基于高光谱图像的大麦苗期干旱胁迫检测方法研究
这是一篇关于高光谱数据,大麦,干旱胁迫,特征选择,二分类模型的论文, 主要内容为大麦是全球第五粮食作物,兼具食用、饲用和工业酿造用价值。对保障全球粮食安全和社会经济发展具有重要意义。利用包含多维光谱信息的高光谱光谱数据与大麦干旱响应之间的关系,可以快速、无损地鉴定大麦抗旱性,而特征选择是运用高光谱数据进行性状调查的前提。鉴于此,本研究利用Peg处理的大麦苗期叶片构建了一个干旱胁迫数据集,并对大麦叶片的高分辨率高光谱图像进行了分割,获取了其在图像的具体位置。基于卡方检验,采用弹性网法和极度随机树法进行了二次特征提取,得到了两个特征数据集。在此基础上比较了几种二分类模型在不同特征集上的表现。主要结果如下:1.根据Mask-Rcnn模型,标注了约300张图片,在coco数据集预训练的模型的基础上,进行了head层的训练。最终掩码(mask)的准确率为84.6%,在预测的图像上,仅有叶尖的小部分区域预测不准确。这证实了该方法具有较好的可迁移性。2.基于卡方检验,弹性网络法和极度随机树法对Mask-Rcnn模型分割得到的掩码数据进行了二次特征提取,得到了两个特征数据集,将光谱特征从462(392.34nm-1009.43nm)个波段减少到40个波段,实现了特征稀疏化。弹性网络法选择的波段大致区域为420nm、500nm、550nm、630nm、700nm、750nm,极度随机树法选择的波段大致区域为500nm、550nm、620nm、640nm、700nm、720nm。3.经过多个模型验证后,本文认为与进过极度随机树模型选择的数据集相比,经过弹性网络特征选择的特征集在逻辑回归(LR)、K-近邻(KNN)、随机森林(RF)、卷积神经网络(CNN)等模型上的测试结果更优秀。在弹性网络数据集下,KNN模型的表现最好,准度为96.02%,高斯模型表现较差,为77.67%;在极度随机森林树数据集下,KNN模型也取得了最佳准确度,为94.84%。同样高斯模型表现最差,为78.77%。KNN模型在这两个数据集表现了较大差异,为1.18%。在随后的推广验证中,KNN和CNN模型都发生了一定程度的过拟合,而CNN模型的表现更好。本研究基于大麦干旱胁迫后的高光谱信息,利用弹性网络法、极度随机树法进行特征选择,有效地降低了数据维度,提高了模型性能。研究筛选出与干旱胁迫相关的光谱特征波段,为快速检测大麦干旱胁迫响应表型信息提取提供了相应的依据,为作物干旱监测提供新线索和手段。本研究结果有助于开发基于高光谱技术的作物干旱监测系统,为农业灾害防治提供科学依据。
开花期与块茎膨大期干旱胁迫及旱后复水对马铃薯的影响研究
这是一篇关于马铃薯,干旱胁迫,旱后复水,生理特性,光合特性,生长及产量的论文, 主要内容为全球气候变化,导致干旱等农业气象灾害频繁发生。干旱严重影响作物的生长发育过程,制约着农业的生产与发展。研究干旱胁迫及干旱后复水对作物生理以及生长发育等方面的影响规律,对于揭示作物在干旱环境下的适应能力和抗旱机理有着重要的作用。本试验以马铃薯“尤金”为研究对象,在沈阳农业大学试验场进行马铃薯的控水试验。在马铃薯开花期和块茎膨大期,分别设置轻度干旱(开花期土壤相对湿度50%、块茎膨大期土壤相对湿度60%)、中度干旱(开花期土壤相对湿度40%、块茎膨大期土壤相对湿度50%)和重度干旱(开花期土壤相对湿度30%、块茎膨大期土壤相对湿度40%)以及对照(开花期土壤相对湿度70%、块茎膨大期土壤相对湿度80%)处理,并在干旱处理5d后进行复水,将土壤相对湿度控制到对照处理水平,利用田间试验所获得的数据,采用统计分析方法,研究干旱胁迫及旱后复水对马铃薯生理特性、光合特性、生长及产量的影响。研究主要结果如下:(1)在轻中度干旱胁迫下,开花期和块茎膨大期叶片的SOD和POD活性较对照显著升高;叶片渗透调节物质含量急剧上升,开花期中重度干旱胁迫下脯氨酸含量为CK的2.7倍,块茎膨大期重度干旱胁迫下脯氨酸含量为CK的2倍,开花期和块茎膨大期叶片的可溶性糖含量分别较对照升高33.9%-44.4%和17.8%-35.1%;干旱胁迫下,开花期叶绿素a和总叶绿素含量分别较对照降低12.8%-33.0%和14.0%-36.9%,块茎膨大期叶绿素a和总叶绿素含量分别较对照降低10.4%-15.2%和12.0%-14.7%。干旱持续5d后复水,两关键期叶片抗氧化酶活性、脯氨酸含量均显著降低,叶片可溶性糖含量变化不明显,叶绿素a含量和总叶绿素含量较干旱处理升高10%以上,旱后及时复水在一定程度上能够缓解干旱胁迫造成的伤害。(2)开花期遭遇干旱胁迫会使马铃薯叶片气孔导度和净光合速率较对照分别降低58.8%-82.5%和29.8%-64.9%,块茎膨大期叶片气孔导度和净光合速率较对照分别降低51.8%-82.5%和30.3%-67.1%,轻中度干旱胁迫下净光合速率下降由气孔因素主导,重度干旱胁迫下非气孔因素是造成马铃薯净光合速率下降的主要因素。叶片光系统II的光化学淬灭系数、光能转换率分别较对照降低26.8%-40.8%、15.7%-21.2%,非光化学淬灭系数呈现先升高后下降的趋势。开花期轻度干旱持续5d后复水,叶片净光合速率比干旱处理提高20%,但块茎膨大期中、重度干旱处理下净光合速率恢复的程度很小。(3)随着干旱胁迫程度加剧,各干旱处理下叶面积指数较对照降低了17.6%-50.3%,对各级干旱处理的马铃薯进行复水,开花期轻旱和中旱处理的叶面积指数在复水后能恢复17.7%-26.0%,块茎膨大期复水后各处理间叶面积指数差异不显著。叶面积指数降低导致植株截获光辐射能力显著下降,干物质积累量减少,干旱胁迫下,开花期和块茎膨大期马铃薯总干物质重较对照分别降低29.6%-49.6%和23.4%-51.4%,开花期各级干旱处理下的马铃薯产量,分别较对照处理减少1.0%-19.6%,而块茎膨大期各级干旱处理下的马铃薯产量,分别较对照减产8.6%-30.5%,说明块茎膨大期干旱造成的减产大于开花期。在重度干旱胁迫后复水,抗氧化酶活性仍低于对照水平,可溶性糖含量复水前后差异不显著,抗氧化系统和渗透调节物质均不足以弥补重旱带来的产量损失,导致马铃薯在块茎膨大期减产最为严重。
饲料油菜品种对田间干旱胁迫的响应及抗旱性评价
这是一篇关于饲料油菜,干旱胁迫,品种筛选,抗旱性评价的论文, 主要内容为为探究饲料油菜品种对不同干旱胁迫的响应及筛选抗旱种质,以‘华油杂62’、‘福油158’、‘陕油1617’、‘C11’为供试材料,开展双因素随机区组试验,设置4个水分处理,分别为正常水分处理(CK,灌溉量为4500m3·hm-2)、轻度干旱胁迫(D1,灌溉量为3500m3·hm-2)、中度干旱胁迫(D2,灌溉量为2500 m3·hm-2)、重度干旱胁迫(D3,灌溉量为1500 m3·hm-2),研究4个饲料油菜品种生长特性、光合生理、冠层结构、产量及品质对干旱胁迫的响应,研究结果显示:(1)干旱胁迫下,‘华油杂62’、‘陕油1617’、‘C11’的株高、茎粗均显著降低。随着干旱胁迫程度的加剧,4个饲料油菜品种的株高生长量、茎粗生长量、主茎叶数和各器官的干物质积累量均呈下降趋势。五叶期至苗期,适当的干旱胁迫可以促进饲料油菜根系生长,4个饲料油菜品种的主根长、主根粗、侧根数、根表面积均随着干旱胁迫的加剧呈先上升后下降趋势;蕾薹期至盛花期,干旱胁迫抑制饲料油菜根系生长,随着干旱胁迫的加剧呈下降趋势。(2)干旱胁迫下,4个饲料油菜的净光合速率、气孔导度、蒸腾速率日变化曲线均呈双峰型,峰值出现在14:00和18:00,谷值出现在16:00;胞间CO2浓度的日变化曲线呈“W”曲线,‘华油杂62’在D2、D3处理下的胞间CO2浓度的日变化曲线在12:00和18:00达到谷值,‘福油158’、‘陕油1617’、‘C11’的胞间CO2浓度日变化曲线均在14:00和18:00达到谷值,16:00出现峰值。4个饲料油菜品种的净光合速率、气孔导度、蒸腾速率随着干旱胁迫的加剧呈下降趋势,胞间CO2浓度总体上低于CK,且随着干旱胁迫的加剧呈先下降后上升趋势。春播时,‘C11’在D3处理下的全生育期平均净光合速率为26.3 7μmol·m-2·s-1、平均气孔导度为0.37mol·m-2·s-1、平均蒸腾速率为8.49μmol·m-2·s-1、平均胞间CO2浓度为233.51μmol·mol-1;夏播时,‘福油158’在D3处理下的全生育期平均净光合速率为31.80μmol·m-2·s-1、平均气孔导度为0.52mol·m-2·s-1、平均蒸腾速率为10.76μmol·m-2·s-1、平均胞间CO2浓度为218.55μmol·mol-1。(3)4个饲料油菜品种的下、中、上部的无截取散射均随着生育期的推进而逐渐下降,下部叶面积指数随着生育期的推进总体呈上升趋势,五叶期至苗期增长幅度最大。中部和上部的叶面积指数总体上在不同干旱胁迫条件下,呈现高-低-高的趋势,且叶面积指数表现为:下部>中部>上部。随着干旱胁迫的加剧,下部、中部、上部的叶面积指数均呈下降趋势,下、中、上部无截取散射呈现上升趋势。(4)干旱胁迫对不同品种饲料油菜的产量及品质产生影响。4个饲料油菜品种的产量、粗纤维、粗蛋白、粗脂肪均随着干旱胁迫的加剧呈下降趋势,‘华油杂62’的产量、粗纤维、粗蛋白、粗脂肪分别下降 18.25%～47.84%、2.51%～8.00%、4.24%～18.92%、10.23%～27.04%;‘福油 158’的产量、粗纤维、粗蛋白、粗脂肪分别下降5.14%～43.52%、2.18%～6.28%、4.02%～20.02%、9.10%～26.62%;‘陕油1617’的产量、粗纤维、粗蛋白、粗脂肪分别下降28.45%～40.52%、2.71%～6.49%、2.44%～20.40%、5.95%～22.56%;‘C11’的产量、粗纤维、粗蛋白、粗脂肪分别下降16.7%～50.44%、1.86%～5.35%、4.36%～20.34%、8.76%～24.44%。相关性分析表明,4个饲料油菜品种的茎粗、根冠比、主根长、主根粗、DIFN上部、DIFN中部、DIFN下部与灌水量呈负相关,其余指标与灌水量呈正相关;粗蛋白与灌水量呈极显著正相关且相关系数最大,说明干旱对4个饲料油菜品种的品质影响最大。(5)运用主成分分析法对饲料油菜抗旱相关的生长、光合、冠层、产量和品质等26项指标进行归纳,春播时,将26个指标归纳为7个主成分,累计贡献率为81.355%,4个饲料油菜品种中‘C11’的综合抗旱性最强;夏播时,将26个指标归纳为6个主成分,累计贡献率为79.019%,4份饲料油菜材料中‘福油158’的综合抗旱性最强。茎粗、茎粗生长量、根干重、根冠比、主茎叶数、侧根数、产量、上部光截取散射、粗纤维、粗蛋白、粗脂肪可作为饲料油菜抗旱性评价的指标。综上所述,在干旱胁迫条件下,‘C11’适合春播,‘福油158’适合夏播。茎粗、茎粗生长量、根干重、根冠比、主茎叶数、侧根数、产量、上部光截取散射、粗纤维、粗蛋白、粗脂肪可作为饲料油菜抗旱性评价的指标,可为南疆地区的饲料油菜抗旱种质筛选及节水栽培提供理论依据及技术支撑。
盆栽小麦图像分析和抗旱表型数字化提取技术研究
这是一篇关于小麦,干旱胁迫,图像处理,深度学习,GWAS的论文, 主要内容为在干旱条件下培育高产、稳产、优质的小麦品种是目前急需解决的重要难题。小麦抗旱育种传统方法是依靠育种家调查小麦农艺性状后进行选育,存在主观性强、准确率低、耗费人力物力的问题。鉴于传统育种方法的局限性,一种高效、准确鉴定小麦植株的耐旱性,挖掘耐旱基因的新方法急需开发。因此,本研究基于计算机视觉技术,使用图像特征参数替代人工测量的方法进行小麦抗旱选种,同时利用图像特征参数进行全基因组关联分析挖掘小麦抗旱候选基因,为小麦抗旱育种遗传改良提供宝贵的种质资源。本研究的主要内容为:选取200份小麦种质组成的自然群体,采用盆栽法种植小麦,试验设置干旱组和对照组,每个组别设置三个生物学重复,保持干旱组的土壤含水量为15%-20%,对照组土壤含水量为25%-30%,直到完全收获;试验期间于成熟期人工统计小麦株高、分蘖数等20个农艺性状,计算农艺性状的平均值作为人工农艺性状的表型值;使用高通量表型采集系统采集盆栽小麦全生育期侧视图图像,计算盆栽小麦整株及麦穗图像特征参数;使用SE-Res Net50网络对盆栽小麦进行抗旱分级工作;基于图像特征参数结合重测序数据进行全基因组关联分析,挖掘小麦抗旱基因。主要研究结果如下:(1)小麦人工农艺性状结果。本研究中获取的20个农艺性状及抗旱系数表型数据均符合连续性正态分布,对照组和干旱组下的表型变异情况如下:单株粒数(KNP)(对照组27.02%,干旱组50.84%)、单株可育小穗数(FSPP)的变异系数(对照组27.29%,干旱组48.83%)、可育小穗数(FSP)(对照组15.41%,干旱组31.55%)、每穗粒数(KN)(对照组25.04%,干旱组40.47%),以上性状在不同处理组下变异程度较高,表明干旱条件下KNP、FSPP、FSP和KN表型变异幅度明显;抗旱系数的变异系数较大的性状分别是单株不育小穗数(SSPP,74.83%)、单株产量(GY,61.71%)和不育小穗数(SSP,50.84%),干旱条件下,上述农艺性状影响了小麦的最终产量。(2)基于图像特征参数的产量与生物量回归分析。基于图像分割算法和深度学习算法分割小麦植株和麦穗,使用盆栽小麦全生育期侧视图RGB图像数据,计算小麦整株和麦穗的图像特征参数,并对其进行分析。结果表明,仅使用总投影面积TPA预测产量和生物量时,相关性R2达到0.787(生物量)和0.670(产量),使用全部图像特征参数预测产量和生物量相关性R2达到0.788(生物量)和0.716(产量)。基于预测产量与生物量计算抗旱系数,生物量和产量的抗旱系数预测结果R2达到0.7212(生物量)和0.6788(产量)。结果表明,本研究所使用的图像特征参数可以在小麦生长早期较好地预测其生物量与产量和抗旱系数,将早期预测结果作为小麦抗旱筛选和鉴定的参考,为小麦抗旱选种提供一种高效的新方法。(3)小麦抗旱分级研究。基于深度学习分类网络,使用小麦起身-拔节期-孕穗期的侧视图RGB图像进行抗旱分级工作。使用7011张小麦侧视图RGB图像作为数据集,将抗旱分级分为1-5级,对盆栽小麦进行抗旱分级和预测。结果表明,融合注意力机制的SE-Res Net50模型对小麦抗旱分级任务的效果最优,在测试集上精度达到98.3%,将获得模型预测结果与人工统计的农艺性状相结合,提出抗旱系数均值(MV＿DR),基于MV＿DR可以提高小麦抗旱品种的识别率。(4)基于图像特征参数的全基因组关联分析研究。本研究对200份小麦自然群体的图像特征参数进行提取,对获得的图像特征参数进行了小麦全基因组关联分析(GWAS),共鉴定到1320个与干旱显著关联的SNPs,其中TPA、YPA、YTR、MU3＿TEX和M＿TEX的图像特征参数上发现51个与干旱显著关联的SNPs已被报道,分析结果表明本研究所获取的图中特征参数不仅可以定位到与已报道的小麦相关的SNPs,还可以高效地挖掘新的SNPs,为小麦抗旱遗传改良提供宝贵的基因资源。
基于CMOS相机的植物叶绿素荧光成像系统开发与应用
这是一篇关于叶绿素荧光,调制式,成像,CMOS相机,水果黄瓜,干旱胁迫的论文, 主要内容为叶绿素荧光被誉为植物无损检测的探针,与植物的光合作用密切相关,因此叶绿素荧光检测技术是监测植物生长状况、生理信息的重要手段。但目前叶绿素荧光检测技术由于光源和荧光采集传感器的限制,导致叶绿素荧光检测大多为点测量或局限于单片叶片的面测量,存在一定误差概率;而用于大面积叶绿素荧光测量的设备价格昂贵,无法用于实际生产。针对以上问题,本文根据叶绿素荧光激发和采集波段,开发了基于CMOS相机的调制式叶绿素荧光成像系统,并对黄瓜干旱胁迫的分类进行研究。本文的主要研究内容和结果有以下几个部分:(1)调制式叶绿素荧光成像系统光源设计针对目前叶绿素荧光成像系统由于光源照射面积小带来的检测区域小的问题,设计了脉冲宽度调制式(PWM)的叶绿素荧光成像系统激发光光源。通过Light Tools光学仿真软件确定光源功率,并使用评价函数确定LED光源空间坐标对应的安装角度和匀光棒结构的尺寸,进一步提升了光照区域的照度均匀;使用PWM控制光源发出不同强度的激发光。经过仪器实际测量发现:系统测量光强度为1μmol/8)/、光化光强度为890μmol/8)/和饱和脉冲光为6277μmol/8)/,达到了调制式叶绿素荧光激发光的要求,同时系统250mm×250mm检测区域内的光照均匀性约为91.8%,实现了大面积高光强的均匀照明。(2)基于CMOS相机的叶绿素荧光成像系统设计针对目前叶绿素荧光检测系统测量面积小且成本高的问题,使用成本与噪声低的制冷型CMOS相机搭建了植物的叶绿素荧光成像系统,并对系统脉冲同步时序进行开发。为了解决CMOS相机与LED测量光同步的问题,设计了基于嵌入式系统的CMOS相机的外触发脉冲时序,同时结合光耦隔离电路实现了输入输出信号的电气隔离,有效提高了系统的抗干扰能力。对主控单元输出的脉冲时序进行了验证,结果表明,主控单元实现了CMOS相机外触发脉冲时序和LED脉冲时序的同步,保证了检测过程中叶绿素荧光图像的准确采集。(3)叶绿素荧光成像系统数据分析软件开发开发了叶绿素荧光成像系统的数据分析软件,利用UART串口通信实现了叶绿素荧光检测系统成像参数的设置;使用OTSU图像分割算法和Open CV2库函数对系统采集的叶绿素荧光图像进行分割计算,得到叶绿素荧光参数值和常用的叶绿素荧光灰度图像;通过PYQT图像界面开发技术将伪彩色成像结果可视化显示,实现了叶绿素荧光成像系统检测控制、数据处理和数据结果可视化显示的集成化管理。通过与IMAGING-PAM对比结果表明,系统可以实现对植物叶绿素荧光、、/、F、′和Y II等生理参数的检测。(4)基于叶绿素荧光参数和图像的黄瓜干旱胁迫研究以黄瓜为实验材料,使用本系统对不同灌溉条件下黄瓜叶片叶绿素荧光进行成像检测,筛选了适合的叶绿素荧光特征参数进行黄瓜的干旱胁迫诊断。通过研究黄瓜不同干旱胁迫程度下叶绿素荧光图像的荧光分布和参数值变化趋势,构建基于极端梯度提升算法、径向基神经网络算法和随机森林分类算法的干旱胁迫程度分类模型,筛选出极端梯度提升算法作为干旱胁迫诊断模型,实验结果表明,所构建的模型能够对黄瓜不同干旱程度准确分类诊断。
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