使用谷穗高維形態(tài)估算谷子穗粒重的方法研究

1、使用谷穗高維形態(tài)估算谷子穗粒重的方法研究摘 要：關(guān)鍵詞：谷穗;圖像處理;穗粒重估算;穗體積;穗面積New Method to Estimate Spike Grain Weight ofMillet Using High-Dimensional Forms of SpikesCai Canchao，Du Jinzhe，Li Zongyuan，Yang Jinzhong*Qingdao Agricultural University / Shandong Provincial Key Laboratory of Dry Farming Techniques， Qingdao 266109， Ch

2、inaKey words Millet spike; Image processing; Spike grain weight estimation; Spike volume; Spike area谷子產(chǎn)量等于單位土地面積上全部果穗的籽粒重量之和，穗粒重的潛力那么受到穗幾何特征的制約。因此，由谷穗的幾何特征估算谷子穗粒重具有重要價(jià)值。然而諸如谷物的穗體積、穗形狀等三維空間的幾何特征，長(zhǎng)期以來(lái)由于難以測(cè)定，它們的變化規(guī)律及其與穗粒重的數(shù)量關(guān)系，很少有文獻(xiàn)報(bào)道，只是在玉米、小麥和水稻等方面已經(jīng)成功應(yīng)用15。但是近年來(lái)，數(shù)字圖像處理技術(shù)已經(jīng)成功用于測(cè)定不規(guī)那么實(shí)物的形態(tài)性狀1，解決了高維幾何特征的

3、測(cè)量難題。本試驗(yàn)在以數(shù)字圖像處理技術(shù)為手段測(cè)量谷穗形態(tài)性狀根底上，重點(diǎn)研究谷子穗粒重與穗長(zhǎng)、穗粗、穗側(cè)面積、穗體積的數(shù)量關(guān)系，以便為谷子的栽培和育種理論提供有價(jià)值的信息。1 材料與方法1.1 供試材料使用CCD掃描儀獲取谷穗的RGB圖像，應(yīng)用自行開(kāi)發(fā)的圖像處理軟件測(cè)量谷穗的長(zhǎng)度、粗度、側(cè)面積和體積。該軟件在文獻(xiàn)6，7的根底上針對(duì)谷穗進(jìn)展了專用性改進(jìn)。穗長(zhǎng)指谷穗拉平直后的穗主軸長(zhǎng)度，穗粗指垂直于穗主軸的最大處直徑，穗側(cè)面積為谷穗拉平直后外周輪廓所包圍面積，穗體積指谷穗拉平直后外周輪廓所包圍空間的體積。1.3 數(shù)據(jù)分析分別以穗長(zhǎng)、穗粗、穗側(cè)面積和穗體積共4種幾何特征為自變量，以穗粒重為因變量進(jìn)展直

4、線回歸分析。運(yùn)用Microsoft Excel 2007進(jìn)展數(shù)據(jù)計(jì)算、作圖以及回歸統(tǒng)計(jì)。受篇幅所限，僅列出豫谷1號(hào)的散點(diǎn)圖和回歸直線。2 結(jié)果與分析2.1 穗長(zhǎng)與穗粒重的關(guān)系分析2.2 穗粗與穗粒重的關(guān)系從表2中可以看出，谷穗粗與穗粒重回歸方程的決定系數(shù)在0.26860.7894之間，其中矮88的回歸方程決定系數(shù)最低，R2=0.2686，冀谷表1 各品種穗長(zhǎng)與穗粒重的回歸方程、決定系數(shù)及顯著性品種回歸方程決定系數(shù)R2 顯著性P值矮88y=0.1459x-7.8110.67713.40E-09豫谷1號(hào)y=0.1405x-6.45360.74951.58E-10圖2 豫谷1號(hào)穗粗與穗粒重的直線擬合

5、表2 各品種穗粗與穗粒重的回歸方程、決定系數(shù)及顯著性品種回歸方程決定系數(shù)R2 顯著性P值冀谷19y=1.4308x-15.6310.78941.15E-11滄谷4號(hào)y=0.8351x-6.16790.44103.41E-05豫谷4號(hào)y=0.921x-9.70990.48938.39E-062.3 穗側(cè)面積與穗粒重的關(guān)系圖3 豫谷1號(hào)穗側(cè)面積與穗粒重的直線擬合表3 各品種穗側(cè)面積與穗粒重的回歸方程、決定系數(shù)及顯著性品種回歸方程決定系數(shù)R2 顯著性P值衡谷200131y=0.0039x+0.39500.6587 1.74E-08滄谷4號(hào)y=0.0031x+1.16370.5705 5.84E-07

6、魯谷10號(hào)y=0.0088x-5.08790.7695 4.48E-112.4 穗體積與穗粒重的關(guān)系表4 各品種穗體積與穗粒重的回歸方程、決定系數(shù)及顯著性品種回歸方程決定系數(shù)R2顯著性P值冀谷19y=0.0003x+1.08430.8318 3.85E-13滄谷4號(hào)y=0.0002x+2.52850.5527 1.09E-06豫谷4號(hào)y=0.0002x+0.69310.6715 9.70E-093 討論與結(jié)論果穗大小有 3 種幾何維數(shù)：長(zhǎng)度和粗度是一圖4 豫谷1號(hào)穗體積與穗粒重的直線擬合維特征，面積是二維特征，體積是三維特征。穗長(zhǎng)和穗粗容易測(cè)定8，9，實(shí)際應(yīng)用很多 ，但是，穗的二、三維特征卻比

7、較罕見(jiàn)，目前可見(jiàn)在玉米上的應(yīng)用2。本研究得到的谷穗形態(tài)數(shù)據(jù)可以用于谷子種質(zhì)資源評(píng)價(jià)、遺傳和育種、谷穗脫粒機(jī)械設(shè)計(jì)等領(lǐng)域。決定系數(shù)R2是將線性相關(guān)系數(shù)進(jìn)展平方得到的，而相關(guān)系數(shù)是用以反映變量之間相關(guān)關(guān)系親密程度的統(tǒng)計(jì)指標(biāo)10。通過(guò)分析谷子的穗長(zhǎng)、穗粗、穗側(cè)面積、穗體積與穗粒重的回歸方程的決定系數(shù)，可以看出，考察單一谷穗大小特征對(duì)穗粒重的作用，穗側(cè)面積和穗體積等高維特征的作用明顯高于穗長(zhǎng)和穗粗等一維特征。方差分析是生物統(tǒng)計(jì)中常采用的一種方法11，通過(guò)谷子穗長(zhǎng)、穗粗、穗側(cè)面積、穗體積與穗粒重的方差分析中的顯著性，可以看出，穗側(cè)面積和穗體積等高維特征與穗粒重的顯著性關(guān)系明顯高于穗長(zhǎng)和穗粗等一維特征。通

8、過(guò)谷穗形態(tài)快速測(cè)量技術(shù)可以輕而易舉地獲取谷穗的高維幾何特征，配合使用本研究獲得的高精度預(yù)測(cè)穗粒重方法，可望在將來(lái)實(shí)現(xiàn)由谷子幾何特征估算谷子穗粒重的自動(dòng)化。本研究?jī)H是9個(gè)品種的結(jié)果，繼續(xù)擴(kuò)大谷子品種范圍進(jìn)展驗(yàn)證，將為本研究成果的推廣應(yīng)用奠定更為扎實(shí)的根底。谷穗側(cè)面積和穗體積等高維幾何特征對(duì)穗粒重的作用明顯大于穗長(zhǎng)和穗粗等一維幾何特征。穗側(cè)面積和穗體積是反映谷穗形態(tài)的兩個(gè)重要性狀，可以高精度預(yù)測(cè)穗粒重的變化。在栽培和育種理論中，無(wú)論是谷穗生長(zhǎng)診斷，還是變異選擇，首選的幾何特征應(yīng)該是穗體積，穗面積次之，穗長(zhǎng)和穗粗再次之。這為谷穗生長(zhǎng)診斷和籽粒產(chǎn)量的間接選擇提供了新的更優(yōu)的途徑。參 考 文 獻(xiàn)：3 于經(jīng)川，劉兆曄，馬淑麗，等. 小麥上三葉與穗粒重關(guān)系的研究J. 萊陽(yáng)農(nóng)學(xué)院學(xué)報(bào)： 自然科學(xué)版，2006，231：116-118.4 成東梅，彭濤，高燕，等. 高產(chǎn)小麥旗葉與穗粒重關(guān)系的研究J. 安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2007， 3536：11798-11799.5 李淑芳，李玉發(fā)，王鳳華，等. 粳稻劍葉與穗粒重關(guān)系的研究J. 吉林農(nóng)業(yè)科學(xué)，2004， 295：9-11.7 楊錦忠，郝建平，杜天慶，等. 玉米圖像處理技術(shù)及其評(píng)價(jià)初探J. 青島農(nóng)