水稻穗點(diǎn)云精確語義分割的高效表型工具助力實現(xiàn)作物表型參數(shù)自動化

Plant Phenomics | Panicle-3D：水稻穗點(diǎn)云精確語義分割的高效表型工具

稻穗表型參數(shù)自動化測量方法對品種具有重要意義。作物點(diǎn)云的自動分割和分類有助于有助于精確獲取水稻品種的稻穗長度體積、彎曲度、劍葉夾角、著粒分布特性等重要參數(shù)。傳統(tǒng)的掃描點(diǎn)云聚類方法可以實現(xiàn)對空間位置相對獨(dú)立的植物器官點(diǎn)云的分割，但精度不高，難以直接應(yīng)用于稻穗表型分析；基于通用點(diǎn)云語義識別的人工智能模型應(yīng)用于穗狀點(diǎn)云分割時，面臨大規(guī)模樣本困難、點(diǎn)云分布不均、莖穗互相遮擋、點(diǎn)云排列無序等挑戰(zhàn)，也無法實現(xiàn)稻穗點(diǎn)云的精細(xì)分析。

近日，Plant Phenomics在線發(fā)表了上海交通大學(xué)機(jī)械與動力工程學(xué)院機(jī)電與物流裝備研究所貢亮課題組題為Panicle-3D: Efficient phenotyping tool for precise semantic segmentation of rice panicle point cloud 的研究論文，提出了穗型分析的自動化裝置設(shè)計方法和穗型點(diǎn)云語義分析的專用網(wǎng)絡(luò)。
 

針對穗型研究缺乏自動化儀器問題，該研究首先設(shè)計了基于主動結(jié)構(gòu)光的桌面級三維點(diǎn)云掃描裝置，對水稻點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，經(jīng)過數(shù)據(jù)預(yù)處理和標(biāo)注，得到包含200個水稻點(diǎn)云的數(shù)據(jù)集。同時，除了對稻穗進(jìn)行原位掃描外，該裝置也支持對稻穗等作物器官進(jìn)行破壞性分解研究，從而獲得稻穗的更為細(xì)節(jié)的表型參數(shù)，例如莖的直徑、莖的長度、穗的長度、高度和寬度，主穗和小穗的幾何特征，以及幼苗在穗中的分布等。
 

針對傳統(tǒng)機(jī)器學(xué)習(xí)方法難以分割的植物點(diǎn)云，引入3D點(diǎn)云卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，并基于該架構(gòu)設(shè)計了多尺度點(diǎn)云特征分析算法Panicle-3D，實現(xiàn)了快速有效的點(diǎn)云分割。稻穗點(diǎn)云分割準(zhǔn)確率達(dá)到93.4%，IoU達(dá)到86.1%，均優(yōu)于經(jīng)典點(diǎn)云處理模型PointNet。
 

與傳統(tǒng)的表型參數(shù)測量方法相比，該研究提出的方法有助于實現(xiàn)作物表型參數(shù)的自動化，為功能遺傳分析和育種提供支持。

Figure 1The structure of the point cloud acquisition platform

Figure 6Structure of Panicle-3D

Figure 8The segmentation results

本研究得到了倫敦皇家自然知識促進(jìn)學(xué)會（CHL\R1\180496）和中國國家自然科學(xué)基金（No. 51775333）資助，特此感謝。

作者介紹

貢亮，上海交通大學(xué)機(jī)械與動力工程學(xué)院副教授，博士生導(dǎo)師，上海交通大學(xué)“晨星計劃”青年學(xué)者，現(xiàn)任上海市農(nóng)業(yè)工程學(xué)會設(shè)施專委會副主任。長期從事農(nóng)業(yè)機(jī)器人研究，在生物特征圖像識別、嵌入式智能計算、農(nóng)業(yè)機(jī)器人設(shè)計與控制等領(lǐng)域持有國家發(fā)明專利近50項，發(fā)表SCI論文60余篇，出版“十三五”國家重點(diǎn)規(guī)劃教材1部。近5年主持國家支撐計劃、“十三五”、“十四五”國家重點(diǎn)研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金、IEEE前沿科技研發(fā)、英特爾亞太戰(zhàn)略合作項目10余項。任Plant Phenomics期刊副主編、多個國際期刊編委。

論文鏈接

https://doi.org/10.34133/2021/9838929

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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。2021年中科院期刊分區(qū)表影響因子5.706，位于農(nóng)藝學(xué)、植物科學(xué)兩個小類一區(qū)，遙感小類二區(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)。

編輯：趙瑜涵（實習(xí)）

審核：孔敏、王平