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大豆富含蛋白質(zhì)和脂肪，在我國(guó)種植歷史悠久，是我國(guó)重要的經(jīng)濟(jì)作物。成熟期大豆植株的表型特征對(duì)大豆育種研究有重要意義，而表型的人工考察存在成本高、效率低、誤差大等問(wèn)題。近年來(lái)，利用計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)實(shí)現(xiàn)大豆表型特征的自動(dòng)測(cè)量已成為表型研究中的熱點(diǎn)問(wèn)題。

(資料圖片僅供參考)

近日，長(zhǎng)江大學(xué)聯(lián)合中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物科學(xué)研究所在在線發(fā)表了題為的研究論文，建立了提取大豆植株表型的框架。

該研究針對(duì)成熟期大豆植株表型特征自動(dòng)測(cè)量易受豆莢遮擋、莖干彎曲、二級(jí)分枝等因素影響的問(wèn)題，以深度學(xué)習(xí)框架為基礎(chǔ)，提出了一套大豆成熟期表型自動(dòng)測(cè)量算法——SPP-extractor (soybean plant phenotype extractor)。該算法融合目標(biāo)檢測(cè)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型、語(yǔ)義分割神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型和定向搜索算法，自動(dòng)測(cè)量成熟期大豆植株中豆莢和莖的相關(guān)性狀。在研究中比較了人工測(cè)量和模型測(cè)量的豆莢個(gè)數(shù)、主莖長(zhǎng)度、分枝個(gè)數(shù)和分枝長(zhǎng)度表型數(shù)據(jù)，其判定系數(shù)分別0.93、0.99、0.98和0.98。表型提取全過(guò)程見圖1。分析結(jié)果表明，SPP-extractor自動(dòng)化的提取過(guò)程不需要人工干預(yù)，不需要先將豆莢從植株上取下，能正確處理主莖下彎和二級(jí)分枝的情況，降低了表型特征采集的人工成本，可以幫助育種家快速獲取成熟期大豆植株的表型。

圖1 莖相關(guān)表型提取過(guò)程的結(jié)構(gòu)圖

(A) 圖像疊加和主莖提取：(a) 原始圖像；(b) 二值化圖像；(c) 語(yǔ)義分割結(jié)果圖像；(d) 用于路徑搜索的復(fù)合圖像；(e) 注釋主莖圖像。(B) 彎曲頂部處理：(f) 初始不完整的主莖路徑；(g) 確定起點(diǎn)；(h) 獲取相關(guān)的莖區(qū)域；(i–l) 路徑擴(kuò)展過(guò)程；(m) 最終完整的主莖路徑。(C) 分枝識(shí)別和長(zhǎng)度計(jì)算：(n) 用于分枝識(shí)別的復(fù)合圖像；(o–s) 4個(gè)分枝的提取和測(cè)量效果。

圖2 表型性狀模型測(cè)量值與人工測(cè)量值的回歸分析（PNPP，全株莢數(shù)；PH，株高；EBN，有效分枝數(shù)；BL，分枝長(zhǎng)度）

圖3 豆莢識(shí)別效果對(duì)比

(A) 原圖。(B) YOLOv5s識(shí)別豆莢效果。(C) SPP-extractor識(shí)別豆莢效果。

作者和基金項(xiàng)目

長(zhǎng)江大學(xué)2021級(jí)碩士研究生周婉為該文第一作者，黃嵐副教授、王俊教授和中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物科學(xué)研究所邱麗娟研究員為共同通信作者。該研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（62276032和32072016）和中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)科技創(chuàng)新工程的資助。

THE CROP JOURNAL

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The Crop Journal(《作物學(xué)報(bào)（英文版）》)是中國(guó)科協(xié)主管，中國(guó)作物學(xué)會(huì)、中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物科學(xué)研究所和中國(guó)科技出版?zhèn)髅焦煞萦邢薰竟餐鬓k的學(xué)術(shù)期刊，創(chuàng)刊于2013年10月。辦刊宗旨為刊載作物科學(xué)相關(guān)領(lǐng)域最新成果，開展國(guó)際學(xué)術(shù)交流，促進(jìn)我國(guó)作物科學(xué)研究水平及國(guó)際影響力的提升。主要刊登農(nóng)作物遺傳育種、耕作栽培、生理生化、生態(tài)、種質(zhì)資源以及與農(nóng)作物有關(guān)的生物技術(shù)、生物數(shù)學(xué)、農(nóng)業(yè)氣象等領(lǐng)域以第一手資料撰寫的研究論文、研究簡(jiǎn)報(bào)以及專題綜述等。2022年The Crop Journal的SCI影響因子為6.6，在JCR農(nóng)學(xué)和植物學(xué)兩個(gè)學(xué)科位于Q1區(qū)，并位列中科院分區(qū)農(nóng)林類期刊一區(qū)。2019–2023年獲中國(guó)科技期刊卓越行動(dòng)計(jì)劃重點(diǎn)項(xiàng)目資助。

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學(xué)會(huì)簡(jiǎn)介

中國(guó)作物學(xué)會(huì)(The Crop Science Society of China)成立于1961年，是中國(guó)科學(xué)技術(shù)協(xié)會(huì)主管的全國(guó)學(xué)會(huì)，依托單位為中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物科學(xué)研究所。學(xué)科內(nèi)容涵蓋農(nóng)作物種質(zhì)資源、基因挖掘、品種培育、耕作栽培等領(lǐng)域瞄準(zhǔn)世界作物科技前沿的基礎(chǔ)與應(yīng)用研究，服務(wù)國(guó)家糧食安全和農(nóng)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展。業(yè)務(wù)范圍包括國(guó)際合作、學(xué)術(shù)交流、書刊編輯、專業(yè)展覽、科學(xué)普及、技術(shù)推廣、成果鑒定、科技獎(jiǎng)勵(lì)、標(biāo)準(zhǔn)制訂、業(yè)務(wù)培訓(xùn)、咨詢服務(wù)。經(jīng)過(guò)60年的風(fēng)雨滄桑，今天的中國(guó)作物學(xué)會(huì)擁有6個(gè)工作委員會(huì)、23個(gè)專業(yè)委員會(huì)，是聯(lián)系我國(guó)作物科技工作者的橋梁和紐帶。2021年入選中國(guó)科協(xié)“中國(guó)特色一流學(xué)會(huì)建設(shè)項(xiàng)目”。主辦期刊《作物學(xué)報(bào)》、THE CROP JOURNAL和《作物雜志》；作為第二主辦單位，聯(lián)合主辦《麥類作物學(xué)報(bào)》。 關(guān)注我們

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