地面激光掃描儀(TLS)助力利用幾何學(xué)揭開蘋果樹結(jié)構(gòu)的三維奧秘

蘋果樹的結(jié)構(gòu)對其生長和結(jié)果潛力至關(guān)重要，是精確管理的基礎(chǔ)。傳統(tǒng)上，二維成像技術(shù)被用來描繪蘋果樹的建筑特征，但受到遮擋和視角模糊的影響，其準(zhǔn)確性受到挑戰(zhàn)。
 

2024年4月，Plant Phenomics 在線發(fā)表了美國康奈爾大學(xué)JIANG YU等人題為AppleQSM: Geometry-based 3D Characterization of Apple Tree Architecture in Orchards 的論文。該研究旨在利用地面激光掃描儀(TLS)收集的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，設(shè)計一種基于三維幾何的蘋果樹結(jié)構(gòu)分割和結(jié)構(gòu)特征表征處理管道，以克服這些限制。
 

AppleQSM的實(shí)驗(yàn)流程分為4個階段：數(shù)據(jù)采集和預(yù)處理、樹實(shí)例分割、樹結(jié)構(gòu)分割和架構(gòu)特征提取。首先，通過手動選擇感興趣區(qū)域（ROI），并利用CloudCompare中的SOR去噪處理原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)。然后，樹實(shí)例分割模塊將每棵樹分割為單個點(diǎn)云，樹結(jié)構(gòu)分割模塊進(jìn)一步處理每棵樹，分離樹干和分支以進(jìn)行特征提取。利用所建立的管道，對84株代表性蘋果品種進(jìn)行了樹高、樹干直徑、枝數(shù)、枝徑、枝角等建筑性狀的分析。
 

圖1 AppleQSM工作流程

圖2 主干和分支水平的建筑特征估計結(jié)果及定量性能評估。RLR線性回歸的魯棒性。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，所建立的管道樹高和樹干直徑的R2分別為0.92和0.83，平均絕對誤差（MAE）分別為6.1 cm和4.71 mm。在枝條水平上，其R2分別為0.77和0.69，枝條直徑和角度的MAE分別為6.8626 mm和7.48°。
 

這些架構(gòu)特征的準(zhǔn)確測量可以實(shí)現(xiàn)對高密度蘋果果園的精密管理，并加強(qiáng)育種計劃中的表型分析工作。此外，對3D處理管道的瓶頸進(jìn)行了全面分析，以揭示未來的發(fā)展方向。

論文鏈接：

https://doi.org/10.34133/plantphenomics.0179

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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)和美國科學(xué)促進(jìn)會（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)庫收錄�？祁Ｎò睯CR2022影響因子為6.5，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年入選中國科技期刊卓越行動計劃高起點(diǎn)新刊項(xiàng)目。

說明：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：許滸（南京農(nóng)業(yè)大學(xué)）

編輯：趙倩瑩（南京農(nóng)業(yè)大學(xué)）

審核：孔敏、王平