利用RPAS-ALS在道格拉斯冷杉子代育种试验中建模内部树属性


发布时间:

2023-01-25

来源:

植物表型资讯

作者:

PhenoTrait

海岸道格拉斯冷杉(Pseudotsuga menziesii (Mirb.) Franco)是北美最重要的商业软木品种之一。在加拿大不列颠哥伦比亚省,育种使产量增加了20%至30%,97%的幼苗来自改良的种子来源。特别是分支特性对杉木的强度和刚度有很大的影响;然而,它们很少被衡量。远程遥控航空系统和机载激光扫描系统(Remotely Piloted Aerial Systems and Airborne Laser Scanning System,RPAS-ALS)可生成高密度三维点云,可用于创建描述单个树分支结构的内部几何特征。我们分析了位于位于加拿大不列颠哥伦比亚省的海岸道格拉斯冷杉子代试验,如图1,并开发了一种从RPAS-ALS数据中估计分支属性的新方法,以作为树木改良计划的选择标准,如图2。首先对点云进行预处理,以识别噪声并对点云进行归一化。随后,对树顶进行识别,对单个树进行分割。然后使用DBSCAN算法对属于单个树的点进行聚类,如图3,然后进行过滤。最后,可以创建描述分支特征的指标。每棵树的树枝长度、角度、宽度和体积都被估计出来,如图4和5。狭义遗传力(遗传变异的比例)和遗传相关性也进行了估计。
 
与人工测量相比,该方法提取的分支长度相关系数(r)为0.93,如图6。利用这些分支属性,结果表明,分枝角度的遗传力最高(0.277),而树高和分枝长度的遗传相关性最高(0.668)。这些发现对森林管理者来说是鼓舞人心的,因为它们表明在育种计划中选择树木时应该考虑树枝级别的指标。
 

图1 (A) Lost Creek子代试验,机载激光扫描(airborne laser scanning,ALS)通过重复检测树木(Rep)。冠层高度模型(canopy height model,CHM,灰色)显示了试验的配置。(B)试验地点。(C)试验照片。

  

图2 用于产生分支集群度量的工作流。ALS数据采集完成后(1),对点云进行预处理,以识别噪声并对点云进行归一化(2)。随后,对树顶进行识别,对单个树进行分割(3)。然后使用DBSCAN算法对属于单个树的点进行聚类,然后进行过滤(4)。最后,可以创建描述分支特征的指标(5)。

  

图3 (A)聚类前处理过的树的例子。兴趣区域以外的点被剪掉了,剩下的点被分类为“近主干”和“冠”。(B) DBSCAN算法输出的二维(2D)散点图。使用前两个主成分在2D中查看三维点云。属于簇的点是彩色的,并以凸包为界。使用dbscan包中的' hullplot '函数创建。

  

图4 从RPAS-LS计算的分支级指标的小提琴图和插入框和须状图。(A):分支长度,(B):分支宽度,(C):分支角度,(D):分支体积,(E):分支密度,(F):每簇、每棵树的平均点数。

 

图5 分支长度和角度验证散点图。(A):手动测量的分支长度与自动测量的分支长度比较。(B):手动测量的分支角度与自动测量的分支角度相比。

 

图6 分析中所有指标之间的加性遗传相关性(r)。遗传相关性小于- 0.4的指标用红色表示,而相关性大于0.4的指标用绿色表示。

 
 
来 源
 

Francois du Toit et al. (2023). Modelling internal tree attributes for breeding applications in Douglas-fir progeny trials using RPAS-ALS. Science of Remote Sensing, 7, 100072.

 

编 辑

王春颖
 
 

扩展阅读

推荐新闻

石时之约|韩志国:透过表型数据,看见植物的喜怒哀乐!

本期石时之约,我们将对话慧诺瑞德(北京)科技有限公司总经理、国际植物表型学会(IPPN)执委会委员/工业分会副主席韩志国,一起从表型数据的科学角度,去读懂农作物的喜怒哀乐和前世今生。

慧科研、慧育种、慧种田——慧聚改变的力量

让我们“慧聚”在一起,为“慧科研、慧育种、慧种田”赋能。

高通量植物表型平台建设注意事项

育种,是在给定的环境条件下,选择各种表型指标(产量、品质、抗性)最优的基因型材料的过程(AI育种,从这里起步)。育种工作中大约70%的工作量来自表型观察测量和筛选,是最耗人力物力的过程。

作物生理表型测量基础原理

生理表型测量的核心在于“早、快”,要在肉眼可见之前就能测量并预判出变化趋势,才是这个技术的核心价值。叶绿素荧光成像,恰好满足了这个要求。