基于CNN-XGBoost模型的多类型棉花叶片病害识别

为提高棉花生产和质量,需要对棉花叶片病害进行及时和准确的识别。然而,现有研究方法往往只能处理少数几种常见的病害类型,而无法覆盖更多的病害种类。本研究提出一种基于CNN-XGBoost模型的多类型棉花叶片病害识别方法,该方法能够识别出21种不同的病害类型,涵盖了细菌、真菌、病毒、营养缺乏等多种因素导致的病害。首先,收集约1.2万张棉花叶片病害图像样本,构建一个包含多种类型病害的数据集,对数据集进行预处理和增强操作,增加数据的多样性和难度;其次,设计一个CNN模型,利用卷积层和池化层提取棉花叶片图像的特征向量,将CNN模型的输出作为XGBoost模型的输入,使用XGBoost模型对特征向量进行分类;最后,采用加权交叉熵损失函数作为优化目标,通过反向传播算法更新CNN模型和XGBoost模型的参数。结果表明,本研究提出的CNN-XGBoost模型在21种类型棉花叶片病害上都能达到高精度的识别,平均准确率达到0.98,远高于其他对比方法,为棉花生产者提供了一个实用和高效的植物病害诊断工具,有助于及时发现和处理棉花叶片病害,从而提高棉花产量。

棉花叶片三维点云几何形状补全

棉花是新疆主要的经济作物之一,采用三维重建法自动获取棉花植株的表型数据,对实时监测棉花生长状态具有重要意义。由于遮挡、光线、分辨率等限制,获取的棉花植株点云不完整,因此本研究使用基于深度学习的点云补全PF-Net模型,对不完整的棉花叶片点云进行几何形态补全研究。首先采集多视角的棉花图像重建三维点云,然后利用聚类、最远点采样、归一化和数据增强等方法构建棉花叶片点云数据集,将数据带入PF-Net模型完成棉花叶片点云几何形态补全。结果表明,3种不同程度的缺失数据(25%,50%和75%)补全后的点云模型倒角距离值分别为11.8×10^(-3),9.9×10^(-3)和10.8×10^(-3),且补全后的棉花叶片点云可以保持原有的几何形态。因此,通过点云补全算法提供棉花植株叶片的完整三维模型,对棉花植株表型自动测量提供完整几何信息具有重要意义。

用机器视觉技术获取棉花叶片叶绿素浓度

运用机器视觉技术获取棉花叶片颜色特征，建立棉花叶片叶绿素测定模型。研究表明：（1）RGB颜色系统的B／R、色度坐标b、b／r值及HIS彩色系统中的饱和度S值均与棉叶叶绿素含量显著或极显著相关，可用于测定叶片叶绿素浓度；（2）棉花叶片正、背面RGB、HIS颜色系统的颜色特征值与叶绿素浓度的相关性高度一致，且叶片背面的颜色特征值与叶绿素浓度之间的相关性更高；（3）基于机器视觉技术建立和筛选出了6组棉叶叶绿素含量预测模型，预测误差在7．8％～13．65％之间。为棉花生长的快速监测提供了依据。

利用数码相机和成像光谱仪估测棉花叶片叶绿素和氮素含量

实时、无损监测棉花叶片的叶绿素和氮素含量对诊断棉花生理状况和氮肥精确管理具有重要意义。本研究基于MSI200成像光谱仪和数码相机2种可见光传感器,分析和比较了光谱和颜色参数与叶绿素、氮素浓度和SPAD读数的关系,并且确立了其定量预测模型。结果表明,不同传感器对叶绿素和氮素最敏感的波段分别为R710和R;光谱指数与叶绿素、氮素浓度和SPAD读数的相关性比原始光谱好,而且以蓝光和红光波段组成的差值指数(DI和R-B)的预测能力最佳;DI所建棉花叶片Chla+b、Chla、Chlb、N和SPAD读数的预测模型的预测误差分别为0.0058、0.0050、0.0018和2.3002mgg-1和4.9736(分别为均值的18.39%、19.47%、30.33%、11.69%和8.45%),预测精度R2分别为0.7965、0.7582、0.6608、0.7019和0.7338;R-B所建模型的预测性比DI差,对Chla+b的预测精度最高(R2=0.7400),而预测Chlb的精度最低(R2=0.5653)。基于CIE1976L*a*b*颜色模型的颜色参数b*和HSI颜色模型的S是2种传感器与叶绿素、氮素浓度和叶色关系较好的颜色参数;b*对叶绿素、氮素浓度和SPAD读数的预测能力稍逊于DI,预测误差和精度都与DI的比较接近;而饱和度S值的预测RRMSE最大,整体预测精度小于0.62。因此,可以利用可见光成像传感器的光谱和颜色参数估测棉花叶片叶绿素和氮素含量。

干旱胁迫及复水对棉花叶片氮代谢的影响

以不同抗旱型棉花品种新陆早7号和新陆早24号幼苗为试材,研究持续干旱胁迫及复水对棉花幼苗叶片氮代谢关键酶活性、可溶性蛋白质、总氮和游离氨基酸含量的影响。结果显示:随着干旱胁迫天数的增加,新陆早7号和新陆早24号硝酸还原酶(NR)活性与对照相比分别降低51.67%和74.22%;谷氨酰胺合成酶(GS)活性分别降低50.65%和72.95%;谷氨酸合成酶(GOGAT)活性分别降低43.11%和68.36%;谷氨酸脱氢酶(GDH)活性在处理4d达到最大值;可溶性蛋白质含量分别增加了56.96%和34.12%;总氮含量分别增加了11.39%和8.43%;内肽酶活性分别增加了115.76%和165.06%;铵离子含量分别增加了92.29%和111.56%。干旱胁迫使新陆早7号在胁迫前期游离氨基酸含量增加慢,后期增加快;新陆早24号游离氨基酸含量的变化趋势与新陆早7号则相反。复水后,新陆早7号NR、GS、GOGAT和GDH等活性恢复较快,内肽酶活性和游离氨基酸、铵离子、可溶性蛋白质和总氮含量下降也较快。试验表明,抗旱棉花品种具有较强的铵离子同化能力,增加渗透调节物质游离氨基酸含量,特别是脯氨酸含量增强其耐旱性。

策勒高产棉实验区两种棉花叶片不同生育期气体交换特征的比较

在位于塔克拉玛干沙漠南缘的策勒高产棉实验区 ,在同样的气候、土壤、灌溉和栽培管理条件下 ,对秦远 4号和晋棉 2 1叶片 4个生育期的气体交换特征进行了测定。测试结果表明 ,两种棉花叶片的光合速率在不同生育期的排列为 :花期>铃期 >蕾期 >吐絮期。秦远 4号叶片的净光合速率 ( An)和气孔导度 ( gs)明显高于晋棉 2 1 ,最大光合速率 Am( light)和光量子效率 ( ф)也明显高于晋棉 2 1。两种棉花叶片的光合能力与各自的皮棉产量呈显著正相关。晋棉 2 1叶片的水势在花期和铃期显著低于秦远 4号 ,其蒸腾速率 ( E)和气孔导度 ( gs)也明显低于秦远 4号 ,我们推测这是造成两者叶片光合能力和产量显著差异的重要原因。根据实验结果建议 ,在塔克拉玛干沙漠南缘棉区对这两种棉花应该采用不同的栽培管理措施。

Bt基因导入对棉花叶片生长特征的影响

以转基因抗虫棉与受体及亲本品种为试验材料,研究抗虫Bt基因导入对棉花叶片生长发育的影响。结果表明,Bt基因导入使棉花叶片生长特征发生变化。常规抗虫棉品种主茎叶片数量减少,在不同生育阶段出叶速度有所变化;果枝叶数增加或减少,且增长速率具有前快后慢和前慢后快型。杂交抗虫棉品种则表现为叶数增加和出叶速度快。抗虫棉单株叶面积的变化有3种形式,一是在盛花前叶面积都以是主茎叶为主体,二是与常规棉相同,但叶面积更大,这类棉花主要是抗虫棉杂交种,三是是前中期与常规棉相同,至盛铃期果枝叶面积达到高峰。转Bt基因抗虫棉群体的最适LAI范围为4.0～4.5,实现抗虫棉高产的群体适宜LAI应出现在盛铃期。

南疆地区棉花叶片水分利用效率的影响因素分析

在新疆巴音郭楞蒙古自治州水利管理处国家重点灌溉试验站,利用LCpro+全自动便携式光合仪对覆膜沟灌条件下的棉花光合作用进行系统监测,来分析南疆地区棉花叶片水分利用效率的影响因素,为提高棉花叶片水分利用效率提供科学依据。分析结果显示:棉花叶片水分利用效率的影响因素主要有棉叶温度、气孔导度及胞间CO2浓度,其中气孔导度与棉叶水分利用效率呈显著正相关,而棉叶温度和胞间CO2浓度与其呈显著负相关。因此,可通过降低棉叶温度,提高气孔导度,减小胞间CO2浓度等措施来提高棉叶水分利用效率。

不同水分处理对棉花叶片叶绿素含量、光合速率及产量的影响研究

通过不同水分处理的田间试验,研究了不同田间持水量条件下不同生育时期叶片叶绿素含量与光合速率以及产量的关系。结果表明:田间持水量过高和过低,叶绿素含量均下降,叶片光合速率和干物质积累及最终产量都受到不同程度的影响。

盐胁迫诱导的棉花叶片细胞程序性死亡

为明确盐胁迫是否可以诱导棉花叶片发生细胞程序性死亡,用0.5%的NaCl溶液对棉花叶片进行胁迫处理,在DNA琼脂糖凝胶电泳图谱上观察到明显的DNA拖尾现象,即NaCl处理诱发了DNA核小体间的断裂,从而表现出典型的细胞程序性死亡的生化特征。表明NaCl诱导棉花叶片死亡过程中,存在一个明显的细胞程序性死亡阶段。

棉花叶片正常变黄脱落与早衰的辨析

棉花叶片主要有光合作用、储藏作用、蒸腾作用、呼吸作用,其中光合作用是最主要的功能。棉花叶片的寿命随品种的不同而不同,有的长、有的短,即有的落叶早、有的落叶晚。棉花叶片变黄落叶早晚一般由品种的特性决定的,瘠薄、长时间旱涝等不良栽培条件也可导致棉花叶片过早变黄脱落。因此,要根据实际情况,正确分辨叶片变黄落叶原因。1棉铃对位叶完成供应蕾铃营养后会变黄脱落棉铃基部的叶片,称为对位叶。

棉花叶片双向电泳体系的研究

以棉花叶片为材料,比较分析了不同叶位棉花叶片总蛋白提取方法、线性固相pH梯度(Immobilized pHgradient,IPG)胶条pH值、上样量、水化上样缓冲液中还原剂和两性电解质等对电泳结果的影响。结果表明,三氯乙酸-丙酮沉淀法结合甲醇等有机溶剂洗涤纯化样品能获得纯度较高的棉花叶片蛋白样品。24 cm pH 5～8的线性IPG胶条,300μg上样量,水化上样缓冲液中用还原剂TBP(三丁基膦)代替DTT(二硫苏糖醇),两性电解质pH 3～10和pH 5～8按1∶1(V/V)的比例混合使用,并结合适宜的双向电泳参数,可获得背景清晰、重复性较好、蛋白点数目多且分辨率高的双向电泳图谱。从而建立了一套适合于棉花叶片蛋白组学分析的双向电泳技术体系。

低温胁迫下两叶一心期棉花叶片的生理响应和转录组分析

以CN01和SJB016(耐低温)为材料,研究了低温处理对两叶一心期棉花叶片的影响。测定了25℃(CK)和12℃(低温)处理0、3、6、12、24、48和72 h后CN01和SJB016中丙二醛(MDA)、可溶性糖(SS)和脯氨酸(Pro)含量的变化。研究发现,与25℃相比,12℃处理后CN01和SJB016中MDA、SS和Pro含量均上升。与CN01相比,低温处理后SJB016中MDA含量上升幅度较小,SS含量上升幅度较大,而Pro含量上升幅度较小。结合上述3个指标,发现12℃处理6 h棉花叶片的生理指标变化最明显。对12℃处理6h的两叶一心期棉花叶片进行了RNA-seq。结果表明,与25℃相比,12℃处理后与光合作用相关的基因在CN01中均表现为上调,而光系统Ⅱ放氧复合物(PsdP、PsdQ)等基因在SJB016中表现为下调。与植物激素相关差异的基因在CN01和SJB016中表现为上调基因多于下调基因,其中乙烯响应转录因子ERF053、ERF020、ERF061表现为显著上调。这些基因可能对提高棉花的抗寒性有重要作用。

基质分散固相萃取-QuEChERS耦合HPLC法测定棉花叶片中吡虫啉及其相关代谢物

建立了QuEChERS前处理的棉花叶片中吡虫啉及其代谢物含量的高效液相色谱(HPLC)分析方法。在QuEChERS前处理方法的基础上,确定了乙腈作为提取剂,盐析材料为1.00 g氯化钠、4.00 g无水硫酸镁、0.50 g柠檬酸二钠和1.00 g柠檬酸钠,净化材料为25 mg的N-丙基乙二胺(PSA),在2%乙腈-甲醇∶水=3∶7条件下HPLC法进行定量测定。结果表明:棉花叶片中的吡虫啉及其4种代谢物吡虫啉脲、烯式吡虫啉、吡虫啉胍和6-氯烟酸的平均加标回收率为92.84%~110.90%,相对标准偏差(RSD)在0.15%~6.99%之间,检出限(LOD)分别为0.0044、0.042、0.0011、0.091 mg·kg^-1和0.0066 mg·kg^-1,定量限(LOQ)分别为0.015、0.19、0.0059、0.036 mg·kg^-1和0.028 mg·kg^-1。该分析方法前处理简便、快速、准确,可为棉花叶片中吡虫啉及其代谢物残留的测定提供参考。

外源Bt基因对棉花叶片解剖结构的影响

研究利用棉花植株的抗虫性控制棉铃虫的为害已被人们越来越重视。最近几年对转基因棉花的抗虫性、产量性状等进行了较深入的研究并多有报道，但对外源Ｂｔ基因导入棉株后对棉叶内部结构产生的影响末见报道。自１９９５年我们引种试种转基因抗虫棉，对产量性状、抗虫性和叶...

基于高光谱的棉花叶片氮素检测

采用高光谱技术检测棉花叶片氮素是本次研究的主要手段。选用新疆南疆最具代表性的棉花作物作为研究对象,采用连续投影算法(successive projections algorithm,简称SPA)和标准正态变量变换方法(standard normal variate transformation,简称SNV)等算法进行光谱预处理,并利用偏最小二乘回归模型(PLS)预测棉花叶片氮素情况,探究棉花叶片氮素和高光谱之间的关系。结果显示:SPA-PLS算法的逐渐回归结果的R值最小能达到0.8032,预测精度能达到0.9647以上,RMSEP最大为0.2604,RMSECV最大为0.1414,预测参数都达到较好效果,说明利用高光谱成像技术能够快速、准确的检测棉花叶片氮素含量,为精准施肥和生态环境保护提供帮助。

超分辨率方法在复杂棉花叶片图像的比较研究

随着计算机技术的快速发展,数字图像处理技术在农业领域中的应用越来越广泛。其中,超分辨率技术是一种重要的图像处理方法,可以通过提高图像的空间分辨率来获取更多的细节信息,对于农业生产中的作物叶片图像分析具有重要意义。在农业复杂环境中,使用超分辨率重建技术可以提高图像的分辨率,本文以复杂棉花叶片图像为研究对象,比较了当前几种主流的超分辨率方法的性能,为后期的目标提取和特征检测中起到重要作用。实验采用6种方法对棉田图像进行超分辨率重建处理,以比较性能差异。结果表明,基于卷积网络SRFBN超分辨率重建方法得到的图片的PSNR值较其他方法,性能有明显提升,更适合用于棉花叶片图像的超分辨率重构。

棉花叶片气孔制片方法比较及改良

为了快速制作适合光学显微镜下观测的棉花叶片气孔切片,本研究采用不同方法对棉花叶片气孔进行切片制作,观察气孔的形态、数量、长度、宽度等形态特征。结果表明:用指甲油涂抹印迹法、透明胶带粘贴法都能够得到不同清晰程度的气孔切片,但这两种方法在操作过程中存在着撕取难、易移位等缺点。本研究针对以上缺点对两种方法进行了综合改进,改进后的综合法能够克服撕取难和易移位的不足,更快速地得到清晰的棉花叶片气孔切片,为棉花及其它植物叶片气孔切片制作提供了方法和技术支持。