者和农田管理者评估大田甜菜生长状态的重要参数。本研究以186个不同基因型的大田甜菜为研究对象,探究无人机分别搭载可见光(RGB)相机与激光雷达(Li DAR)系统对大田作物株高估算的精度差异,并与田间测定值进行比较。结果表明,基于无人机Li DAR系统估算的株高与实测值的相关性高于无人机搭载RGB相机估测的相关性。进一步对点云进行分层分析,比较点云在冠层内分布的差异,结果表明,对于作物生长后期群体冠层封闭时,无人机Li DAR系统相较于无人机搭载RGB相机系统能重建更为完整的冠层三维结构。

关键词：无人机激光雷达甜菜株高三维点云冠层分布

基于三维模型评估全球变暗效应对水稻光合生产的影响

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中国科学：地球科学 2011年第3期41卷 386-393页

作者：郑邦友马韫韬李保国郭焱邓启云中国农业大学资源与环境学院植物-土壤相互作用教育部重点实验室北京100193 国家杂交水稻工程技术研究中心长沙410125

近几十年的观测证实到达地球表面的总辐射呈逐年下降的趋势(即"全球变暗"现象),伴随这一现象的是其散射辐射比例的增加.很多观测表明散射辐射比例增加能够显著提高植物光合生产能力,但其机理并不十分明确.本文采用三维建模方法,利用由... 详细信息

近几十年的观测证实到达地球表面的总辐射呈逐年下降的趋势(即"全球变暗"现象),伴随这一现象的是其散射辐射比例的增加.很多观测表明散射辐射比例增加能够显著提高植物光合生产能力,但其机理并不十分明确.本文采用三维建模方法,利用由田间原位测定的灌浆期水稻群体空间结构数据构建三维冠层模型,使用考虑了入射辐射几何特征的冠层三维光分布模型,模拟了冠层的光分布和光合生产潜力.结果表明,在入射总辐射一定范围内降低的情况下,水稻群体光合速率可因散射辐射比例增加而显著高于入射总辐射未降低时的值,其原因是散射辐射比例增加显著降低了群体中低于光补偿点的叶面积比例,同时显著提高了位于光响应曲线线性部分的叶面积比例.散射辐射比例的变化对冠层上部叶片的光强分布和光合速率有显著影响.基于三维模型进行模拟其计算量巨大,本文采用高性能计算系统以并行机制构建模型,很好地解决了这个问题.

关键词：散射辐射气候变化光合作用作物模拟高性能计算虚拟植物

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基于三维坐标数据的烟草植株叶曲线拟合研究

中国烟草学报 2015年第6期21卷 27-33页

作者：段涛侯彤瑜郭焱杨宇虹马韫韬徐照丽中国农业大学资源与环境学院北京100193 云南省烟草农业科学研究院昆明650021

为定量化描述烟草株型特征,构建准确的烟草叶曲线拟合方法。采用三维激光扫描技术获取了精确的烟株叶曲面结构数据,由此提取了表征叶片空间伸展特征的叶中脉曲线的空间坐标。对不同品种、不同生育期烟株的不同叶位叶曲线进行了提取。将... 详细信息

为定量化描述烟草株型特征,构建准确的烟草叶曲线拟合方法。采用三维激光扫描技术获取了精确的烟株叶曲面结构数据,由此提取了表征叶片空间伸展特征的叶中脉曲线的空间坐标。对不同品种、不同生育期烟株的不同叶位叶曲线进行了提取。将叶曲线三维空间坐标变换到二维平面,采用不同形式的圆锥曲线方程对其进行拟合。结果表明:对于叶尖无回勾现象的叶曲线,使用抛物线方程拟合能够满足要求且方程表达式简单、稳定性高;对于叶尖有回勾现象的叶曲线,采用抛物线和椭圆组合分段拟合能够得到很好的效果。该方法具有普遍适用性,可准确描述烟草叶曲线的形态特征。

关键词：叶曲线株型烟草三维数字化

氮水平对盆栽沙培番茄苗期根系三维构型与氮素利用的影响

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农业工程学报 2015年第23期31卷 131-137页

作者：朱晋宇惠放李苗马韫韬余宏军蒋卫杰中国农业科学院蔬菜花卉研究所北京100081 中国农业大学资源环境学院北京100193

为了研究施氮量对番茄苗期根系三维空间分布与氮素吸收利用的影响,以中杂109番茄幼苗为材料,采用沙培盆栽方式并设置3个氮素水平处理,利用^(15)N示踪法和三维数字化仪分别研究幼苗根际氮素吸收运转效率与根系三维构型。结果表明:施氮肥4... 详细信息

为了研究施氮量对番茄苗期根系三维空间分布与氮素吸收利用的影响,以中杂109番茄幼苗为材料,采用沙培盆栽方式并设置3个氮素水平处理,利用^(15)N示踪法和三维数字化仪分别研究幼苗根际氮素吸收运转效率与根系三维构型。结果表明:施氮肥4 mmol/L处理番茄幼苗根系总长、根表面积和根系分支密度分别高于20 mmol/L处理16.5%、17.5%和^(15).5%;4 mmol/L处理幼苗根系三维构型是半径窄而深度深,20 mmol/L处理根系三维构型是半径宽而深度浅,4 mmol/L根系的平均深度较20 mmol/L处理高30%、但半径宽度较20 mmol/L处理低8%,12 mmol/L处理下幼苗根系半径宽度与深度均匀分布;高氮浓度会提高根系^(15)N吸收率与分配率,各器官^(15)N分配率为叶>茎>根,说明根际氮素转运对叶的贡献率最大;12 mmol/L处理幼苗^(15)N转运量与氮素利用率最高分别为508.3 mg/株和8.9%,20 mmol/L处理较4 mmol/L处理^(15)N转运量高128 mg/株,但是氮素利用率却降低2%。研究表明苗期管理上可以适当降低施氮量,番茄幼苗会主动改变根系三维构型来提高氮素利用效率。

关键词：氮肥料栽培番茄幼苗根系构型 15N示踪