基于無(wú)人機(jī)激光掃描技術(shù)探索行列方向與樹(shù)冠形態(tài)對(duì)火炬松生長(zhǎng)的影響

Plant Phenomics | 基于無(wú)人機(jī)激光掃描技術(shù)探索行列方向與樹(shù)冠形態(tài)對(duì)火炬松生長(zhǎng)的影響

森林冠層的空間分布和樹(shù)木個(gè)體的結(jié)構(gòu)受到多種因素的影響，包括資源的可用性、相鄰樹(shù)木樹(shù)冠之間的競(jìng)爭(zhēng)以及林冠間隙的存在和大小。樹(shù)冠的形態(tài)特征，如體積、表面積、高度和冠底高度，被用來(lái)表征樹(shù)冠結(jié)構(gòu)，并用于開(kāi)發(fā)模擬樹(shù)木未來(lái)生長(zhǎng)的幾何模型，包括樹(shù)干體積的預(yù)測(cè)。在森林建模和產(chǎn)量預(yù)測(cè)中，通常結(jié)合了樹(shù)冠大小和競(jìng)爭(zhēng)度量的測(cè)量，但這些方法往往假設(shè)樹(shù)冠具有簡(jiǎn)單的幾何形狀，如對(duì)稱的橢圓體，并忽略了林冠間隙的影響。因此，這些模型可能低估了林冠的光可用性，而樹(shù)木實(shí)際上可能通過(guò)不對(duì)稱生長(zhǎng)和復(fù)雜的分枝結(jié)構(gòu)來(lái)有效地截獲光線。

2024年10月，Plant Phenomics在線發(fā)表了Virginia Polytechnic Institute and State University題為Evaluating the Influence of Row Orientation and Crown Morphology on Growth of Pinus taeda L. with Drone-Based Airborne Laser Scanning的研究論文。

研究比較了在美國(guó)管理的火炬松（Pinus taeda L.）中表現(xiàn)出不同樹(shù)冠結(jié)構(gòu)的6個(gè)基因型的個(gè)體樹(shù)冠（ITCs）。無(wú)人機(jī)激光掃描（DLS）數(shù)據(jù)被分類為ITC對(duì)象，研究中提出了計(jì)算ITC形狀指標(biāo)的新方法。樹(shù)干的位置是通過(guò)基于模型的聚類和基于聚類大小的加權(quán)方法來(lái)確定的。研究使用3維alphashapes技術(shù)在兩次相隔4年的同一地點(diǎn)的DLS數(shù)據(jù)采集中生成了ITC形狀指標(biāo)。在多個(gè)高度估算了樹(shù)冠與樹(shù)干的水平距離，并計(jì)算了特定方位角的3D體積。研究發(fā)現(xiàn)，樹(shù)冠形態(tài)在空間上、時(shí)間上以及6個(gè)基因型間存在顯著差異。

圖1 研究地點(diǎn)布局圖

首先，研究者們?cè)赗eynolds Homestead（RH）進(jìn)行了實(shí)地實(shí)驗(yàn)，該地點(diǎn)位于美國(guó)弗吉尼亞州的Piedmont地區(qū)。實(shí)驗(yàn)涉及6個(gè)火炬松基因型，每個(gè)基因型都有4個(gè)重復(fù)（區(qū)塊）的種植。這些基因型被設(shè)計(jì)為在群體內(nèi)具有同質(zhì)性，并確保了不同的樹(shù)冠結(jié)構(gòu)。研究地點(diǎn)的地形坡度在2°至15°之間變化。在2017年和2021年，所有樹(shù)木的DBH被測(cè)量，對(duì)于每個(gè)區(qū)塊中的25棵樹(shù)，還測(cè)量了樹(shù)頂高度和樹(shù)冠水平直徑。這些測(cè)量結(jié)果用于與DLS分析得出的樹(shù)冠體積進(jìn)行比較。圖1展示了Reynolds Homestead研究站點(diǎn)內(nèi)安裝的24個(gè)實(shí)地小區(qū)，以及6個(gè)基因型（G1至G6）的位置（圖1）。圖中的冠高模型是從2017年獲取的無(wú)人機(jī)激光掃描（DLS）數(shù)據(jù)中衍生出來(lái)的。

圖2 根據(jù)DLS數(shù)據(jù)分類的單個(gè)樹(shù)冠點(diǎn)云，2017年和2021年的數(shù)據(jù)空間匹配圖

然后，研究者們使用Vapor35平臺(tái)和YellowScan Surveyor Core LiDAR單元在2017年4月獲取了RH站點(diǎn)的DLS數(shù)據(jù)。在2021年7月，使用DJI M600六旋翼平臺(tái)和Riegl MiniVux1 LiDAR掃描儀重新飛越了RH站點(diǎn)。預(yù)處理和條帶調(diào)整在RiPROCESS軟件中進(jìn)行。所有預(yù)處理和分析都在R軟件中進(jìn)行。DLS數(shù)據(jù)通過(guò)隔離體素濾波器進(jìn)行預(yù)處理，以分類和移除潛在的噪聲點(diǎn)。然后使用基于模型的聚類方法對(duì)樹(shù)干進(jìn)行分類，并使用加權(quán)聚類方法基于大小對(duì)樹(shù)干進(jìn)行加權(quán)（圖2）。

圖3 楔形計(jì)算示例

研究者們使用alphashape 3D網(wǎng)格計(jì)算了每個(gè)完整的ITC點(diǎn)云，分別為2017年和2021年的兩次數(shù)據(jù)獲取。相同的α值被用于所有的ITCs。alphashape體積和表面積被計(jì)算出來(lái)。為了確定樹(shù)冠生長(zhǎng)的主要方向，研究者們?cè)谒�有ITCs中計(jì)算了水平橫截面多邊形，從地面以上1米開(kāi)始，每0.5米垂直計(jì)算一次，直到樹(shù)木的總高度。研究者們計(jì)算了從樹(shù)干中心到樹(shù)冠外部的水平距離，對(duì)于每個(gè)高度，每10°的方位角計(jì)算一次，說(shuō)明了如何通過(guò)3D網(wǎng)格細(xì)分來(lái)評(píng)估樹(shù)冠體積在不同方位角的變化（圖3）。最后，研究者們使用混合效應(yīng)模型分析了樹(shù)冠體積變化與基因型之間的關(guān)系，并評(píng)估了不同行向?qū)��?shù)木大小的影響。研究結(jié)果表明，樹(shù)冠體積的變化與基因型顯著相關(guān)，且南向的樹(shù)冠體積變化對(duì)樹(shù)干體積變化的影響大于北向。

論文鏈接：
https://doi.org/10.34133/plantphenomics.0264

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About Plant Phenomics
《植物表型組學(xué)》（Plant Phenomics）是由南京農(nóng)業(yè)大學(xué)創(chuàng)辦的英文學(xué)術(shù)期刊，于2019年1月正式上線發(fā)行。采用開(kāi)放獲取形式，刊載植物表型組學(xué)交叉學(xué)科熱點(diǎn)領(lǐng)域具有突破性科研進(jìn)展的原創(chuàng)性研究論文、綜述、數(shù)據(jù)集和觀點(diǎn)。具體范圍涵蓋高通量表型分析的最新技術(shù)，基于圖像分析和機(jī)器學(xué)習(xí)的表型分析研究，提取表型信息的新算法，作物栽培、植物育種和農(nóng)業(yè)實(shí)踐中的表型組學(xué)新應(yīng)用，與植物表型相結(jié)合的分子生物學(xué)、植物生理學(xué)、統(tǒng)計(jì)學(xué)、作物模型和其他組學(xué)研究，表型組學(xué)相關(guān)的植物生物學(xué)等。期刊已被DOAJ、Scopus、PMC、EI和SCIE等數(shù)據(jù)庫(kù)收錄�？祁Ｎò睯CR2023影響因子為7.6，位于農(nóng)藝學(xué)一區(qū)（1/125名），植物科學(xué)一區(qū)（13/265名），遙感一區(qū)（6/62名）。2023年中科院期刊分區(qū)位于農(nóng)林科學(xué)大類一區(qū)。2020年入選中國(guó)科技期刊卓越行動(dòng)計(jì)劃高起點(diǎn)新刊項(xiàng)目、2024年入選江蘇科技期刊卓越行動(dòng)計(jì)劃領(lǐng)軍期刊項(xiàng)目。

說(shuō)明：本文由《植物表型組學(xué)》編輯部負(fù)責(zé)組稿。
中文內(nèi)容僅供參考，一切內(nèi)容以英文原版為準(zhǔn)。
撰稿：章?lián)P（南京農(nóng)業(yè)大學(xué)）
編輯排版：王平、張婕（上海交通大學(xué)）
審核：尹歡、孔敏