基于骨架層次分割的油菜角果表型分析方法研究
油菜（Brassica napus L.）是世界上重要的油料作物之一，其產量和品質在很大程度上取決于角果的發育，即角果的表型是決定油菜產量的重要性狀。由于結莢期油菜植株結構復雜，具有復雜的莖稈分枝情況和密集的角果分布，使得油菜角果的分割識別以及表型性狀提取具有挑戰性，因此實現復雜植株油菜角果表型性狀的準確量化分析對產量預測和高產油菜品種選育具有重要意義。
2023年3月，Plant Phenomics在線發表了浙江大學岑海燕教授團隊題為Phenotyping of silique morphology in oilseed rape using skeletonization with hierarchical segmentation的研究論文。
本研究提出了一種基于骨架參差分割（SHS）的菜角果分割方法，結合植株點云與骨架模型的幾何信息實現完整油菜植株有效角果的準確分割，并實現角果表型性狀的量化分析。針對手持激光掃描儀獲取的高精度油菜完整植株點云數據，本研究先利用RANSAC擬合平面約束骨架檢索鄰域，迭代的提取骨架點; 并根據鄰域點的距離、角度、方向等信息，結合DBSCAN和WUG方法對骨架進行優化, 并實現油菜角果的一次粗分割；鑒于油菜角果長度正態分布的特性，采用骨架線長度的分布實現有效角果的二次分割。相比傳統方法，本研究方法不需要提供先驗知識經驗，具有非侵入性的特點，并且在一定程度上能減少遮擋對于角果分割識別的影響。
本研究參考育種專家經驗，根據油菜結莢區分枝結構與角果分布，將油菜植株分為以下三種株型：1、少分枝扇形（FBBS），具有單一主莖以及少量分枝，冠層為扇形；2、多分枝扇形（MBBS），植株結構類似FBBS，但是具有更多的分枝；3、多分支筒形（MBCS），具有較多的主莖，以及復雜的二級、三級分枝分布情況與密集的角果，冠層呈現為筒型。本研究算法對這三種不同株型的油菜植株均具有較好的分割識別效果，分割準確率分別為93.91%，90.27%以及83.81%，可視化結果如下圖1所示。在實現有效角果的準確分割下，本研究進一步估測了角果數量、總長度、總體積三種表型形狀，并與植株單株產量YOP（角果內種子干重之和）建立相關性模型。如圖2結果表明，單株角果數量、總長度與總體積均與產量具有較高的相關性，相關系數R分別為0.935，0.916以及0.897。上述結果表明本研究方法對于準確獲取復雜結構油菜植株的角果表型具有較好的適用性，可以用于估測并分析油菜植株產量。
圖1 不同株型油菜角果分割結果
圖2 油菜角果表型性狀與產量的相關性模
浙江大學生物系統工程與食品科學學院博士研究生麻志宏為該文第一作者，岑海燕教授為通訊作者。該研究得到國家重點研發計劃項目、中央高校基礎研究基金、浙江省重點研發計劃項目等資助。
論文鏈接：
https://doi.org/10.34133/plantphenomics.0027
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About Plant Phenomics
《植物表型組學》（Plant Phenomics）是由南京農業大學和美國科學促進會（AAAS）合作創辦的英文學術期刊，于2019年1月正式上線發行。采用開放獲取形式，刊載植物表型組學交叉學科熱點領域具有突破性科研進展的原創性研究論文、綜述、數據集和觀點。具體范圍涵蓋高通量表型分析的最新技術，基于圖像分析和機器學習的表型分析研究，提取表型信息的新算法，作物栽培、植物育種和農業實踐中的表型組學新應用，與植物表型相結合的分子生物學、植物生理學、統計學、作物模型和其他組學研究，表型組學相關的植物生物學等。期刊已被DOAJ、Scopus、PMC、EI和SCIE等數據庫收錄。科睿唯安JCR2021影響因子為6.961，位于農藝學、植物科學、遙感一區。中科院農藝學、植物科學一區、遙感二區、生物大類一區（TOP期刊）。2020年入選中國科技期刊卓越行動計劃高起點新刊項目。
說明：本文由《植物表型組學》編輯部負責組稿。
中文內容僅供參考，一切內容以英文原版為準。
撰稿：麻志宏（浙江大學）
排版：蘇梓鈺（南京農業大學）
審核：孔敏、王平
