稻株形态结构指标提取方法及其应用技术

本发明专利技术公开了一种稻株形态结构指标提取方法及其应用，涉及植株形态结构指标提取及应用领域。包括步骤：S1.构建数字化水稻形态结构，按照不同层次水平组织群体、稻株、茎糵、叶片的空间位置信息和几何形态信息；S2.基于数字化水稻形态结构，利用虚拟刀片技术提取水稻形态结构特征分布；S3.基于水稻形态结构特征分布，计算水稻形态结构指标；S4.以形态结构指标的组合为决策变量，以干物质积累或产量为目标，评价形态结构干物质积累能力或生产潜力。本发明专利技术可为精确株型选种，农艺调控形态结构，功能‑‑结构模型研究提供数量化指标和方法支撑。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及植株形态结构指标提取及应用领域，尤其涉及水稻形态结构指标提取及应用。
技术介绍
株型系指植物体形态结构，即植物体的形态特征、空间排列方式以及各性状之间的关系，如植株高矮、分蘖集散、叶片的长短、宽窄及角度、穗形、个体在群体中的排列方式及其几何结构等。水稻形态结构受水稻基因型控制，受水肥、气候等环境因素的调控；水稻形态结构影响群体冠层微气候，特别是太阳辐射能量的截获，进而影响干物质的积累；同时水稻形态结构是干物质分配的体现。因此水稻形态结构对水稻产量的形成过程和水稻产量的构成都有着重要的影响。我国水稻产量曾有两次突破，一是水稻高秆改矮秆，二是矮秆水稻改杂交水稻，其共同特征是株型改良。株型改良进程分为两个阶段，第一阶段是矮化育种，第二阶段是理想株型育种，想株型育种的发展方向是形态与机能兼顾，理想株型与优势利用相结合。除了育种上水稻形态结构的利用，农艺学家们在农艺手段调控水稻形态结构方面做了大量的尝试。作物功能--结构模型的研究是揭示品种基因型、水肥、气候等环境因素调控形态结构规律，水稻形态结构影响群体冠层微气候，进而影响水稻产量的形成过程和水稻产量构成规律的有效手段。株型选种、农艺手段调控水稻形态结构、作物功能--结构模型都与水稻形态结构指标有密切的关系。然而，长期以来农学家们株型选种主要以来于经验，农艺手段调控水稻形态结构、作物功能--结构模型的研究也主要利用叶面积指数作为作物形态结构的研究指标。其重要原因之一在于作物形态结构指标提取的困难，例如，许多育种家都青睐株型紧凑适中的水稻品种，然而至今仍没有合适的方法量化描述株型紧凑程度的指标。为此，本专利技术提供一种基于数字株型，利用虚拟刀片技术提取水稻形态结构特征，计算稻株形态结构指标，以及利用形态结构指标中的若干组合为决策变量，以干物质积累或产量为目标评价水稻形态结构优劣的方法。
技术实现思路
（一）要解决的技术问题本专利技术要解决的技术问题是 ：水稻形态结构指标的获取以及结构指标的应用。（二）技术方案为解决上述问题，本专利技术提供了一种基于数字株型，利用虚拟刀片技术提取水稻形态结构特征，进而计算稻株形态结构指标的方法，以及利用形态结构指标组合为决策变量，以干物质积累或产量为目标评价水稻形态结构优劣的方法。该方法包括步骤：S1. 构建数字化水稻形态结构，按照不同层次水平组织群体、稻株、茎糵、叶片的空间位置信息和几何形态信息；S2. 基于数字化水稻形态结构，利用虚拟刀片技术提取水稻形态结构特征分布；S3. 基于水稻形态结构特征分布，计算水稻形态结构指标；S4. 利用形态结构指标评价水稻形态结构。步骤S1所述的数字化稻株形态结构，其具体的数据组织形式为：群体信息：行间距，穴数；稻株信息：稻株中心轴坐标，茎糵数；茎糵信息：茎杆直径，茎杆空间中心轴、茎杆表面，叶片数；叶片信息：叶中脉空间曲线，叶形空间曲线，叶结点空间位置。步骤S1所述的虚拟刀片技术的概念表述为：记两个空间切面A、B分别为：,；水稻叶片曲面集为：；冠层空间辐射强度函数为：则水稻叶片曲面i介于切面A、B的点集为：;水稻叶片曲面集介于水平切面A、B的点集为： ；因此，研究切面A、B间切层的叶面积、辐射强度、叶倾斜角转化为研究 的面积测度， 在点集 上的平均值，及曲面集 在 上的平均斜率；这里称切面A、B： , 为“虚拟刀片”。常用“虚拟刀片”为水平切面，根据研究需要“虚拟刀片”还以为圆柱侧面、斜平面或其它曲面，我们称以上述方式获得作物冠层特征的方法为“虚拟刀片法”。步骤S2所述的虚拟刀片技术的实现方法为：S2-1 选择一组平行的空间曲面, ，相应的得到一组空间区域 [],;S2-2 分割叶片成面积很小的碎片，计算叶片碎片的特征，如面积、倾斜角等；S2-3 计算叶片碎片中心所在的空间区域，累计叶片碎片特征到相应的空间区域；S2-4 根据空间区域中叶片碎片特征值，模拟形态结构特征的分布。步骤S3所述的形态结构指标包括株型内紧凑度指标，株型外紧凑度指标，株型内松散度指标，株型外松散度指标，叶面积指数，叶面积分布垂直区间，株高，β-叶面积分布区间，垂直最大叶面积密度；这些指标的计算基于稻株形态结构特征的分布。步骤S4所述的利用形态结构指标评价水稻形态结构，是以形态结构指标的组合为决策变量，以干物质积累或产量为目标，评价形态结构干物质积累能力或生产潜力。 （三）有益效果本专利技术提供了稻株形态结构指标的提取方法。该方法提取的稻株形态结构指标能为科学株型选种、农艺手段精确调控水稻形态结构和作物功能--结构模型研究提供可靠的数量化指标。附图说明图 1 依照本专利技术水稻形态结构指标提取及应用流程图。图 2 依照本专利技术的虚拟刀片技术示意图。图 3 依照本专利技术计算形态结构指标示意图一。图 4 依照本专利技术计算形态结构指标示意图二。图 5 依照本专利技术进行的案例。具体实施方式本专利技术提出的稻株形态结构指标提取方法及其应用流程如图1，结合图例，具体实施如下。S1. 构建数字化水稻形态结构，按照不同层次水平组织群体（community）、稻株（Hill）、茎糵（Stem）、叶片（Leaf）的空间位置信息和几何形态信息；数字化稻株形态结构，其具体的数据组织形式为：群体信息：行间距(rs,ps)，穴数(pm)；稻株信息：稻株中心轴坐标，茎糵数；茎糵信息：茎杆直径，三维空间中的茎杆中心轴、茎杆表面，叶片数；叶片信息：叶中脉空间曲线 ，叶形空间曲线，叶结点空间位置。S2. 基于数字化水稻形态结构，利用虚拟刀片技术提取水稻形态结构特征分布（见图2），其具体计算算法如下：S2-1 根据需要选择一组平行的空间曲面，相应的得到一组空间区域；S2-2 分割叶片成面积很小的碎片，计算叶片碎片的特征，如面积、倾斜角等，计算叶片碎片中心所在的空间区域，累计叶片碎片特征到相应的空间区域；For Hill in FieldFor Tiller in HillFor Stem in TillerFor Leaf in Stem将叶片划分成小碎片（Fragments）For Fragments in Leaf计算小碎片的特征值；计算小碎片所属的空间区域(finterval)；累计小碎片的特征值到所属的空间区域；End (Leaf)End (Stem)End (Tiller)End (Hill)End (Field)。下面给出计算几种特征分布的情况。E1. 叶面积在垂直空间的分布E1-1 虚拟刀片的选择：平行水平面平面；E1-2小碎片所属的空间区域(finterval)的计算：f；E1-3小碎片叶面积(farea)的计算： ；E1-4 空间区域叶面积累加： ；E1-5 叶面积密度分布： ；E1-6 叶面积概率分布 。E2. 叶面积在水平空间的分布E2-1 虚拟刀片的选择：以稻株中心为轴的圆柱；E2-2小碎片所属的空间区域(finterval)的计算：；E2-3小碎片叶面积(farea)的计算： ；E2-4 空间区域叶面积累加： ；E2-5 叶面积密度分布：；E2-6 叶面积概率分布:。通过数据拟合，得到叶面积在垂直空间和水平空间的累计分布函数(VALAI (z)，HALAI(r))和叶倾斜角在垂直空间和水平空间的累计分布函数。S3. 基于水稻形态结构特征分布，计算本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种稻株形态结构指标提取方法，其特征在于，包括步骤： S1. 构建数字化水稻形态结构，按照不同层次水平组织群体、稻株、茎糵、叶片的空间位置信息和几何形态信息；S2. 基于数字化水稻形态结构，利用虚拟刀片技术提取水稻形态结构特征分布；S3. 基于水稻形态结构特征分布，计算水稻形态结构指标；S4. 利用形态结构指标评价水稻形态结构。

【技术特征摘要】
1.一种稻株形态结构指标提取方法，其特征在于，包括步骤： S1. 构建数字化水稻形态结构，按照不同层次水平组织群体、稻株、茎糵、叶片的空间位置信息和几何形态信息；S2. 基于数字化水稻形态结构，利用虚拟刀片技术提取水稻形态结构特征分布；S3. 基于水稻形态结构特征分布，计算水稻形态结构指标；S4. 利用形态结构指标评价水稻形态结构。2.如权利要求 1 所述的方法，其特征在于，步骤S1所述的数字化稻株形态结构，其具体的数据组织形式为：群体信息：行间距，穴数；稻株信息：稻株中心轴坐标，茎糵数；茎糵信息：茎杆直径，空间中茎杆中心轴、茎杆表面，叶片数；叶片信息：叶中脉空间曲线，叶形空间曲线，叶节点空间位置。3.如权利要求 1 所述的方法，其特征在于，步骤S2所述的虚拟刀片技术的概念表述为：记两个空间切面A、B分别为：,；水稻叶片曲面集为：；冠层空间辐射强度函数为：则水稻叶片曲面i介于切面A、B的点集为：;水稻叶片曲面集介于水平切面A、B的点集为：；因此，研究切面A、B间切层的叶面积、辐射强度、叶倾斜角转化为研究的面积测度，在点集上的平均值，及曲面集在上的平均斜率；这里称切面A、B：...

【专利技术属性】
技术研发人员：李绪孟，王小卉，
申请(专利权)人：湖南农业大学，
类型：发明
国别省市：湖南;43