基于3D冠层的玉米株行距及行向种植策略优化研究

Reasonable planting strategy could not only fully excavate the yield potential of maize colony, it is also the most economic, effective, and easy way to promote for increasing production. However, the determination of maize planting density and row spacing are mainly based on production experience or recommendation of breeding institution, which is difficult to form quantitative, individualized, and precise planting strategy for different ecological sites and maize varieties. Therefore, it is urgent to optimize the row spacing, planting distance, and row orientation of maize colony in different ecological sites and cultivars for maize research and production. Taking three dimensional (3D) spatial heterogeneity of maize canopy and efficient utilization of light resources as the breakthrough point, this project studies the row spacing, planting distance, and row orientation strategy optimization based on 3D canopy modeling. It mainly studies multiscale high throughput maize phenotypic data acquisition technology, 3D reconstruction and verification method of maize canopy, and optimization system for row spacing, planting distance, and row orientation strategy based on canopy structure and light distribution models. Field experiments will be designed to verify and calibrate related technical methods. The project aims to provide information technology for the precise planting of maize and the precision operation of maize mechanization. It will also provide a theoretical basis for the theory of high yield and quality of maize and efficient utilization of resources.

玉米合理密植不仅能够充分挖掘群体增产潜力，还是最经济有效、易于推广应用的增产措施。然而，目前我国玉米栽培密度和株行距的确定大多还是依靠生产经验或育种单位推荐，难以形成针对不同生态点和品种的定量化、个性化、精准化种植方案。因此，面向不同生态点和品种株型的玉米株行距和行向优化是玉米科研和生产中亟待解决的问题。本项目综合应用农学、数学和计算机图形图像处理技术，以玉米冠层三维空间异质性和光资源高效利用为切入点，开展基于三维冠层的株行距及行向种植策略优化研究，重点研究玉米多尺度表型数据高通量获取技术、玉米冠层三维重建和验证方法，构建基于冠层结构和光分布计算的玉米种植株行距和行向优化技术体系，设计并开展多年的田间试验对相关方法进行验证和校准，实现不同生态点、不同品种株型的种植株行距和行向的评价与优化，以期为玉米合理密植和机械化精准作业提供信息化技术手段，为玉米高产优质理论和资源高效利用提供理论依据。

玉米合理密植不仅能够充分挖掘群体增产潜力，还是最经济有效、易于推广应用的增产措施。然而，我国玉米栽培密度、株行距和行向的确定还是依靠生产经验或企业推荐，难以形成针对不同生态点和品种的定量化、个性化、精准化种植方案。因此，面向不同生态点和品种株型的玉米株行距和行向优化是玉米科研和生产中亟待解决的问题。本项目以玉米冠层三维空间异质性和光资源高效利用为切入点，开展玉米多尺度表型信息高通量获取、玉米形态建成模型构建、玉米冠层三维重建和玉米种植株行距和行向优化方法研究。经过4年的研究工作，项目组发展并完善了玉米植株高通量表型平台，构建了田间轨道式高通量表型平台，可以实现玉米植株与冠层表型数据的高通量采集，并实现了基于深度学习等方法的玉米节单位、植株和群体多尺度的形态结构表型解析；在此基础上，研究了不同品种株型的节单位参数定量关系模型，提出了基于3D节单位的玉米植株与群体三维建模方法，实现了组装式的玉米植株与群体几何模型的快速构建；进一步，以株高、植株生长位置和朝向等表型信息为驱动，以冠层覆盖度和冠隙分数为约束，实现了表型信息驱动的玉米群体三维重建；提出了基于细分半球的作物群体冠隙分数和散射光分布计算方法，发展了基于3D可视化的玉米群体光合模型，进一步整合玉米多尺度表型解析、玉米群体三维重建和玉米冠层光合模型，构建了基于三维可视计算的玉米种植株行距和行向优化技术体系，分别在北京通州和新疆奇台两个试验点，实现了不同行距配比和不同行向的优化计算。成果方面，出版专著1部，发表论文19 篇，包括SCI论文12 篇，EI 期刊论文2 篇；申报8 项发明专利和2项实用新型专利，其中2 项发明专利获得授权；获得软件著作权登记证书3 项，完成了项目的预期目标。项目成果为玉米合理密植和机械化精准作业提供技术手段，为玉米高产优质栽培和资源高效利用提供理论依据。