田間植物表型成像系統(tǒng)（FieldPhenotypingImagingSystem）是用于獲取、分析和評(píng)估植物表型特征的高通量工具，能夠提供植物生長、發(fā)育、健康狀態(tài)等各方面的數(shù)據(jù)。表型成像系統(tǒng)通過采集大量的圖像數(shù)據(jù)，結(jié)合計(jì)算機(jī)視覺和圖像處理技術(shù)，幫助研究人員對植物進(jìn)行精準(zhǔn)的表型分析。
提取田間植物表型數(shù)據(jù)的方法通常包括圖像采集、數(shù)據(jù)預(yù)處理、特征提取和數(shù)據(jù)分析等幾個(gè)步驟。以下是田間植物表型成像系統(tǒng)中常見的提取方法。
1.圖像采集
首先，使用專用的成像設(shè)備來獲取田間植物的圖像數(shù)據(jù)。這些成像設(shè)備可以是：
可見光相機(jī)：用于拍攝植物的自然顏色和形態(tài)，常用于簡單的形態(tài)分析。
紅外相機(jī)：用于捕捉植物的熱特征，幫助評(píng)估植物的水分狀況、病蟲害等。
近紅外成像（NIR）：用于獲取植物葉片的水分含量、氮素水平等信息。
多光譜相機(jī)：通過不同波長的光譜圖像來評(píng)估植物的健康狀況、病害檢測等。
高光譜相機(jī)：提供更高精度的光譜信息，可以識(shí)別植物的更多生理特征，如葉片的化學(xué)成分、植物的生長狀態(tài)等。
激光掃描儀：用于獲取植物的三維結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)，幫助進(jìn)行植物體積、形狀等空間特征的分析。
2.數(shù)據(jù)預(yù)處理
獲取的原始圖像數(shù)據(jù)通常包含噪聲、不完整或不一致的部分，因此需要進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理。這些步驟有助于提高后續(xù)分析的準(zhǔn)確性：
去噪處理：使用濾波器（如中值濾波、高斯濾波等）去除圖像中的噪聲。
圖像增強(qiáng)：對圖像進(jìn)行增強(qiáng)處理，如對比度調(diào)整、銳化處理等，使圖像中的植物特征更加突出。
圖像校正：包括幾何校正、色彩校正等，確保圖像的空間和色彩信息準(zhǔn)確。
圖像分割：通過閾值化、邊緣檢測或深度學(xué)習(xí)等方法將植物與背景分開，以便后續(xù)的特征提取。
3.特征提取
特征提取是表型成像系統(tǒng)中的關(guān)鍵步驟，目的是從圖像中提取出與植物生長、健康相關(guān)的特征。這些特征包括但不限于：
3.1植物形態(tài)特征
植物高度：通過從圖像中測量植物的最大高度來評(píng)估其生長狀況。
葉面積：計(jì)算植物的葉片總面積，通常可以通過分割后的葉片區(qū)域來獲得。
根系形態(tài)：使用3D成像技術(shù)或X射線CT掃描來分析植物的根系結(jié)構(gòu)。
分枝數(shù)目：通過分析植物的分支結(jié)構(gòu)，評(píng)估植物的生長情況。
葉片形狀：分析葉片的長寬比、邊緣曲率、表面光滑度等。
3.2顏色特征
植物的顏色可以反映其生長狀況，尤其是營養(yǎng)和水分水平。常用的顏色特征包括：
葉綠素含量：通過計(jì)算綠色區(qū)域的亮度，推算植物葉片的葉綠素含量，進(jìn)而評(píng)估植物的光合作用能力。
植物健康指數(shù)：利用植物的RGB圖像計(jì)算植物健康指數(shù)（例如NDVI，歸一化植被指數(shù)）來判斷植物的健康狀況。
水分含量：通過近紅外和可見光圖像的差異，估算植物的水分狀況。
3.3三維結(jié)構(gòu)特征
植物體積和面積：利用3D成像技術(shù)（如激光掃描儀或立體視覺）計(jì)算植物的三維形狀，評(píng)估其空間結(jié)構(gòu)和生長狀態(tài)。
葉片的曲率和表面特征：通過三維掃描數(shù)據(jù)提取葉片的表面細(xì)節(jié)，評(píng)估其健康狀態(tài)。
3.4生長動(dòng)力學(xué)
生長速率：通過多次時(shí)間點(diǎn)的圖像數(shù)據(jù)，計(jì)算植物的生長速率、分支和葉面積增長等。
植株增重：結(jié)合外部測量（如植物重量）來驗(yàn)證和補(bǔ)充圖像數(shù)據(jù)，評(píng)估植物的生長狀態(tài)。
4.數(shù)據(jù)分析與建模
提取的特征數(shù)據(jù)需要通過數(shù)據(jù)分析與建模方法進(jìn)行深入分析，以得出有價(jià)值的生物學(xué)結(jié)論。
統(tǒng)計(jì)分析：通過數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)方法（如回歸分析、方差分析等），分析不同處理對植物生長的影響。
機(jī)器學(xué)習(xí)與深度學(xué)習(xí)：利用機(jī)器學(xué)習(xí)算法（如支持向量機(jī)、隨機(jī)森林、卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等）對植物的表型特征進(jìn)行分類、回歸分析或預(yù)測。
表型關(guān)聯(lián)分析：通過與遺傳信息的關(guān)聯(lián)分析，探索植物基因與表型之間的關(guān)系，揭示植物的生長機(jī)制。
5.常用的表型提取工具與軟件
OpenCV：一個(gè)強(qiáng)大的開源計(jì)算機(jī)視覺庫，廣泛用于圖像預(yù)處理、特征提取和分析。
ImageJ：一個(gè)開源的圖像處理軟件，常用于生物學(xué)圖像分析，支持多種插件。
MATLAB：提供強(qiáng)大的圖像處理和數(shù)據(jù)分析工具箱，適合進(jìn)行植物表型數(shù)據(jù)的處理與建模。
Phenovator：一種用于植物表型分析的軟件，能夠處理和分析田間實(shí)驗(yàn)中的植物圖像數(shù)據(jù)。
DeepLabCut：一個(gè)基于深度學(xué)習(xí)的運(yùn)動(dòng)追蹤工具，常用于植物生長與運(yùn)動(dòng)分析。
6.總結(jié)
田間植物表型成像系統(tǒng)的提取方法通過采集圖像數(shù)據(jù)并結(jié)合圖像處理和機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)，能夠提取植物的形態(tài)、顏色、三維結(jié)構(gòu)等多種特征，從而為植物生長狀態(tài)評(píng)估、遺傳研究、育種等提供重要的支持。隨著圖像處理技術(shù)和傳感器技術(shù)的不斷發(fā)展，表型成像系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和應(yīng)用范圍也在持續(xù)擴(kuò)大。
