基于三维数字化的玉米株型参数提取方法研究.PDF

中国农业科学 2018,51(6):1034-1044 Scientia Agricultura Sinica doi: 10.3864/j.issn.0578-1752.2018.06.003 基于三维数字化的玉米株型参数提取方法研究 温维亮 1,2,3，郭新宇 1,2，赵春江 1,2,3，肖伯祥 1,2，王勇健 1,2 1 2 3 （北京农业信息技术研究中心，北京 100097 ； 数字植物北京市重点实验室，北京 100097 ； 北京工业大学计算机学院，北京 100124 ） 摘要：【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。 关键词：玉米；株型参数；三维数字化；植株方位平面 Research on Maize Plant Type Parameter Extraction by Using Three Dimensional Digitizing Data WEN WeiLiang1,2,3, GUO XinYu1,2, ZHAO ChunJiang1,2,3, XIAO BoXiang1,2, WANG YongJian1,2 1 2 ( Beijing Research Center for Information Technology in Agriculture, Beijing 100097 ; Beijing Key Laboratory of Digital Plant, Beijing 100097 ; 3College of Computer Science, Beijing University of Technology, Beijing 100124) Abstract: 【Objective 】Morphological parameters acquisition of maize plant is an important part for maize breeding research. Now, the mainly