近日，南京農(nóng)業(yè)大學(xué)前沿交叉研究院周濟(jì)教授團(tuán)隊(duì)在國(guó)際植物科學(xué)期刊Plant Biotechnology Journal在線發(fā)表了題為《OrchardQuant-3D: combining drone and LiDAR to perform scalable 3D phenotyping for characterising key canopy and floral traits in fruit orchard》的最新研究成果。

 

　　研究團(tuán)隊(duì)提出了一種自動(dòng)化、規(guī)?；S果樹(shù)表型分析平臺(tái)，能夠精準(zhǔn)量化不同類型果園中果樹(shù)的冠層結(jié)構(gòu)、花部和果實(shí)特征。該系統(tǒng)適用于從數(shù)十株梨樹(shù)組成的展示型果園到上千株蘋(píng)果樹(shù)的商業(yè)化種植園，展現(xiàn)出了良好的通用性與可擴(kuò)展性。通過(guò)創(chuàng)新性地融合了激光雷達(dá)（LiDAR；提供果樹(shù)三維結(jié)構(gòu)）與無(wú)人機(jī)（提供大場(chǎng)景空間與顏色信息）所獲取的多尺度表型數(shù)據(jù)，研究團(tuán)隊(duì)自主研發(fā)了多源異構(gòu)數(shù)據(jù)融合算法，首次實(shí)現(xiàn)了跨生育時(shí)期整合樹(shù)體結(jié)構(gòu)、花簇與果實(shí)分布等關(guān)鍵表型特征的多尺度表型融合方法，從而完成了對(duì)果樹(shù)在不同關(guān)鍵生育階段產(chǎn)量相關(guān)性狀的高效提取與精準(zhǔn)關(guān)聯(lián)分析。

 

　　梨和蘋(píng)果等果園水果在全球果樹(shù)生產(chǎn)體系中占據(jù)著重要地位，不僅為人類提供了豐富的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，也有助于維護(hù)農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的多樣性與可持續(xù)發(fā)展?jié)摿?。為了提升果?shí)產(chǎn)量與品質(zhì)，育種專家、科研人員和種植戶持續(xù)致力于優(yōu)化果樹(shù)的結(jié)構(gòu)形態(tài)與產(chǎn)量相關(guān)性狀。然而，傳統(tǒng)的果樹(shù)表型數(shù)據(jù)采集和性狀評(píng)估手段普遍存在耗時(shí)長(zhǎng)、效率低、依賴人工經(jīng)驗(yàn)等問(wèn)題，難以滿足大規(guī)模精準(zhǔn)育種與現(xiàn)代園藝管理的需求。因此，開(kāi)發(fā)一種高效、可靠、可擴(kuò)展的果樹(shù)表型采集與性狀解析算法流程，已成為園藝科研與智慧農(nóng)業(yè)發(fā)展中的核心課題之一。

 

　　針對(duì)上述挑戰(zhàn)，周濟(jì)教授團(tuán)隊(duì)提出了OrchardQuant-3D系統(tǒng)融合了三維計(jì)算機(jī)視覺(jué)、復(fù)雜圖論、特征工程及基于深度學(xué)習(xí)的三維點(diǎn)云分類模型等前沿表型分析技術(shù)。通過(guò)結(jié)合無(wú)人機(jī)和激光雷達(dá)在不同關(guān)鍵生育時(shí)期獲取的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了樹(shù)木級(jí)的形態(tài)結(jié)構(gòu)與顏色特征識(shí)別和性狀提取，進(jìn)而對(duì)不同規(guī)模果園中的冠層結(jié)構(gòu)、花簇及果實(shí)分布進(jìn)行了高精度測(cè)量與動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。

 

　　為驗(yàn)證該系統(tǒng)的穩(wěn)定性與通用性，研究團(tuán)隊(duì)分別在中國(guó)與英國(guó)兩地開(kāi)展了田間試驗(yàn)。在中國(guó)，試驗(yàn)選址于南京農(nóng)業(yè)大學(xué)白馬教學(xué)科研基地的國(guó)家梨工程技術(shù)研究中心，采集了70棵梨樹(shù)多生育時(shí)期的表型數(shù)據(jù)；在英國(guó)，研究在英國(guó)國(guó)家農(nóng)業(yè)植物研究所（National Institute of Agricultural Botany，NIAB）具有百年歷史的東茂林試驗(yàn)站（East Malling Research）進(jìn)行，對(duì)上千棵蘋(píng)果樹(shù)組成的大型商業(yè)化果園開(kāi)展田間試驗(yàn)。這一跨國(guó)家、多類型果樹(shù)試驗(yàn)為OrchardQuant-3D方法的優(yōu)化與實(shí)用化奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，也為果樹(shù)智能育種和精細(xì)管理提供了重要技術(shù)支撐和多年數(shù)據(jù)儲(chǔ)備。

 

　　基于全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（GNSS）信號(hào)，OrchardQuant-3D平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了對(duì)果樹(shù)樹(shù)干的毫米級(jí)精準(zhǔn)定位，為后續(xù)結(jié)構(gòu)建模、多源數(shù)據(jù)融合和精準(zhǔn)單樹(shù)索引奠定了高精度匹配基礎(chǔ)。在此基礎(chǔ)上，系統(tǒng)對(duì)LiDAR采集的高分辨率點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行了深度解析，包括量化樹(shù)冠體積、分枝數(shù)量等三維結(jié)構(gòu)性狀；同時(shí)，對(duì)無(wú)人機(jī)采集的彩色點(diǎn)云數(shù)據(jù)，進(jìn)行了關(guān)鍵花簇和果實(shí)指標(biāo)（如數(shù)量與體積等）的空間識(shí)別和量化提取，從而實(shí)現(xiàn)了不同品種間在形態(tài)與開(kāi)花特征上的量化對(duì)比。值得一提的是，研究團(tuán)隊(duì)還進(jìn)一步將樹(shù)體三維結(jié)構(gòu)與花簇空間分布數(shù)據(jù)進(jìn)行了高精度融合，首次實(shí)現(xiàn)了單棵果樹(shù)單枝尺度的細(xì)粒度解析（如每枝花簇?cái)?shù)量和體積的測(cè)量），為有效量化各級(jí)分枝生長(zhǎng)勢(shì)與載花載果量、為果樹(shù)育種和果園管理中的疏花疏果、每季修剪整形等操作提供了表型組數(shù)據(jù)支持與精準(zhǔn)決策依據(jù)。

 

　　為了應(yīng)對(duì)未來(lái)深入研究和多樣化應(yīng)用需求，作為一套可擴(kuò)展的果樹(shù)三維表型分析系統(tǒng)，OrchardQuant-3D同樣展現(xiàn)出廣闊的發(fā)展?jié)摿蛯?shí)際價(jià)值。例如：（1）通過(guò)融合樹(shù)花果等關(guān)鍵生育時(shí)期的多維表型數(shù)據(jù)，該系統(tǒng)有望構(gòu)建覆蓋“花期-坐果-果實(shí)”的全過(guò)程動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)模型，顯著提升產(chǎn)量預(yù)估的準(zhǔn)確性與時(shí)效性；（2）為多源遙感數(shù)據(jù)的集成提供方法依據(jù)，通過(guò)結(jié)合多光譜、高光譜和短波成像信息，可進(jìn)一步增強(qiáng)對(duì)植株健康狀態(tài)的監(jiān)測(cè)能力，為精準(zhǔn)灌溉、智能施肥及病蟲(chóng)害預(yù)警等農(nóng)業(yè)管理提供智能輔助決策支持；（3）基于深度學(xué)習(xí)驅(qū)動(dòng)的點(diǎn)云補(bǔ)全算法，解決因樹(shù)冠復(fù)雜遮擋導(dǎo)致的果實(shí)識(shí)別盲區(qū)問(wèn)題，進(jìn)一步提高被遮擋果實(shí)的檢測(cè)準(zhǔn)確率；（4）通過(guò)引入環(huán)境因子，將土壤性質(zhì)、降雨量、授粉效率等關(guān)鍵環(huán)境信息整合至表型分析系統(tǒng)中，深化對(duì)果樹(shù)表型變化機(jī)制的理解，推動(dòng)果園管理的精準(zhǔn)化與果實(shí)發(fā)育過(guò)程的動(dòng)態(tài)可視化建模。

 

　　南京農(nóng)業(yè)大學(xué)前沿交叉研究院博士生夏云鵬、李杭杭與園藝學(xué)院博士張帆航共同擔(dān)任該論文的第一作者；周濟(jì)教授、英國(guó)東茂林試驗(yàn)站（East Malling）研究員Whitfield Charles與南京農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝學(xué)院陶書(shū)田教授共同擔(dān)任通訊作者。南京農(nóng)業(yè)大學(xué)前沿交叉研究院的博士生孫港、園藝學(xué)院的高級(jí)實(shí)驗(yàn)師齊開(kāi)杰，以及英國(guó)劍橋作物研究中心（Cambridge Crop Research Centre）的研究員Robert Jackson等也參與了本項(xiàng)研究工作。本研究得到了英國(guó)創(chuàng)新基金“精準(zhǔn)果園管理”（POME）項(xiàng)目、江蘇省農(nóng)業(yè)科技自主創(chuàng)新資金、英中農(nóng)業(yè)科技合作基金等多項(xiàng)中英合作資助項(xiàng)目的支持。

 

　　原文鏈接：https://doi.org/10.1111/pbi.70229