表型技术在林木育种和精确林业上的应用
发布时间：2022-01-01 21:52
缺乏有效的表型采集与分析能力已成为林木育种研究领域的瓶颈,其关键难点是生成准确的表型数据,以便正确解释获得的结果。在精确林业中面临的核心挑战是实现自动化、大范围、快速实时的表型性状分析。长久以来,林木遗传育种和精确林业监测要花费大量的人力收集常规表型数据,传统的表型研究方法具有效率低、维度低、通量低、精度低、劳动量大、主观性强等缺点,无法满足挖掘"基因型—表型—环境型"内在关联、揭示特定生物性状形成机制的科研需求。因此,亟需在林业上发展并应用非破坏式、自动化、高通量、高精度的表型监测技术。现代表型技术使用搭载多种类型成像传感器的系统,自动收集林木形态结构和生理生化等大量表型数据,实现对大批量林木个体的生长监测。另外,无损测量的特点使对同一林木个体进行连续监测得以实现,从而获取林木生长相关的表型性状,如在胁迫研究中,表型技术能明晰林木对胁迫的响应模式及其对胁迫的抗性。利用新型传感器技术对遗传测定群体进行准确、高通量、无损式、快速高效的表型信息采集,对于加快林木遗传改良进程、实施精确林业战略、挖掘优良种质、提高森林质量和抗逆能力至关重要。本文回顾林木表型技术的发展,介绍了基于个体和基于林分...
【文章来源】：林业科学. 2020,56(06)北大核心EICSCD
【文章页数】：14 页
【部分图文】：
用于树木表型分析的超高密度无人机激光雷达图像
从激光雷达图像中提取的树高和胸径等表型指标
可见光相机克服了人工识别的主观性强、分辨率低、精度差、持续性短等缺陷，可以快速、自动化、无创地获取树木的几何三维信息，重建植物冠层，进行估测、分类等(Milella et al.,2019)。美国明尼苏达大学开发的系统可利用可见光相机多个视角(通常是多个侧视图和俯视图的组合)来提取植物形态结构和颜色信息(图3)，从而判断其地上生物量和叶面积。针对表型的林木形态测量是一项基本的劳动密集型活动，利用RGB可见光相机可以有效提升工作效率，基于RGB可见光相机构建形态学参数估计的视觉系统，从林木个体的两侧分别重建其三维模型，并精确融合树干和局部地面信息，利用运动中恢复结构(structure from motion,SFM)的方法获取树木三维信息，由此得到树木的形态空间信息。在利用RGB可见光相机对一行树木进行图像采集后，进行图像处理时构建圆柱体对单株树木进行包围，圆柱体的半径为树干到剖切面的距离。由于树冠并非是相对树干完全对称的，因此，俯视图中，每株树都由边界框和2个直径不相同的半圆柱体组成，然后通过移除图像噪点来封闭单树的所有3D点云对每株树进行自动分割，最终得出树高、冠层体积和树干直径等表型参数(图4)(Dong et al.,2018)。采用双可见光相机可以对实生树苗的早期生长速度评价(图5)。定期采集2种阔叶树(欧洲水青冈Fagus sylvatica、刺叶栎Quercus ilex)和2种针叶树(欧洲云杉Picea abies、欧洲赤松Pinus sylvestris)的RGB立体图像，并对这些图像的颜色饱和值进行对比分析，利用立体成像系统对于反射光的连续分析能够计算树木幼苗高度的增量，利用俯视采集到的树叶的绿色覆盖率对反射光的分析能够计算树木幼苗叶片的总面积和绿色度百分比。将这些参数与破坏性生物量测量值进行比较，结果表明，高度性状可用于评价针叶树的幼苗生长，而绿色度百分比可用于评价阔叶树的幼苗生长。尽管需要根据树木类型、生长阶段和光照条件进行调整，但这种新型的、廉价的、快速的、非破坏式的和可持续的表型分析方法可以用于研究由于基因组变异及与环境因素相互作用而产生的大规模表型变异(Montagnoli et al.,2016)。
【参考文献】：
期刊论文
[1]植物表型平台与图像分析技术研究进展与展望[J]. 张慧春,周宏平,郑加强,葛玉峰,李杨先. 农业机械学报. 2020(03)
[2]基于光学相机的植物表型测量系统与时序生长模型研究[J]. 张慧春,王国苏,边黎明,郑加强,周宏平. 农业机械学报. 2019(10)
[3]植物表型组学大数据及其研究进展[J]. 赵春江. 农业大数据学报. 2019(02)
[4]濒危植物格木天然种群的表型多样性及变异[J]. 李洪果,陈达镇,许靖诗,刘光金,庞晓东,叶金辉,莫小文,谌红辉. 林业科学. 2019(04)
[5]表观遗传调控植物响应非生物胁迫的研究进展[J]. 杜康兮,沈文辉,董爱武. 植物学报. 2018(05)
[6]基于多目视觉的马尾松苗木形态学参数提取研究[J]. 倪超,张云,高捍东,李华赛,汪学良. 林业工程学报. 2018(02)
[7]茶树水分胁迫建模及试验[J]. 孙道宗,王卫星,唐劲驰,姜晟. 排灌机械工程学报. 2017(01)
[8]大巴山区核桃实生居群的坚果表型和遗传多样性[J]. 徐永杰,韩华柏,王滑,陈凌娜,马庆国,裴东. 林业科学. 2016(05)
[9]海南岛青梅天然居群表型变异[J]. 尚帅斌,郭俊杰,王春胜,赵志刚,曾杰. 林业科学. 2015(02)
[10]木荷天然林分个体类型及材性性状变异[J]. 王秀花,马雪红,金国庆,陈柳英,周志春. 林业科学. 2011(03)
本文编号：3562909
【文章来源】：林业科学. 2020,56(06)北大核心EICSCD
【文章页数】：14 页
【部分图文】：
用于树木表型分析的超高密度无人机激光雷达图像
从激光雷达图像中提取的树高和胸径等表型指标
可见光相机克服了人工识别的主观性强、分辨率低、精度差、持续性短等缺陷，可以快速、自动化、无创地获取树木的几何三维信息，重建植物冠层，进行估测、分类等(Milella et al.,2019)。美国明尼苏达大学开发的系统可利用可见光相机多个视角(通常是多个侧视图和俯视图的组合)来提取植物形态结构和颜色信息(图3)，从而判断其地上生物量和叶面积。针对表型的林木形态测量是一项基本的劳动密集型活动，利用RGB可见光相机可以有效提升工作效率，基于RGB可见光相机构建形态学参数估计的视觉系统，从林木个体的两侧分别重建其三维模型，并精确融合树干和局部地面信息，利用运动中恢复结构(structure from motion,SFM)的方法获取树木三维信息，由此得到树木的形态空间信息。在利用RGB可见光相机对一行树木进行图像采集后，进行图像处理时构建圆柱体对单株树木进行包围，圆柱体的半径为树干到剖切面的距离。由于树冠并非是相对树干完全对称的，因此，俯视图中，每株树都由边界框和2个直径不相同的半圆柱体组成，然后通过移除图像噪点来封闭单树的所有3D点云对每株树进行自动分割，最终得出树高、冠层体积和树干直径等表型参数(图4)(Dong et al.,2018)。采用双可见光相机可以对实生树苗的早期生长速度评价(图5)。定期采集2种阔叶树(欧洲水青冈Fagus sylvatica、刺叶栎Quercus ilex)和2种针叶树(欧洲云杉Picea abies、欧洲赤松Pinus sylvestris)的RGB立体图像，并对这些图像的颜色饱和值进行对比分析，利用立体成像系统对于反射光的连续分析能够计算树木幼苗高度的增量，利用俯视采集到的树叶的绿色覆盖率对反射光的分析能够计算树木幼苗叶片的总面积和绿色度百分比。将这些参数与破坏性生物量测量值进行比较，结果表明，高度性状可用于评价针叶树的幼苗生长，而绿色度百分比可用于评价阔叶树的幼苗生长。尽管需要根据树木类型、生长阶段和光照条件进行调整，但这种新型的、廉价的、快速的、非破坏式的和可持续的表型分析方法可以用于研究由于基因组变异及与环境因素相互作用而产生的大规模表型变异(Montagnoli et al.,2016)。
【参考文献】：
期刊论文
[1]植物表型平台与图像分析技术研究进展与展望[J]. 张慧春,周宏平,郑加强,葛玉峰,李杨先. 农业机械学报. 2020(03)
[2]基于光学相机的植物表型测量系统与时序生长模型研究[J]. 张慧春,王国苏,边黎明,郑加强,周宏平. 农业机械学报. 2019(10)
[3]植物表型组学大数据及其研究进展[J]. 赵春江. 农业大数据学报. 2019(02)
[4]濒危植物格木天然种群的表型多样性及变异[J]. 李洪果,陈达镇,许靖诗,刘光金,庞晓东,叶金辉,莫小文,谌红辉. 林业科学. 2019(04)
[5]表观遗传调控植物响应非生物胁迫的研究进展[J]. 杜康兮,沈文辉,董爱武. 植物学报. 2018(05)
[6]基于多目视觉的马尾松苗木形态学参数提取研究[J]. 倪超,张云,高捍东,李华赛,汪学良. 林业工程学报. 2018(02)
[7]茶树水分胁迫建模及试验[J]. 孙道宗,王卫星,唐劲驰,姜晟. 排灌机械工程学报. 2017(01)
[8]大巴山区核桃实生居群的坚果表型和遗传多样性[J]. 徐永杰,韩华柏,王滑,陈凌娜,马庆国,裴东. 林业科学. 2016(05)
[9]海南岛青梅天然居群表型变异[J]. 尚帅斌,郭俊杰,王春胜,赵志刚,曾杰. 林业科学. 2015(02)
[10]木荷天然林分个体类型及材性性状变异[J]. 王秀花,马雪红,金国庆,陈柳英,周志春. 林业科学. 2011(03)
本文编号：3562909
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