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Stem–Leaf Segmentation and Phenotypic Trait Extraction of Individual Maize Using Terrestrial LiDAR Data

分割 特质 茎叶展示 激光雷达 性状 图像分割 区域增长 预处理器 生物 人工智能 农学 计算机科学 遥感 表型 尺度空间分割 地理 基因 生物化学 程序设计语言
作者
Shichao Jin,Yanjun Su,Fangfang Wu,Shuxin Pang,Shang Gao,Tianyu Hu,Jin Liu,Qinghua Guo
出处
期刊:IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing [Institute of Electrical and Electronics Engineers]
卷期号:57 (3): 1336-1346 被引量:124
标识
DOI:10.1109/tgrs.2018.2866056
摘要

Accurate and high throughput extraction of crop phenotypic traits, as a crucial step of molecular breeding, is of great importance for yield increasing. However, automatic stem-leaf segmentation as a prerequisite of many precise phenotypic trait extractions is still a big challenge. Current works focus on the study of the 2-D image-based segmentation, which are sensitive to illumination and occlusion. Light detection and ranging (LiDAR) can obtain accurate 3-D information with its active laser scanning and strong penetration ability, which breaks through phenotyping from 2-D to 3-D. However, few researches have addressed the problem of the LiDAR-based stem-leaf segmentation. In this paper, we proposed a median normalized-vector growth (MNVG) algorithm, which can segment stem and leaf with four steps, i.e., preprocessing, stem growth, leaf growth, and postprocessing. The MNVG method was tested by 30 maize samples with different heights, compactness, leaf numbers, and densities from three growing stages. Moreover, phenotypic traits at leaf, stem, and individual levels were extracted with the truly segmented instances. The mean accuracy of segmentation at point level in terms of the recall, precision, F-score, and overall accuracy were 0.92, 0.93, 0.92, and 0.93, respectively. The accuracy of phenotypic trait extraction in leaf, stem, and individual levels ranged from 0.81 to 0.95, 0.64 to 0.97, and 0.96 to 1, respectively. To our knowledge, this paper proposed the first LiDAR-based stem-leaf segmentation and phenotypic trait extraction method in agriculture field, which may contribute to the study of LiDAR-based plant phonemics and precise agriculture.

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