多品種水稻數(shù)字化考種關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、水稻是世界主要糧食作物之一，也是我國(guó)最重要的糧食作物。在水稻育種研究和功能基因解析中，都需要對(duì)水稻表型性狀進(jìn)行檢測(cè)。在水稻育種研究中無(wú)論是通過(guò)傳統(tǒng)的雜交手段或現(xiàn)代轉(zhuǎn)基因方式，都需要對(duì)水稻表型性狀進(jìn)行檢測(cè)，以篩選出高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、抗逆的水稻品種。而水稻功能基因解析就是為了建立基因與表型之間的調(diào)控關(guān)系，也需要對(duì)大量水稻表型性狀進(jìn)行檢測(cè)。
　　水稻表型性狀主要分為生長(zhǎng)發(fā)育期性狀和成熟期性狀，本研究主要解決水稻成熟期表型性狀獲取問(wèn)題（考種），

2、包括穗長(zhǎng)測(cè)量、稻穗脫粒、谷粒性狀檢測(cè)。傳統(tǒng)的水稻考種主要是采用人工測(cè)量的方式“一把尺子、一桿秤”，這種測(cè)量方式效率低下、可靠性不高已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足現(xiàn)代水稻研究的需求?；谌斯た挤N方式，本研究采用機(jī)械設(shè)計(jì)、機(jī)器視覺(jué)、圖像處理、和自動(dòng)控制等技術(shù)，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了穗長(zhǎng)自動(dòng)提取系統(tǒng)，稻穗自動(dòng)脫粒系統(tǒng)，和谷粒參數(shù)自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)，為水稻考種提供了一種全自動(dòng)、數(shù)字化的檢測(cè)方式。
　　穗長(zhǎng)自動(dòng)提取系統(tǒng)是基于雙相機(jī)成像，細(xì)節(jié)圖像通過(guò)專門的算法設(shè)計(jì)可以準(zhǔn)確

3、識(shí)別穗頸節(jié)的位置，全景圖像利用骨架提取、主路徑分析、圖像配準(zhǔn)等算法可以跟蹤稻穗的彎曲路徑并計(jì)算得到準(zhǔn)確的穗長(zhǎng)值。穗長(zhǎng)測(cè)量系統(tǒng)經(jīng)過(guò)對(duì)3000多穗樣本測(cè)試，系統(tǒng)穗長(zhǎng)的平均測(cè)量誤差為1.86％，系統(tǒng)的平均測(cè)量測(cè)量效率為900穗/小時(shí)。稻穗自動(dòng)脫粒裝置是根據(jù)人工脫粒方式設(shè)計(jì)，采用刮擦分離方式，利用可編程邏輯控制器實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，系統(tǒng)經(jīng)測(cè)試可達(dá)到平均0.87％的脫粒誤差，和0.05％的破殼率。谷粒自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)通過(guò)進(jìn)行專門的自動(dòng)控制程序設(shè)計(jì)和圖形處理算

4、法設(shè)計(jì)，可以自動(dòng)獲取總粒數(shù)、實(shí)粒數(shù)、粒長(zhǎng)、粒寬、粒面積、千粒重等參數(shù)。該系統(tǒng)經(jīng)過(guò)對(duì)2132株水稻測(cè)試分析，總粒數(shù)測(cè)量平均誤差為1.52％，實(shí)粒數(shù)平均測(cè)量誤差為1.81％，粒長(zhǎng)平均測(cè)量誤差為1.98％，粒寬平均測(cè)量誤差為2.80％，此外系統(tǒng)的平均測(cè)量效率為61.23秒/株。本研究測(cè)試結(jié)果證明系統(tǒng)考種與人工考種具有比較好的一致性，因此可以替代人工完成水稻考種工作。本系統(tǒng)測(cè)量的水稻成熟期表型參數(shù)不僅能直觀地反應(yīng)水稻生長(zhǎng)的情況，還通過(guò)基因關(guān)聯(lián)分

5、析（GWAS）可以得到與成熟期表型相關(guān)的基因位點(diǎn)，有助于水稻功能基因解析研究。
　　本研究提出的多品種水稻數(shù)字化考種方法，克服了現(xiàn)有考種方式測(cè)量效率低、可靠性不高及參數(shù)有限的問(wèn)題，為水稻考種提供了一種新的技術(shù)手段。本文結(jié)合機(jī)械設(shè)計(jì)、機(jī)電控制、機(jī)器視覺(jué)、圖像處理和數(shù)據(jù)分析技術(shù)實(shí)現(xiàn)了水稻數(shù)字化考種，主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)包括：（1）提出了一種快速、自動(dòng)獲取稻穗穗長(zhǎng)的新方法，解決了穗頸節(jié)識(shí)別、彎曲稻穗測(cè)量的難題；（2）提出了一種高精度、自動(dòng)脫粒的新