P|P 基于无人机平台的田间作物表型数据提取和分析平台

文摘   2024-10-18 07:30   陕西  

随着传感器的小型化和成本的降低,作物生长数据的采集门槛显著降低,基于无人机的低空遥感技术在田间表型实验中展现出明显优势。然而,跨学科知识的要求及工作流程的复杂性严重阻碍了研究人员从多源和多时段的无人机图像中提取表型数据。为应对这些挑战,研究开发了集成高通量通用表型(IHUP)平台。

20245华中农业大学王博韬及合作者Plant Phenomics期刊发表题为IHUP: An Integrated High-Throughput Universal Phenotyping Software Platform to Accelerate Unmanned-Aerial-Vehicle-Based Field Plant Phenotypic Data Extraction and Analysis的文章,该研究开发了集成高通量通用表型(IHUP)平台,提供了一个用户友好的图形用户界面,并支持自定义或集成多种特征提取算法,显著降低了非专业用户的使用门槛。

具体研究内容如下:

1.平台功能模块
IHUP平台主要包含四个功能模块:预处理、数据提取、数据管理和数据分析。通过集成与自动化处理,该平台简化了需要复杂且跨学科知识的数据提取与分析过程。用户可以通过图形用户界面,以高通量方式计算图像特征信息、结构特征及植被指数。同时,平台允许根据不同作物的需求定制植被指数计算公式等提取方法。该研究通过水稻干旱相关案例详细讲解并展示了平台的表型分析和数据提取过程及其性能。结合水稻卷叶指数(LRS)预测模型,平台能够高效提取多期连续监测数据中的叶片卷叶指数、株高、植被指数(VIs)、鲜重及干重等性状。在该实例中,平台每分钟可从约500个小区中提取21个与干旱密切相关的表型参数。

1. IHUP平台功能模块设计,包含数据处理、数据提取、数据管理及建模分析

2.主界面
该平台设计了一个完整的图形用户界面,以实现数据预处理和特征提取等功能。内置了与RGB和多光谱相机相对应的常用植被指数计算方法。用户可以根据所使用相机的波段组合和研究需求,灵活更改并保存计算方法。此外,平台支持与用户现有的独立算法兼容,用户可以通过指定本地Python环境和计算脚本,将自主特征提取算法集成进来,系统会统一处理并整理输出结果。平台的主要界面如图2所示。

2. IHUP平台主要图形界面,A:数据浏览;B:自定义算法;C:数据批处理设置;D:结果分析

3.案例:水稻干旱表型监测

利用所开发的平台处理无人机获取的可见光影像及多光谱影像,以提取水稻卷叶指数,从而验证和展示平台的功能与计算性能。该案例实验于2018年在武汉市华中农业大学的试验田进行,试验共种植了78份抗旱水稻材料(分为3组重复)。在811日,对有损区域进行了生物量采集;而在829日至94日间,在无损田进行四次卷叶指数的人工评分,研究区域的概况见图3

3. 水稻干旱表型响应监测案例研究区概况

4.结果

本研究利用现有的水稻卷叶指数预测模型完成特征提取,水稻卷叶指数的预测精度为R²=0.7RMSE=0.87。此外,平台具备特征相关性分析、特征分布统计等功能,旨在辅助无人机表型数据在大田精细管理和育种决策中的应用。

4.水稻卷叶指数预测模型精度评价

5.水稻干旱表型响应试验案例数据分析报告, A,B:卷叶指数分布统计;C:水稻鲜重与株高建模;D:水稻干重与株高建模

5.总结与思考

1IHUP主要关注从田间正射影像提取和分析数据。如果研究目标或提取算法变化,需重复数据处理,但正射影像生成通常不再进行。

2IHUP没有集成正射影像拼接功能,但提供了Metashape的正射影像生成指南。

3IHUP不支持地块分割,因此需要手动创建ROI,这在处理大量地块时可能显得繁琐,开发能够直接读取ROI值的程序可能会提升表型数据提取的效率。


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