麦苗群体几何结构的定量识别及其对根系生长的影响

The competition between individuals of wheat is one of the main factors affecting the development of root system, and the relationship between the individual spaces in wheat seedling groups can be described by using fractal geometry characteristics. This project plans to obtain the spatial fractal geometry structure of wheat groups by image analysis technique, and finds out the influence of wheat population spatial structure on root growth. The wheat group of different spatial structure is to be built through the way of planting density, sowing method and variety type in field experiments and the wheat seedling images at different height are obtained through digital cameras and unmanned aerial vehicle, and the spatial structure parameters are extracted through different image processing methods. At the same time, grid method is used to investigate wheat root traits, and the corresponding root growth indexes will be got. The intelligent acquisition methods of wheat group fractal geometry characteristics (wheat seedling quantity, distance between individuals and group fractal dimension) are mainly implemented based on the images at different height, and the influences of fractal geometry characteristics of wheat seedling group on root morphological indexes, physiological indexes and dynamic growth are cleared. The relationship between the fractal geometry characteristics of wheat seedling group and the state of root growth are expounded based on the competing principle of wheat seedling individuals within a unit space. The results of the study can provide theoretical basis and technical support for the wheat population survey, analysis of population structure and improving the accuracy and convenience of wheat root research in the future.

小麦个体间相互竞争是影响根系发展的主要因素之一，而麦苗群体中个体空间的关系可以用群体几何特征来描述。本项目拟通过图像分析技术获取小麦群体的几何结构，并探明小麦群体几何结构对根系生长的影响。利用大田试验，通过播种密度、播种方式和品种类型来构建不同几何结构的小麦群体，通过数码相机和无人机获取不同高度的麦苗图像，并通过不同的图像处理方法提取空间结构参数。同时利用方格法调查小麦根系性状，得到根系生长的生理和形态指标以及根系生长的动态变化。研究主要实现基于不同高度图像的麦苗群体分形几何特征（麦苗数量、个体间距离特征和群体分形维数）的智能获取方法，明确麦苗几何特征对根系形态指标、生理指标和生长动态的影响。研究从特定空间内麦苗个体间相互竞争的原理出发，阐明麦苗群体几何特征与根系生长状态之间的关系，研究结果可为未来小麦群体数量调查、群体结构分析以及为提高小麦根系研究的精确性和便捷性提供理论依据和技术支撑。

种植密度是影响小麦根系形态和生理的重要因素，也是引起麦苗个体间相互竞争的主要因素。根据目前的研究结论，小麦根系的发展受到密度的影响，学者们也证明了根系建成与种植密度的大致关系。实际上，种植密度影响根系生长的原因在于密度的变化改变了小麦群体的空间结构，以及麦苗个体间的空间关系发生变化，如何描述这种空间变化对根系生长的影响对于群体结构分析具有积极意义。为此，应从新的理念出发，研究麦苗群体几何特征和个体空间关系获取的新方法，以及麦苗空间几何特征对根系的具体影响。. 研究内容主要分成两部分，一为地上部分麦苗群体分形几何特征的定量化描述方法的构建，探明基于图像的麦苗定位方法、麦苗计数方法和群体分形维数的计算方法；另一方面，探明麦苗群体分形几何特征对群体和个体根系生长的影响，在此基础上理清不同分形结构群体的根系形态指标和生理指标。结合播种密度试验和播种方式试验，构建不同几何结构的麦苗群体，建立不同麦苗几何结构下对根系的影响的定量化描述方法，为田间麦苗根系状态诊断提供理论支撑。. 研究明确了一种利用三维相机实现土壤表面三维结构获取和出苗能力评价的方法，提出的缺苗均匀度评价方法能够达到较高的准确率，同时基于出苗均匀度和缺苗率制定的均匀度评价标准。研究提出的多元农学参数估算模型能够较准确的估测出小麦群体的DW，LAI，NC，TN值，建立的基于这4个农学参数的小麦群体生长状态评价模型能够较好反应小麦的群体和个体状况。通过多元回归分析构建了麦苗数量估测模型，模型参数包括盖度，角点数，品种系数和叶龄。角点数的引入提高了单一盖度模型的精度，模型在不同品种上应用时R2值均高于0.95，RMSE值未超过25，说明模型在不同品种上的适应性较高。明确了麦苗穴距、每穴麦苗数量及麦苗平铺程度对根系活力以及麦苗主根长度、根系总长度、根表面积的影响。上述结果为小麦出苗均匀度的智能化评价、麦苗田间调查以及通过麦苗空间结构反演根系结构指标提供了依据。