一种基于根部切片性状预测根部整体性状的方法、系统、设备及介质

本发明涉及植物根部研究，尤其涉及一种基于根部切片性状预测根部整体性状的方法、系统、设备及介质。

背景技术：

1、玉米根系的多样性表现在根系角度、各种根的数量、根冠内根的长度或直径、面积等多个方面，这些性状统称为根系结构。根系结构在塑造植物的锚定、营养吸收和应对逆境等重要农艺特性方面发挥着关键作用，是影响玉米产量的重要因素。同时，改良根系结构是提高密植田地玉米产量的重要手段。然而，由于玉米根生长介质的不透明性和根系结构的复杂性，以及玉米根系可深达数米，使得观察和测量玉米根系的定量表型非常具有挑战性。应对这一挑战需要跨越多个学科领域的合作，包括数学、计算机科学、植物生物学、植物育种和农学等，增加了研究和应用的复杂性。

2、因此，本发明提供一种基于根部切片性状预测根部整体性状的方法，结合人工智能技术，能够更加高效和准确地分析玉米根系结构，有助于改良玉米根系结构和提高玉米产量。

技术实现思路

1、本发明提供一种根部整体性状预测模型的构建方法、系统、设备及介质，用以解决现有技术难以测定复杂的玉米根系结构的缺陷。

2、本发明提供一种基于根部切片性状预测根部整体性状的方法、系统、设备及介质，用以解决现有技术难以测定复杂的玉米根系结构的缺陷。

3、本发明提供一种根部整体性状预测模型的构建方法，包括：

4、获取植物样本的根部切片性状数据和根部整体性状数据；

5、根据植物样本的根部切片性状数据和根部整体性状数据，利用袋装分类回归树算法，训练得到根部整体性状预测模型，用于根据待测植物的根部切片性状数据预测待测植物的根部整体性状数据。

6、在一种实施方案中，根部切片性状数据包括以下任一项或其任意组合：主根切片性状数据、初生根切片性状数据、侧根切片性状数据、冠根切片性状数据。

7、在一种实施方案中，主根切片性状数据包括以下任一项或其任意组合：主根分化带直径、主根分生组织区直径、主根分生区表面积、主根分生组织区柱直径、主根分生区柱表面积、主根分生组织区皮层直径、主根分生组织区韧皮部数、主根伸长区直径、主根伸长区柱直径。

8、在一种实施方案中，初生根切片性状数据包括以下任一项或其任意组合：初生根分化区表面积、初生根分化带柱直径、初生根分化带柱表面积、初生根分化带皮层直径、初生根分化区皮层表面积、初生根分化区木质部数量、初生根分化区木质部平均直径、初生根分化区木质部平均表面积、初生根分化区韧皮部数、初生根分化区韧皮部平均直径、初生根分化区韧皮部平均表面积、初生根分生区皮层表面积、初生根分生组织区木质部数量、初生根分生组织区木质部平均直径、初生根分生组织区木质部平均表面积、初生根分生组织区韧皮部平均直径、初生根分生组织区韧皮部平均表面积、初生根伸长区表面积、初生根伸长区柱表面积、初生根伸长区皮质直径、初生根伸长区皮层表面积、初生根伸长区木质部数量、初生根伸长区木质部平均直径、初生根伸长区木质部平均表面积、初生根伸长区韧皮部数、初生根伸长区韧皮部平均直径、初生根伸长区韧皮部平均表面积。

9、在一种实施方案中，侧根切片性状数据包括以下任一项或其任意组合：侧根分化带直径、侧根分化区表面积、侧根分化带柱直径、侧根分化带柱表面积、侧根分化带皮层直径、侧根分化区皮层表面积、侧根分化区木质部数量、侧根分化区木质部平均直径、侧根分化区木质部平均表面积、侧根分化区韧皮部数、侧根分化区韧皮部平均直径、侧根分化区韧皮部平均表面积、侧根分生组织区直径、侧根分生区表面积、侧根分生组织带的柱直径、侧根分生区柱表面积、侧根分生组织区皮层直径、侧根分生区皮层表面积、侧根分生组织区木质部数量、侧根的木质部平均直径分生组织区、侧根分生组织区木质部平均表面积、侧根的韧皮部数分生组织区、侧根分生组织区韧皮部平均直径、侧根分生组织区韧皮部平均表面积、侧根伸长区直径、侧根伸长区表面积、侧根伸长区柱径、侧根伸长区柱表面积、侧根伸长区皮质直径、侧根伸长区皮层表面积、侧根伸长区木质部数量、侧根伸长区木质部平均直径、侧根伸长区木质部平均表面积、侧根伸长区韧皮部数、侧根伸长区韧皮部平均直径、侧根伸长区韧皮部平均表面积。

10、在一种实施方案中，冠根切片性状数据包括以下任一项或其任意组合：冠根分化带直径、冠根分化带表面积、冠根分化带柱直径、冠根分化带柱表面积、冠根分化带皮层直径、冠状根分化带皮层表面积、冠根分化区木质部数量、冠根分化带木质部平均直径、冠根分化区木质部平均表面积、冠根分化区韧皮部数、冠根分化带韧皮部平均直径、冠根分化区韧皮部平均表面积、冠根分生组织区直径、冠根分生组织区表面积、冠根分生组织带的柱直径、冠根分生带的柱表面积、冠根分生组织区皮质直径、冠根分生组织区皮层表面积、冠根分生组织区木质部数量、冠根分生组织区木质部平均直径、冠根分生组织区木质部平均表面积、冠根分生组织区韧皮部数、冠根分生组织区韧皮部平均直径、冠根分生组织区韧皮部平均表面积、冠根伸长区直径、冠根伸长区表面积、冠根伸长区柱直径、冠根伸长区柱表面积、冠根伸长区皮质直径、冠根伸长区皮质表面积、冠根伸长区木质部数量、冠根伸长区木质部平均直径、冠根伸长区木质部平均表面积、冠根伸长区韧皮部数、冠根伸长区韧皮部平均直径、冠根伸长区韧皮部平均表面积。

11、在一种实施方案中，根部整体性状数据包括以下任一项或其任意组合：主根长度、主根面积、主根体积、总根长、总根面积、总跟体积。

12、在一种实施方案中，所述根据植物样本的根部切片性状数据和根部整体性状数据，利用袋装分类回归树算法，训练得到根部整体性状预测模型，包括：

13、将植物样本的根部切片性状数据和根部整体性状数据按预设比例分为训练数据集和测试数据集；

14、将训练数据集中所有根部切片性状数据和任一种根部整体性状数据进行组合，形成切片性状-整体性状数据集；

15、利用多次交叉检验的抽样法，从切片性状-整体性状数据集中有放回地多次随机抽取若干个子数据集；

16、根据若干个子数据集，通过最小化误差平方和，分别训练得到若干回归树，若干回归树构成根部整体性状预测模型，并以若干回归树的预测值的平均值作为根部整体性状预测模型的预测结果。

17、在一种实施方案中，误差平方和的表达式为：

18、

19、误差平方和的表达式中，yi表示子数据集的根部整体性状数据，即子数据集d＝{(x1,y1),(x2,y2),…(xn,yn)}的连续值变量，xi表示子数据集的根部切片性状数据，即特征值，j、s表示第j个根部整体性状数据的划分点s，r1(j,s)表示在第j个根部整体性状数据的划分点s下小于划分点特征值的所有特征值及其对应变量，r2(j,s)表示在第j个根部整体性状数据的划分点s下大于划分点特征值的所有特征值及其对应变量，c1表示区域r1(j,s)的因变量均值，c2表示区域r2(j,s)的因变量均值，n1表示区域r1(j,s)的样本数，n2表示区域r2(j,s)的样本数。

20、在一种实施方案中，还包括：

21、利用测试数据集对根部整体性状预测模型进行测试，并得到模型预测的根部整体性状数据与测试数据集中对应的根部整体性状数据之间的相关性系数(r值)和p值(概率值)，以评估根部整体性状预测模型的预测精度和统计学意义。

22、在一种实施方案中，还包括：

23、得到所有根部切片性状数据对根部整体性状预测模型预测每一种根部整体性状数据的特征重要性；

24、根据所有根部切片性状数据对根部整体性状预测模型预测每一种根部整体性状数据的特征重要性，结合模型预测的根部整体性状数据与测试数据集中对应的根部整体性状数据之间的相关性系数，从所有根部切片性状数据中筛选出用于根部整体性状预测模型预测待测植物的每一种根部整体性状数据的重要特征。

25、在一种实施方案中，用于根部整体性状预测模型预测待测植物的总根面积的重要特征包括以下任一项或其任意组合：侧根伸长区直径、冠根伸长区木质部平均表面积、冠根分化带韧皮部平均直径、冠根分生组织区表面积、冠根伸长区韧皮部数。

26、当使用待测植物的侧根伸长区直径、冠根伸长区木质部平均表面积、冠根分化带韧皮部平均直径、冠根分生组织区表面积、冠根伸长区韧皮部数预测待测植物的总根面积时，根部整体性状预测模型的相关性系数为0.39。

27、在一种实施方案中，用于根部整体性状预测模型预测待测植物的主根体积的重要特征包括以下任一项或其任意组合：冠根分化带皮层直径、初生根分生组织区木质部平均表面积、冠根分生带的柱表面积、冠根伸长区直径、侧根伸长区韧皮部平均直径。

28、当使用待测植物的冠根分化带皮层直径、初生根分生组织区木质部平均表面积、冠根分生带的柱表面积、冠根伸长区直径、侧根伸长区韧皮部平均直径预测待测植物的主根体积时，根部整体性状预测模型的相关性系数为0.4。

29、本发明还提供一种根部整体性状模型的构建系统，包括：

30、数据获取模块，用于：获取植物样本的根部切片性状数据和根部整体性状数据；

31、模型训练模块，用于：根据植物样本的根部切片性状数据和根部整体性状数据，利用袋装分类回归树算法，训练得到根部整体性状预测模型，用于根据待测植物的根部切片性状数据预测待测植物的根部整体性状数据。

32、本发明提供一种基于根部切片性状预测根部整体性状的方法，包括：

33、接收待测植物的根部切片性状数据，其中，待测植物的物种与上述任一种所述的根部整体性状预测模型的构建方法使用的植物样本的物种一致；

34、根据待测植物的根部切片性状数据，通过上述任一种所述的根部整体性状预测模型的构建方法得到的根部整体性状预测模型，预测得到待测植物的根部整体性状数据。

35、在一种实施方案中，待测植物的根部整体性状数据包括总根面积和/或主根体积。

36、在一种实施方案中，当预测待测植物的总根面积时，待测植物的根部切片性状数据包括以下任一项或其任意组合：侧根伸长区直径、冠根伸长区木质部平均表面积、冠根分化带韧皮部平均直径、冠根分生组织区表面积、冠根伸长区韧皮部数。

37、在一种实施方案中，当预测待测植物的主根体积时，待测植物的根部切片性状数据包括以下任一项或其任意组合：冠根分化带皮层直径、初生根分生组织区木质部平均表面积、冠根分生带的柱表面积、冠根伸长区直径、侧根伸长区韧皮部平均直径。

38、本发明还提供一种基于根部切片性状预测根部整体性状的系统，包括：

39、数据接收模块，用于：接收待测植物的根部切片性状数据，其中，待测植物的物种与上述任一种所述的根部整体性状预测模型的构建方法使用的植物样本的物种一致；

40、预测模块，用于：根据待测植物的根部切片性状数据，通过上述任一种所述的根部整体性状预测模型的构建方法得到的根部整体性状预测模型，预测得到待测植物的根部整体性状数据。

41、本发明还提供一种电子设备，包括处理器和存储有计算机程序的存储器，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述任一种所述的根部整体性状预测模型的构建方法和/或基于根部切片性状预测根部整体性状的方法。

42、本发明还提供一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现上述任一种所述的根部整体性状预测模型的构建方法和/或基于根部切片性状预测根部整体性状的方法。

43、本发明还提供一种计算机程序产品，所述计算机程序产品包括计算机程序，计算机程序可存储在非暂态计算机可读存储介质上，所述计算机程序被处理器执行时，计算机能够执行上述任一种所述的根部整体性状预测模型的构建方法和/或基于根部切片性状预测根部整体性状的方法。

44、本发明提供的一种基于根部切片性状预测根部整体性状的方法、系统、设备及介质，根据植物样本的根部切片性状数据和根部整体性状数据，利用袋装分类回归树算法，训练得到高精度的根部整体性状预测模型，并筛选出用于预测每一种根部整体性状数据的重要特征，可以将需要预测的待测植物的根部整体性状对应的少量重要特征输入根部整体性状预测模型，即可快速地得到准确的待测植物根部整体性状预测结果，能够协助高效地分析玉米根系结构，有助于指导玉米根部的田间管理、改良玉米根系结构和提高玉米产量。