绣球菌子实体农艺指标动态模拟及三维重建研究

摘    要：为构建绣球菌子实体工厂化生长模型，揭示绣球菌形态和产量的形成过程，并实现绣球菌子实体三维可视化及表型参数的自动提取，以闽绣1号为材料，开展2次工厂化栽培试验。每隔1 d，手动采集绣球菌子实体农艺指标，并在成熟期获取产量和子实体多视角图像数据。通过SPSS软件分析，建立绣球菌子实体高度、长度、宽度、产量及整个菌包质量等农艺指标随生长天数的模型，模型决定系数范围为0.935～0.995，经检验模型预测效果较好，平均相对误差范围为2.39%～8.09%。然后，以绣球菌子实体的高度、长度、宽度为自变量无损地评估绣球菌生产过程的产量动态变化。最后，基于绣球菌子实体多视角图片数据，实现了绣球菌子实体三维可视化以及子实体高度、长度、宽度、表面积、体积等表型参数的自动提取，三维模型算法计算值与人工测量值或者计算值相比，平均相对误差均小于14%，为绣球菌高通量表型参数自动获取及优良新品种选育提供重要支撑。

关键词：绣球菌；农艺指标；模型；三维重建

中图分类号：S646 文献标志码：A 文章编号：1673-2871（2024）08-092-08

Dynamic simulation of agronomic indicators and three-dimensional reconstruction for fruiting bodies of Sparassis crispa

HUANG Yuyan， WANG Tao， XU Haobin， PU Baoshan， CHEN Yongkuai

（Institute of Digital Agriculture， Fujian Academy of Agricultural Sciences， Fuzhou 350003， Fujian， China）

Abstract： In order to establish a factory growth model for fruiting bodies of Sparassis crispa， reveal the formation process of the morphology and yield of fruiting bodies of S. crispa， realize three-dimensional visualization and automatic extraction of phenotypic parameters. Minxiu No. 1 was used as experimental material， two factory cultivation experiments were carried out. The agronomic indexes of fruiting bodies of S. crispa were collected every 2 days， yield and multi-view image data were obtained at the maturity stage. Through SPSS software analysis， the model of the agricultural indicators such as the height， length， width， yield of fruiting bodies and mass of the whole S.crispa package with the growth days were established， the determination coefficients of the simulation model were between 0.935 and 0.995， the prediction effects were good， the mean relative errors ranged from 2.39% to 8.09%. Then， the yield of fruiting bodies of S. crispa were evaluated non-destructively by using the fruiting bodies height， length and width as independent variables. Finally， based on multi-view picture of fruiting bodies of S. crispa， three-dimensional visualization and the automatic extraction of the height， length， width， surface area， volume of fruiting bodies were realized， compared with manual measurements or calculated value， the mean relative errors were less than 14%， which provides important support for high-throughput phenotypic parameters obtained automatically and excellent new variety breeding of S. crispa.

Key words： Sparassis crispa; Agronomic indicator; Model; Three-dimensional reconstruction

绣球菌（Sparassis crispa）又名花椰菜菇、绣球菇、地花蘑、白地花、白绣球花，子实体肉质洁白细嫩，不仅味道鲜美、营养价值高，而且具有调节免疫、抗氧化、降血糖、降血脂、抗病毒等医疗和保健功效，是一种药食同源的大型真菌[1-3]。绣球菌属中温型菌类，子实体直径10～20 cm，单朵质量可达250 g，其生长发育对环境的温度、湿度、光照、空气等要求相对较高[4-6]。2010年，福建省农业科学院食用菌研究所通过多年技术攻关，绣球菌工厂化栽培工艺获发明专利，率先在全国成功实现绣球菌工厂化栽培，并建立多个栽培基地，丰富了食用菌工厂化种植种类，有效提高了菌菇种植效益[5-6]。

食用菌模拟模型是优化栽培管理、辅助生产环境调控和实现栽培管理标准化的有力工具[6]。袁俊杰[7]研究了鸡腿菇子实体直径、高度、质量与温度及湿度的关系，建立了基于温度和湿度的鸡腿菇动态生长速率模型。于海龙[8]构建基于温度和湿度的杏鲍菇产量模型以及基于温度和湿度的杏鲍菇子实体生长发育模型。薛雨[9]通过机器视觉技术得到香菇菌盖高度、菌盖直径、菌柄高度、菌柄直径等随时间变化的关系曲线。张康[10]建立菌丝在不同的温度、湿度、CO2浓度条件下，生长速度随时间变化的数学模型，并经验证模型精度较高。目前，我国食用菌模型在杏鲍菇、鸡腿菇、香菇中研究较多，同时将机器视觉技术用于相关研究，强化了研究的便捷性和准确性。周军等[11]采用机器视觉的方法对杏鲍菇的原基数目进行统计，并建立了原基速率的数学模型。胡东等[12]利用图像处理技术对猪肚菇菌落图像进行处理，提取菌落大小、形状和纹理等相关的14个表型指标。陈燕等[13]利用VGG-UNet模型，获取香蘑菌丝体分割图像，并利用OpenCV获取菌丝体的半径、面积、周长、圆整度、覆盖度等，实现食用菌菌丝体表型参数自动测量。

近年来，绣球菌栽培发展较快，目前我国绣球菌工厂化栽培鲜品每天产量超过20 t，有效提升了种植效益[14]。目前，国内对绣球菌的研究多集中在绣球菌液体菌种培养、栽培基质配方、环境参数调控等方面，而针对绣球菌工厂化生长模型缺乏研究，未见明确的子实体生长动态数学模型及三维可视化的研究报道[15]。农艺指标是绣球菌生长发育的重要参数，对评价绣球菌生长情况、采收决策及菇房管理等具有重要意义。因此，定量分析绣球菌生产过程中农艺指标的动态变化，有利于揭示绣球菌形态和产量的形成过程，亦可作为绣球菌生产决策的参考依据。开展绣球菌子实体三维可视化及表型参数自动提取研究，可为绣球菌种质资源可视化三维保存及展示、高通量表型参数自动获取及新品种选育提供重要支撑。

1 材料与方法

1.1 材料与设计

试验于2022年5－9月在福建容益菌业科技研发有限公司（国家级农业产业化重点龙头企业）全控型工厂化栽培环境中进行，供试品种为闽绣1号。采用袋式栽培方法，选用355 mm×172 mm×0.05 mm的聚丙烯塑料袋，装培养基料约0.9 kg（湿料，配方为：松木屑80%、面粉8%、马铃薯粉5%、玉米粉5%、其他辅料2%），培养基料经过高压灭菌（126 ℃、150 min），冷却后接种并移入培养库房内进行菌丝培养，菌丝培养温度20～22 ℃，培养期间注意通风换气，待原基不断增大形成子实体并至乒乓球大小后，菌袋移入出菇室进行出菇管理。

2022年7－9月在同一个出菇房内开展2次子实体栽培试验，在子实体长大至乒乓球大小后开始采样，待子实体成熟后采样结束。出菇房温室控制和栽培管理措施均按工厂化栽培规范进行，温度控制在18～20 ℃，空气湿度控制在90%～95%，采菇前湿度控制在80%～85%，菇房中二氧化碳质量浓度控制在600～1000 mg·L-1，光照度控制在800～1000 lx。

1.2 测定项目与方法

第1次试验时间为2022年7月29至8月20日，第2次试验时间为2022年9月1－21日，试验期间每隔1 d测量1次绣球菌的农艺指标。试验前固定4袋菌株，每次测量绣球菌整个菌包质量以及子实体高度、长度、宽度，再挑选长势较均匀的3袋绣球菌进行破坏性取样，获得绣球菌子实体产量。菌包质量为整个栽培袋质量，包含下部培养基料和上部子实体质量，测量时直接把菌袋放置于电子天平上称质量。子实体高度为绣球菌子实体底部到子实体最顶端的高度。子实体长度和宽度为子实体投影面的最大长度和宽度。子实体产量为绣球菌单个菌包可食用部分质量，测量时把绣球菌子实体从菌袋上取下，切去子实体底部的培养基和不可食用部分后称质量。质量数据用电子天平（常熟市双杰测试仪器厂JJ223BC型）进行称量，子实体高度、长度、宽度用数显游标卡尺（上海美耐特实业有限公司MNT-200）进行测量。所有测定数据均取平均值后进行分析。其中第1次试验数据用于建立农艺指标动态模型，第2次试验数据用于验证模型。

在第2次试验中，待子实体成熟后（2022年9月21日），在菇房内随机选取6袋绣球菌放置于多视角图像采集平台上获取绣球菌多视角图片，应用运动恢复结构法对图像进行三维重建，并通过算法获取绣球菌子实体高度、长度、宽度、表面积、体积等表型参数。最后，手动测量6袋绣球菌子实体高度、长度、宽度等农艺指标，并与自动获取的子实体表型参数进行精度分析。

采用Microsoft Excel 2013和IMB SPSS Statistics 19进行子实体农艺指标动态模拟数据处理和分析。同时，绘制模拟值与实测值的1∶1关系图，模型精度利用模拟值与实测值之间的决定系数R2（公式1）、均方根误差RMSE（公式2）、平均绝对误差MAE（公式3）、平均相对误差MRE（公式4）进行评估分析。R2越趋近于1模型精度越高，RMSE、MAE、MRE值越小，模型的模拟结果越可靠[4]。

式中，Xobs，i为实测值，Xmodel，i为预测值，n为样本容量。

1.3 三维重建及特征提取方法

搭建多视角图片采集平台，获取子实体成熟期不同角度的图片数据。采集平台主要由PLC、旋转步进电机、2个工业相机等硬件设备组成。PLC通过控制旋转步进电机使旋转台转动，当转台旋转到一定角度后，PLC控制旋转台停止转动并传送信号给工业相机完成拍照动作后继续转动，实现固定角度图像获取及传输。图像采集由安装高度不同、角度不同的工业相机作为采集设备，使工业相机分别在绣球菌上下层、以不同倾斜角度围绕着绣球菌进行360°旋转拍摄（每层拍摄30张图片），并将图片传输到上位机。多视角图片采集平台示意图见图1。

将得到的图片运用多视角立体视觉（MVS）和运动恢复结构（SFM）技术对植株进行三维重建[16]。利用距离最值遍历、投影三角化等算法获取绣球菌子实体高度、长度、宽度、投影面积、体积等表型参数，并与人工测量值或计算值进行对比来评价三维重建方法的精度[17]。