中国农业科学 ›› 2025, Vol. 58 ›› Issue (9): 1719-1734.doi: 10.3864/j.issn.0578-1752.2025.09.004
王爱冬1(), 李瑞杰1,2(
), 冯向前1,2, 洪卫源1, 李子秋1, 张晓果1, 王丹英1, 陈松1(
)
收稿日期:
2024-09-30
接受日期:
2024-12-29
出版日期:
2025-05-08
发布日期:
2025-05-08
通信作者:
联系方式:
王爱冬,E-mail:wangaidongjy@163.com。李瑞杰,E-mail:2023710776@yangtzeu.edu.cn。王爱冬和李瑞杰为同等贡献作者。
基金资助:
WANG AiDong1(), LI RuiJie1,2(
), FENG XiangQian1,2, HONG WeiYuan1, LI ZiQiu1, ZHANG XiaoGuo1, WANG DanYing1, CHEN Song1(
)
Received:
2024-09-30
Accepted:
2024-12-29
Published:
2025-05-08
Online:
2025-05-08
摘要:
【目的】 水稻叶面积是反映其光合效率、能量转化和干物质积累能力的重要生理指标,开发简单而高效的水稻叶面积拍摄体系和预测方法,为快速且精确地测定叶面积提供理论基础和技术支持。【方法】 以籼稻、粳稻及籼粳杂交稻代表性品种秀水134、黄华占和甬优1540为供试材料,在水稻生长关键时期采集地上部叶片面积的同时,分别拍摄俯拍和侧拍图像。基于PlantScreen高通量模块化植物表型组平台,提取形态学和色彩特征信息。在此基础上,利用不同特征筛选方法(Pearson相关系数、最大信息系数MIC和递归特征消除RFE),结合机器学习模型(支持向量回归SVR、随机森林回归RFR和XGBoost)和深度学习模型(ResNet50、AlexNet、VGG和SeNet),建立简易高效的图像采集体系与水稻叶面积预测模型。【结果】 (1)结合俯拍与侧拍多角度图像的拍摄模式在LA预测中表现优异,其预测能力(R 2=0.76—0.82,CV=5.5%—13.7%)显著优于单一视角图像的方法(R 2=0.51—0.78,CV=9.7%—27.5%),其中一张俯拍与一张侧拍的拍照系统综合效果最优(R 2=0.79,RMSE=95.3,MAE=77.02,CV=6.5%);(2)利用最大信息系数(MIC)算法进行关键特征筛选,结合随机森林回归模型分析结果,MIC-RFR模型表现出色(R 2=0.84,RMSE=81.8,MAE=63.3),明显优于其他机器学习模型。深度学习模型SeNet(R 2=0.80,RMSE=98.1,MAE=74.7)优于传统的ResNet50和AlexNet模型,但与MIC-RFR模型相比无显著优势。(3)特征分析表明,侧拍图像中的投影面积、株高和俯拍图像中的叶周长、绿黄色特征对叶面积预测贡献显著。其中,侧拍投影面积的贡献(+117.4)远大于其他特征(1.48—18.87)。【结论】 使用简洁高效的叶面积预测拍摄体系(一张俯拍结合一张侧拍图像),结合MIC-RFR模型,可以满足单株水稻叶面积的高精度、稳定预测需求。该方法可为精准农业和作物育种提供有力的工具和技术支持。
王爱冬, 李瑞杰, 冯向前, 洪卫源, 李子秋, 张晓果, 王丹英, 陈松. 基于多角度成像与机器学习的水稻叶面积精确估算[J]. 中国农业科学, 2025, 58(9): 1719-1734.
WANG AiDong, LI RuiJie, FENG XiangQian, HONG WeiYuan, LI ZiQiu, ZHANG XiaoGuo, WANG DanYing, CHEN Song. Multi-Angle Imaging and Machine Learning Approaches for Accurate Rice Leaf Area Estimation[J]. Scientia Agricultura Sinica, 2025, 58(9): 1719-1734.
图1
研究区域示意图 a:研究地概况 The overview of the study area;b:测量区示意图 The measurement zone;c:俯拍和侧拍图像展示 Displays images taken from both nadir and oblique perspectives。RGB1为俯拍相机,RGB2为4个角度侧拍相机,分别获取0°,90°,180°和270°多角度叶片图片 RGB1 represents the nadir camera, and RGB2 represents the four oblique cameras capturing multi-angle leaf images at 0°, 90°, 180°, and 270°"
表1
多角度图像背景剔除后俯拍和侧拍特征"
高通量模块化植物表型组平台 High-throughput modular plant phenotyping platform | ||||||
---|---|---|---|---|---|---|
形态学特征 Morpho feature | 颜色特征 Color feature | |||||
俯拍图像 FP | 侧拍图像 SP | 颜色 Color | 展示 Show | |||
投影面积 Area | 投影面积 Area | RGB1 | | |||
叶周长 Perimeter | 叶周长 Perimeter | RGB2 | | |||
紧密度 Compactness | 紧密度 Compactness | RGB3 | | |||
植株圆度 Roundness | 植株高度 Height | RGB4 | | |||
植株旋转质量对称 RMS | 植株宽度 Width | RGB5 | | |||
偏心率 Eccentricity | RGB6 | | ||||
叶片细长度 SOL | RGB7 | | ||||
各向同性 Isotropy | RGB8 | | ||||
RGB9 | |
表2
不同拍摄角度LA反演精度结果"
组合 Combination | 模型 Model | 决定系数 R2 | 均方根误差 RMSE | 平均绝对误差 MAE | 变异系数 CV (%) |
---|---|---|---|---|---|
FP | SVR | 0.51 | 147.3 | 108.1 | 27.5 |
RF | 0.69 | 113.9 | 91.7 | 9.7 | |
XGBoost | 0.68 | 116.1 | 92.3 | 15.8 | |
SP | SVR | 0.71 | 107.8 | 81.4 | 16.6 |
RF | 0.78 | 92.5 | 73.5 | 10.4 | |
XGBoost | 0.73 | 107.4 | 81.6 | 13.7 | |
FP+SP | SVR | 0.76 | 104.2 | 80.7 | 13.7 |
RF | 0.82 | 88.2 | 69.1 | 5.5 | |
XGBoost | 0.76 | 96.4 | 73.4 | 9.2 |
图4
不同拍摄角度LA反演精度图 SP-0、SP-90、SP-180和SP-270分别为0°, 90°, 180°和270°拍摄的侧拍图像特征的输入SP-0, SP-90, SP-180, and SP-270 represent the input features from side images taken at 0°, 90°, 180°, and 270°, respectively。不同小写字母不同图像组合之间显著性差异(P<0.05) Different lowercase letters indicate significant differences between different image combinations (P<0.05)"
表4
基于FP+1SP图像组合下不同特征选择LA反演精度结果"
特征选择 Feature selection | 模型 Model | 决定系数 R2 | 均方根误差 RMSE | 平均绝对误差 MAE | 变异系数 CV (%) |
---|---|---|---|---|---|
Full Feature | SVR | 0.78 | 97.9 | 78.4 | 11.8 |
RF | 0.79 | 95.4 | 76.7 | 4.6 | |
XGBoost | 0.78 | 96.0 | 76.8 | 13.5 | |
Pearson | SVR | 0.77 | 92.1 | 71.9 | 27.5 |
RF | 0.79 | 102.9 | 91.7 | 9.7 | |
XGBoost | 0.79 | 94.2 | 75.0 | 8.0 | |
MIC | SVR | 0.82 | 85.2 | 67.1 | 7.2 |
RF | 0.84 | 81.8 | 63.3 | 7.4 | |
XGBoost | 0.80 | 96.6 | 73.4 | 5.8 | |
RFE | SVR | 0.81 | 93.3 | 69.1 | 5.7 |
RF | 0.82 | 90.7 | 72.7 | 7.1 | |
XGBoost | 0.81 | 92.9 | 74.8 | 8.8 |
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