對比無人車(UGV)和無人機(UAV)表型系統(tǒng)評估甜菜褐斑病的病害等級

由甜菜尾孢菌引起的甜菜褐斑病是甜菜作物中最具破壞性的葉面疾病之一，會使甜菜的產(chǎn)糖率大幅減少，其爆發(fā)的嚴重與否依賴于天氣條件。在溫暖、多雨以及濕熱的條件下，真菌孢子會侵染葉片并造成許多毫米級別大小的褐色斑點。隨后，這些壞死的斑點會逐漸擴張并相互結(jié)合，最終導致葉片干枯脫落。盡管噴灑殺真菌劑能夠有效控制褐斑病的發(fā)展進程，但由于殺真菌劑對環(huán)境存在不利影響且價格高昂，過量噴灑還會導致真菌產(chǎn)生耐藥性，因此很有必要減少殺真菌劑使用量。

就品種選擇和精準農(nóng)業(yè)而言，褐斑病癥狀通常由專家目視評估，基于1級（健康冠層）到9級（冠層完全壞死）九個等級進行評估。由于準確度好、實施容易，目視評估常常作為標準評估方法。然而由于測量中的主觀性，目視評估可能會在不同專家之間以及不同評估次數(shù)上存在一些細微的差異。一個合適的病害等級評估方法應(yīng)足夠準確且能夠復現(xiàn)，目前已有一些其它的評估方法比目視評估更精確，但仍然是勞動密集型的，遠未達到進行常規(guī)褐斑病等級評估的高通量要求。

另外，使用傳感器測量可以對目視評估病害癥狀進行補充。例如最近愈發(fā)受到關(guān)注的光譜評估，使用反射率測量進行病害檢測的有效與否取決于相關(guān)光譜特征的識別，具體特征由所檢測的目標疾病決定�；�于圖像的疾病癥狀評估是基于光譜評估的有效替代方案，使用可見光圖像不但可以基于顏色識別壞死斑點，還可以在空間分辨率足夠精細的情況下表征出斑點的大小、形狀和數(shù)量，從而給病害分級提供關(guān)鍵信息。

為了搭載上述的傳感器，無人機(UAV)和無人車(UGV)之類的搭載平臺已能夠滿足育種學家的高通量要求。這兩種平臺都有其各自的優(yōu)缺點：無人機成本較低，通量很高，但對光照和風況不夠敏感；相反，無人車可以攜帶有源傳感器，使得傳感器的測量完全獨立于照明條件，但代價是較低的通量以及對土壤條件不敏感。

近日，Plant Phenomics在線發(fā)表了法國國家農(nóng)業(yè)食品與環(huán)境研究院(French National Institute for Agriculture, Food, and Environment (INRAE)) Sylvain Jay等人的題為Scoring Cercospora Leaf Spot on Sugar Beet: Comparison of UGV and UAV Phenotyping Systems的研究論文。

該論文對比使用了在被動照明條件下使用無人機平臺獲取的厘米級分辨率多光譜圖像，以及在主動照明條件下使用無人車平臺(Fig.3)獲取的亞毫米級分辨率可見光圖像(Fig.4)，在甜菜田間表型試驗中對褐斑病病害等級進行評估。文章詳細描述了試驗規(guī)劃(Fig.1, 2)、數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)估計方法，展示了數(shù)據(jù)分析的最終結(jié)果(Fig.5)，所采集的可見光圖像數(shù)據(jù)能夠很好地代表田間的實際情況，且所用方法在多數(shù)情況下與用于對照的目視評估結(jié)果有很好的符合度。

利用該文章所述方法，將有望完全取代人工進行高通量褐斑病病害等級評估，提高甜菜育種效率，并實現(xiàn)更加精準、高效的抗真菌劑施用。

Fig.1 Microplot experiments as observed from the UAV and conducted in 2016.

Fig.2 Sampling dates for visual scoring (green circles), UAV (orange squares), and Phenomobile UGV (purple diamonds) measurements, for 2016 (left) and 2017 (right).

Fig.3 The Phenomobile system: schematic diagram (a) and measurement head (b).

Fig.4 On the left, original RGB image acquired with the Phenomobile using the four flashes. On the right, results of image processing after SVM classification and morphological operations on the areas delimited in red on the original image.

Fig.5 Variability of Phenomobile-derived GF (left), SD (middle), and SS (right) per image (y-axis) versus their averages per microplot (x-axis).

論文鏈接
https://spj.sciencemag.org/journals/plantphenomics/2020/9452123/

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About Plant Phenomics
《植物表型組學》（Plant Phenomics）是由南京農(nóng)業(yè)大學和美國科學促進會（AAAS）合作創(chuàng)辦的英文學術(shù)期刊，于2019年1月正式上線發(fā)行，是Science合作出版的第二本期刊。采用開放獲取形式，刊載植物表型組學交叉學科熱點領(lǐng)域具有突破性科研進展的原創(chuàng)性研究論文、綜述、數(shù)據(jù)集和觀點。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(nóng)業(yè)實踐中的表型組學新應(yīng)用，與植物表型相結(jié)合的分子生物學、植物生理學、統(tǒng)計學、作物模型和其他組學研究，表型組學相關(guān)的植物生物學等。期刊已被CABI、CNKI和DOAJ數(shù)據(jù)庫收錄。

說明：本文由《植物表型組學》編輯部負責組稿。
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撰稿：王棟（實習）
編輯：周燦彧（實習）、鞠笑、孔敏
審核：尹歡