Plant Phenomics | 基于無人機(jī)圖像和深度學(xué)習(xí)鑒定大豆對水澇脅迫的響應(yīng)

隨著氣候的變化，強(qiáng)降水事件愈發(fā)頻繁。據(jù)推算，十年后強(qiáng)降水事件的數(shù)量將會(huì)較如今增加30%，會(huì)有越來越多的耕地面臨強(qiáng)降水所帶來的洪澇災(zāi)害的威脅。水澇脅迫是全球第二大非生物脅迫，指土壤表面被水層覆蓋，可分為澇漬脅迫（只有根系處于厭氧條件下）和淹澇脅迫（所有的根系以及全部或部分枝干均被水淹沒）。在濕地作物（如水稻等）中經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)淹澇現(xiàn)象，而在旱地作物（如大豆和玉米等）中則經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)澇漬現(xiàn)象。水澇脅迫會(huì)抑制根芽生長、光合作用和養(yǎng)分吸收，導(dǎo)致大豆、水稻、小麥等作物的產(chǎn)量大幅減少，進(jìn)而帶來嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。

大豆是一種重要的豆類作物，因其較高的蛋白質(zhì)和油脂含量而廣泛用于食品及飼料、生物質(zhì)燃料及許多其它產(chǎn)品的生產(chǎn)中。然而，由于人口增長、氣候變化、土壤退化和污染等不利因素，可用的耕地面積正逐年減少，也使得大豆的生產(chǎn)力和種子質(zhì)量在面臨來自水澇災(zāi)害的威脅時(shí)越來越被動(dòng)。

在水澇災(zāi)害的影響下，大豆的穩(wěn)定生產(chǎn)可通過培育耐水澇品種來保障。在評(píng)估田間條件下大豆對水澇的耐受力時(shí)，傳統(tǒng)做法是目視評(píng)估水澇脅迫對枝條造成的損傷等級(jí)，目視評(píng)估法不僅勞動(dòng)密集，還容易受到主觀誤差的影響。

近日，Plant Phenomics 在線發(fā)表了題為Qualification of Soybean Responses to Flooding Stress Using UAV-Based Imagery and Deep Learning的研究論文。

隨著田間高通量表型技術(shù)的發(fā)展，高通量表型在測量作物性狀和檢測作物對生物或非生物性脅迫的響應(yīng)方面顯示出了巨大的潛力。在該文中，研究者使用基于不同飛行高度采集到的無人機(jī)圖像特征對水澇所引起的大豆損傷進(jìn)行了評(píng)估：航拍圖像是在同一天使用五波段多光譜和紅外熱成像儀分別在20、50和80米高度所拍攝，之后從這三個(gè)飛行高度的圖像序列中提取了冠層溫度、歸一化差分植被指數(shù)、冠層面積、冠層寬度、冠層長度(Figure 3)等五個(gè)圖像特征，并基于這些特征使用深度學(xué)習(xí)模型(Figure 4)將各育種地塊分為五個(gè)水澇損害等級(jí)(FIS，F(xiàn)igure 2)。論文結(jié)果表明，三種飛行高度采集的圖像特征的差異顯著，由20米高度處采集到的圖像特征所開發(fā)的模型的分類效果最佳，對損害等級(jí)評(píng)估的準(zhǔn)確率高達(dá)0.9(Figure 8)。該文所提出的方法在大豆育種方面很有前景，有望取代繁重的人工作業(yè)，更高效地評(píng)估水澇災(zāi)害等級(jí)。

Figure 2: Representative images of soybean plots of different flooding injury scores (FISs).

Figure 3: A stepwise procedure to remove the background of the multispectral images.

Figure 4: The architecture of the FNN model used toclassify the FISs.