中国农业科技导报 ›› 2025, Vol. 27 ›› Issue (7): 90-100.DOI: 10.13304/j.nykjdb.2024.0080
王亚鑫(), 吕洋成, 王文琦, 刘琦, 杨杰, 任桂鸿, 张吴平, 李富忠(
)
收稿日期:
2024-01-31
接受日期:
2024-06-08
出版日期:
2025-07-15
发布日期:
2025-07-11
通讯作者:
李富忠
作者简介:
王亚鑫 E-mail:1919447062@qq.com;
基金资助:
Yaxin WANG(), Yangcheng LYU, Wenqi WANG, Qi LIU, Jie YANG, Guihong REN, Wuping ZHANG, Fuzhong LI(
)
Received:
2024-01-31
Accepted:
2024-06-08
Online:
2025-07-15
Published:
2025-07-11
Contact:
Fuzhong LI
摘要:
针对当前番茄植株表型参数难以无损提取的问题,提出基于三维重建的番茄植株茎叶分割与表型提取方法。首先采集番茄植株的多视角图像序列构建植株三维模型,采用多种滤波算法结合的方式完成预处理;对预处理后的点云使用基于拉普拉斯的骨架提取算法提取骨架,以植株骨架为基础完成茎秆与叶片的分割,使用基于超体素聚类的方法分割单叶;提取株高、茎粗、叶倾角、叶长、叶宽和叶面积共6个表型参数。结果表明,茎叶分割的平均准确率、平均召回率和平均F1分数分别为0.88、0.80和0.84,分割指标均优于其他4种分割算法;株高、茎粗、叶倾角、叶长、叶宽和叶面积计算值与实测值之间的决定系数分别为0.97、0.84、0.88、0.94、0.92和0.93,均方根误差分别为2.17 cm、0.346 cm、5.65°、3.18 cm、2.99 cm和8.79 cm2,该方法的计算值与实测值具有较强的相关性,研究结果为番茄植株的高通量表型参数提取提供了技术支持。
中图分类号:
王亚鑫, 吕洋成, 王文琦, 刘琦, 杨杰, 任桂鸿, 张吴平, 李富忠. 番茄植株生长过程中茎叶表型的无损分割与提取[J]. 中国农业科技导报, 2025, 27(7): 90-100.
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图2 番茄植株点云重建及预处理A:稠密点云;B:点云去噪;C:点云精简;D:番茄植株动态生长重建情况
Fig. 2 Reconstruction and preprocessing of tomato plant point cloudA: Dense point cloud; B:Point cloud denoising; C:Point cloud reduction; D:Dynamic growth and reconstruction of tomato plants
图4 茎秆提取示意A:坐标系转换;B:提取的骨架最高点路径;C:高度约束;D:半径约束;E:分离后的茎杆与叶片
Fig. 4 Schematic diagram of stem extractionA: Coordinate system conversion; B:Extract the highest point path of the skeleton; C:Height constraint; D:Radius constraint; E:Separated stem and leaves
图6 表型参数测量A:株高;B:茎粗;C:叶倾角;D:叶片点云;E:叶长和叶宽;F:叶面积
Fig. 6 Phenotype parameter measurementA: Plant height; B:Stem thickness; C:Leaf inclination; D:Leaf point cloud; E:Leaf length and leaf width; F:Leaf area
参数 Parameter | 超体素块数量 Number of superstitial blocks | 运行时间 Running time/s | ||
---|---|---|---|---|
种子分辨率 | 体素分辨率 | 最小分割尺寸 | ||
0.05 | 0.01 | 0.10 | 378 | 21.23 |
0.05 | 0.05 | 0.20 | 386 | 20.79 |
0.10 | 0.01 | 0.10 | 291 | 18.44 |
0.10 | 0.05 | 0.20 | 274 | 18.03 |
0.15 | 0.05 | 0.20 | 191 | 15.97 |
0.25 | 0.10 | 0.30 | 123 | 14.22 |
0.25 | 0.15 | 0.40 | 108 | 13.76 |
0.35 | 0.10 | 0.35 | 56 | 10.17 |
0.45 | 0.10 | 0.30 | 19 | 7.66 |
0.45 | 0.15 | 0.40 | 10 | 7.31 |
表1 不同参数对叶片分割影响统计
Table 1 Statistics on the effect of different parameters on blade segmentation
参数 Parameter | 超体素块数量 Number of superstitial blocks | 运行时间 Running time/s | ||
---|---|---|---|---|
种子分辨率 | 体素分辨率 | 最小分割尺寸 | ||
0.05 | 0.01 | 0.10 | 378 | 21.23 |
0.05 | 0.05 | 0.20 | 386 | 20.79 |
0.10 | 0.01 | 0.10 | 291 | 18.44 |
0.10 | 0.05 | 0.20 | 274 | 18.03 |
0.15 | 0.05 | 0.20 | 191 | 15.97 |
0.25 | 0.10 | 0.30 | 123 | 14.22 |
0.25 | 0.15 | 0.40 | 108 | 13.76 |
0.35 | 0.10 | 0.35 | 56 | 10.17 |
0.45 | 0.10 | 0.30 | 19 | 7.66 |
0.45 | 0.15 | 0.40 | 10 | 7.31 |
图7 不同算法参数的叶片分割结果A:参数设置过小;B:参数设置过大;C:参数设置适中
Fig. 7 Leaf segmentation results with different algorithm parametersA:Parameter setting too small; B:Parameter setting too large; C:Moderate parameter setting
图8 不同生长天数的番茄茎叶分割结果A:手动分割真值;B:算法分割结果。黑色圈代表算法分割错误部分
Fig. 8 Tomato stem and leaf segmentation results at different growth daysA:True value of manual segmentation; B:Algprithm segmentation results. The black circle represents the part of the algorithm that is segmented incorrectly
定植天数 Growth days/d | 准确率 Precision | 召回率 Recall | F1分数 F1-score |
---|---|---|---|
5 | 0.88 | 0.80 | 0.84 |
14 | 0.91 | 0.84 | 0.87 |
21 | 0.92 | 0.85 | 0.88 |
30 | 0.88 | 0.82 | 0.85 |
45 | 0.86 | 0.77 | 0.81 |
60 | 0.84 | 0.74 | 0.79 |
平均 Average | 0.88 | 0.80 | 0.84 |
表2 不同生长天数番茄的茎叶分割精度
Table 2 Precision of stem and leaf segmentation in tomato on different growth days
定植天数 Growth days/d | 准确率 Precision | 召回率 Recall | F1分数 F1-score |
---|---|---|---|
5 | 0.88 | 0.80 | 0.84 |
14 | 0.91 | 0.84 | 0.87 |
21 | 0.92 | 0.85 | 0.88 |
30 | 0.88 | 0.82 | 0.85 |
45 | 0.86 | 0.77 | 0.81 |
60 | 0.84 | 0.74 | 0.79 |
平均 Average | 0.88 | 0.80 | 0.84 |
图9 不同算法的分割效果A:本研究方法;B:基于骨架的提取方法;C:法线微分差异法;D:区域生长分割法;E:基于凹凸性的分割方法
Fig. 9 Segmentation effects of different algorithmsA: This research method; B:A method based on skeleton extraction; C:Normal differential method; D:Regional growth segmentation method;E:Segmentation method based on concavity and convexity
方法 Method | 平均准确率 Average of precision | 平均召回率 Average of recall | 平均F1分数 Average of F1-score |
---|---|---|---|
本研究方法 This research method | 0.88 | 0.80 | 0.84 |
基于骨架提取的分割方法 Segmentation method based on skeleton extraction | 0.77 | 0.63 | 0.76 |
法线微分差异法 Normal differential method | 0.64 | 0.59 | 0.57 |
区域生长分割法 Regional growth segmentation method | 0.58 | 0.53 | 0.59 |
基于凹凸性的分割方法 Segmentation method based on concavity and convexity | 0.54 | 0.57 | 0.62 |
表3 5种方法茎叶分割精度对比
Table 3 Comparison of stem and leaf segmentation accuracy among five methods
方法 Method | 平均准确率 Average of precision | 平均召回率 Average of recall | 平均F1分数 Average of F1-score |
---|---|---|---|
本研究方法 This research method | 0.88 | 0.80 | 0.84 |
基于骨架提取的分割方法 Segmentation method based on skeleton extraction | 0.77 | 0.63 | 0.76 |
法线微分差异法 Normal differential method | 0.64 | 0.59 | 0.57 |
区域生长分割法 Regional growth segmentation method | 0.58 | 0.53 | 0.59 |
基于凹凸性的分割方法 Segmentation method based on concavity and convexity | 0.54 | 0.57 | 0.62 |
图10 表型参数测量结果A:株高;B:茎粗;C:叶倾角;D:叶长;E:叶宽;F:叶面积
Fig. 10 Phenotypic parameter measurement resultsA: Plant height; B:Stem thickness; C:Leaf inclination; D:Leaf length; E:Leaf width; F:Leaf area
指标Index | 点云重建 Point cloud reconstruction | 茎叶分割 Stem and leaf segmentation | 表型提取 Phenotypic extraction | 总计 Total |
---|---|---|---|---|
最小处理时间Minimum processing time/min | 7.37 | 3.26 | 1.72 | 12.35 |
最大处理时间Maximum processing time/min | 26.44 | 7.26 | 3.59 | 37.29 |
平均处理时间Average processing time/min | 17.89 | 5.25 | 2.97 | 26.11 |
表4 算法效率分析
Table 4 Algorithm efficiency statistics
指标Index | 点云重建 Point cloud reconstruction | 茎叶分割 Stem and leaf segmentation | 表型提取 Phenotypic extraction | 总计 Total |
---|---|---|---|---|
最小处理时间Minimum processing time/min | 7.37 | 3.26 | 1.72 | 12.35 |
最大处理时间Maximum processing time/min | 26.44 | 7.26 | 3.59 | 37.29 |
平均处理时间Average processing time/min | 17.89 | 5.25 | 2.97 | 26.11 |
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