人工智能——推动植物研究发展的新动力.pdf

南 京 农 业 大 学 学 报 收 稿 日 期 基 金 项 目 中 央 高 校 基 本 科 研 业 务 费 专 项 资 金 国 家 自 然 科 学 基 金 项 目 作 者 简 介 周 济 教 授 研 究 方 向 植 物 表 型 组 学 计 算 机 视 觉 人 工 智 能 机 器 学 习 和 深 度 学 习 智 能 性 状 解 析 稻 麦 育 种 通 信 作 者 周 济 陈 佳 玮 沈 利 言 等 人 工 智 能 推 动 植 物 研 究 发 展 的 新 动 力 南 京 农 业 大 学 学 报 人 工 智 能 推 动 植 物 研 究 发 展 的 新 动 力 周 济 陈 佳 玮 沈 利 言 戴 杰 闻 桢 杰 孙 港 周 洁 丁 国 辉 丁 艳 锋 南 京 农 业 大 学 前 沿 交 叉 研 究 院 作 物 表 型 组 学 交 叉 研 究 中 心 江 苏 南 京 英 国 国 立 农 业 植 物 研 究 所 剑 桥 作 物 研 究 中 心 英 国 剑 桥 南 京 农 业 大 学 农 学 院 江 苏 省 现 代 作 物 生 产 协 同 创 新 中 心 现 代 作 物 生 产 省 部 共 建 协 同 创 新 中 心 江 苏 南 京 摘 要 从 世 纪 年 代 至 今 人 工 智 能 及 其 相 关 智 能 系 统 的 发 展 经 历 了 多 次 起 伏 在 过 去 年 对 的 应 用 开 始 步 入 快 速 发 展 的 阶 段 本 文 首 先 介 绍 了 发 展 简 史 包 括 其 理 论 形 成 基 础 算 法 分 类 定 义 和 发 展 趋 势 然 后 针 对 流 行 的 开 发 框 架 和 技 术 算 法 及 其 在 植 物 研 究 各 领 域 中 的 应 用 进 行 了 概 述 例 如 基 因 挖 掘 和 分 子 育 种 病 虫 害 检 测 预 防 作 物 栽 培 和 农 业 生 产 等 为 发 挥 技 术 对 生 物 大 数 据 的 解 析 优 势 本 文 着 重 讨 论 了 的 创 新 应 用 并 展 示 了 笔 者 所 在 的 中 国 和 英 国 联 合 实 验 室 与 此 相 关 的 部 分 最 新 研 究 进 展 以 期 为 技 术 在 中 国 植 物 研 究 中 的 推 广 抛 砖 引 玉 集 思 广 益 关 键 词 人 工 智 能 发 展 史 技 术 应 用 植 物 研 究 表 型 组 学 智 能 性 状 解 析 中 图 分 类 号 文 献 标 志 码 文 章 编 号 人 工 智 能 发 展 简 史 年 英 国 计 算 机 科 学 家 人 工 智 能 之 父 在 其 开 拓 性 论 文 计 算 机 及 智 能 第 期 周 济 等 人 工 智 能 推 动 植 物 研 究 发 展 的 新 动 力 中 提 出 了 通 过 模 仿 游 戏 验 证 机 器 是 否 具 有 智 能 的 方 案 随 后 将 该 假 设 进 一 步 完 善 继 而 演 变 成 此 后 广 为 人 知 的 图 灵 测 试 年 后 美 国 计 算 机 科 学 家 图 灵 奖 获 得 者 在 达 特 茅 斯 会 议 上 首 次 提 出 了 人 工 智 能 概 念 并 作 为 学 科 奠 基 者 为 该 领 域 中 的 常 识 性 推 理 问 题 做 出 了 杰 出 的 贡 献 不 过 真 正 将 带 入 大 众 视 野 的 是 米 高 梅 公 司 于 年 出 品 的 划 时 代 科 幻 电 影 太 空 漫 游 影 片 虚 构 了 具 有 强 人 工 智 慧 的 超 级 电 脑 为 大 众 展 现 了 和 机 器 人 技 术 在 自 然 语 言 处 理 语 音 交 流 面 部 识 别 行 为 识 别 及 自 我 意 志 等 领 域 的 应 用 前 景 对 此 后 各 类 智 能 系 统 的 研 发 产 生 了 深 刻 影 响 人 类 世 界 第 一 台 具 有 弱 人 工 智 能 或 的 机 器 人 图 于 年 由 斯 坦 福 研 究 所 人 工 智 能 中 心 正 式 发 布 这 台 融 合 了 逻 辑 推 理 和 物 理 动 作 的 自 动 化 设 备 对 机 器 视 觉 机 器 人 平 台 和 自 动 化 控 制 等 技 术 的 发 展 和 应 用 产 生 了 极 其 深 远 的 影 响 其 中 图 遍 历 图 像 特 征 提 取 及 障 碍 物 间 最 优 路 径 搜 索 等 算 法 至 今 仍 被 应 用 于 图 像 处 理 和 辅 助 驾 驶 等 领 域 由 于 计 算 机 硬 件 算 力 软 件 算 法 和 相 关 数 据 集 的 限 制 对 技 术 的 应 用 在 世 纪 至 年 代 进 入 发 展 的 冬 天 但 该 时 期 却 是 各 类 基 础 算 法 研 发 的 黄 金 期 许 多 影 响 了 现 代 系 统 的 著 名 算 法 均 发 表 于 本 阶 段 包 括 多 层 感 知 器 及 其 在 特 征 选 择 模 糊 集 和 分 类 中 的 使 用 现 代 深 度 学 习 模 型 的 基 础 即 神 经 网 络 模 型 和 人 工 神 经 网 络 用 于 记 忆 和 关 联 机 制 的 简 化 神 经 网 络 模 型 可 构 建 自 适 应 学 习 系 统 的 自 组 织 式 神 经 模 式 识 别 器 模 仿 人 类 注 意 力 的 类 注 意 力 机 制 如 超 网 络 并 以 此 动 态 调 整 模 型 对 不 同 输 入 数 据 的 关 注 权 重 以 及 为 因 果 推 断 和 模 型 评 估 奠 基 的 贝 叶 斯 网 络 等 年 由 开 发 的 深 蓝 系 统 通 过 穷 举 法 击 败 国 际 象 棋 冠 军 后 再 次 受 到 广 泛 的 关 注 在 过 去 年 里 算 法 的 研 发 和 应 用 随 着 计 算 机 硬 件 算 力 的 进 步 呈 指 数 级 增 长 极 大 地 带 动 了 生 物 医 药 数 码 娱 乐 教 育 科 研 和 金 融 服 务 等 行 业 的 快 速 发 展 例 如 年 推 出 的 认 知 系 统 通 过 自 然 语 言 处 理 技 术 解 析 语 意 相 关 算 法 被 广 泛 使 用 在 自 动 化 描 述 预 测 统 计 和 自 然 语 言 处 理 中 虽 然 受 到 较 多 质 疑 年 名 俄 罗 斯 和 乌 克 兰 程 序 员 共 同 开 发 的 聊 天 软 件 被 称 为 人 类 历 史 上 首 个 可 以 通 过 图 灵 测 试 的 算 法 在 一 定 程 度 上 证 明 了 机 器 可 对 人 类 智 能 进 行 模 仿 年 当 时 供 职 于 微 软 的 何 恺 明 等 推 出 了 一 个 数 百 层 的 残 差 神 经 网 络 并 开 创 性 地 通 过 跨 层 跳 跃 连 接 避 免 了 因 为 深 度 网 络 构 架 导 致 的 梯 度 消 失 及 精 度 饱 和 等 问 题 此 后 及 其 变 体 如 和 等 被 广 泛 应 用 于 图 像 分 类 和 目 标 检 测 任 务 在 几 乎 所 有 基 于 图 像 的 智 能 系 统 中 均 可 见 其 身 影 年 谷 歌 子 公 司 开 发 的 阿 尔 法 狗 结 合 启 发 式 蒙 特 卡 洛 树 搜 索 算 法 和 通 过 人 机 对 弈 建 立 训 练 集 再 针 对 围 棋 对 弈 中 不 同 着 法 的 获 胜 率 通 过 神 经 网 络 强 化 树 搜 索 训 练 模 型 进 而 基 于 多 次 迭 代 产 生 更 优 着 法 策 略 至 年 及 其 后 续 版 本 相 继 击 败 了 世 界 顶 级 职 业 围 棋 选 手 李 世 石 和 柯 洁 在 引 爆 世 界 舆 论 之 余 也 让 人 类 看 到 了 系 统 在 大 数 据 加 持 下 的 算 力 优 势 和 瞬 时 决 策 力 不 过 多 年 以 后 再 看 及 通 过 自 我 对 弈 和 强 化 学 习 算 法 击 败 及 后 续 版 本 的 这 些 模 型 仍 是 对 人 类 决 策 过 程 的 简 单 模 仿 虽 然 展 示 了 人 类 在 算 力 上 的 局 限 性 但 这 些 系 统 仍 只 是 基 于 计 算 并 不 具 备 人 类 的 大 局 观 和 通 用 智 能 年 以 来 随 着 深 度 神 经 网 络 循 环 神 经 网 络 和 卷 积 神 经 网 络 等 模 型 的 成 熟 技 术 被 大 规 模 应 用 到 各 种 传 统 和 新 兴 行 业 中 如 人 脸 和 文 字 识 别 系 统 基 于 大 数 据 的 医 疗 诊 断 和 医 药 研 究 金 融 证 券 的 交 易 和 风 控 模 型 仿 真 类 电 子 游 戏 以 及 特 斯 拉 和 谷 歌 等 自 动 驾 驶 技 术 感 兴 趣 的 读 者 还 可 通 过 清 华 大 学 唐 杰 团 队 开 发 的 搜 索 模 型 对 人 工 智 能 发 展 各 阶 段 的 代 表 性 人 物 和 主 要 成 果 在 学 术 网 中 进 行 高 效 挖 掘 对 历 史 进 程 做 进 一 步 的 梳 理 和 研 究 南 京 农 业 大 学 学 报 第 卷 人 工 智 能 的 定 义 和 分 类 作 为 一 门 新 兴 学 科 人 工 智 能 自 成 立 以 来 尝 试 过 多 个 发 展 方 向 如 模 拟 人 类 大 脑 模 仿 形 式 逻 辑 及 通 过 量 化 领 域 知 识 构 建 超 大 型 数 据 库 等 由 于 基 于 数 理 统 计 的 机 器 学 习 和 深 度 学 习 为 工 业 界 和 学 术 界 解 决 了 很 多 实 际 问 题 因 此 该 方 向 在 现 阶 段 研 究 中 占 据 了 主 导 地 位 由 此 可 见 专 家 和 从 业 者 对 的 定 义 与 普 遍 认 知 不 尽 相 同 现 阶 段 的 一 般 指 区 别 于 人 类 自 然 智 能 的 可 通 过 理 性 行 为 和 数 学 优 化 等 方 法 对 输 入 数 据 进 行 模 式 化 学 习 如 拟 合 特 征 匹 配 等 并 在 特 定 条 件 下 解 决 目 标 问 题 如 对 象 检 测 关 联 分 析 数 据 分 类 和 趋 势 预 测 等 的 决 策 系 统 因 此 现 阶 段 绝 大 多 数 算 法 或 智 能 系 统 并 不 能 真 正 模 拟 或 展 示 人 类 在 学 习 或 解 决 问 题 过 程 中 所 依 赖 的 领 域 知 识 和 通 用 智 能 虽 然 作 为 大 多 数 深 度 学 习 模 型 基 础 的 其 灵 感 来 源 于 生 命 系 统 中 的 分 布 式 通 信 节 点 和 信 息 处 理 方 式 但 与 生 物 大 脑 运 作 机 制 差 异 巨 大 简 而 言 之 不 具 备 动 态 模 拟 能 力 而 且 是 静 态 且 不 可 塑 的 谷 歌 最 新 的 对 话 模 型 已 可 通 过 参 考 外 部 数 据 源 在 量 化 事 实 性 的 基 础 上 对 已 知 来 源 进 行 合 理 响 应 而 非 此 前 其 他 算 法 的 刻 意 模 仿 但 其 运 行 模 式 与 人 类 认 知 如 归 纳 演 绎 等 仍 有 很 大 差 距 实 际 上 对 生 物 大 脑 工 作 机 制 的 模 拟 难 度 极 大 以 美 国 大 脑 研 究 计 划 资 助 的 研 究 为 例 即 使 只 对 毫 米 级 小 鼠 初 级 视 觉 皮 层 深 直 径 约 个 神 经 元 进 行 视 觉 刺 激 模 拟 这 个 数 千 万 美 元 投 资 所 构 建 的 计 算 平 台 也 只 能 对 部 分 皮 层 回 路 结 构 进 行 还 原 很 难 胜 任 对 皮 质 细 胞 类 别 脑 神 经 组 织 电 信 号 传 输 突 触 强 度 和 关 联 网 络 等 神 经 细 胞 活 动 的 模 拟 尽 管 基 于 现 阶 段 的 研 究 理 论 和 技 术 方 法 超 越 甚 至 接 近 人 类 智 能 的 可 能 性 很 小 但 是 很 多 技 术 在 某 些 特 定 场 景 中 解 决 目 标 问 题 的 能 力 却 令 人 惊 叹 利 用 模 型 在 大 数 据 解 析 上 的 优 势 通 过 扩 大 数 据 集 稳 步 提 高 预 测 的 准 确 性 和 模 型 的 泛 化 性 其 改 进 专 业 领 域 和 提 高 人 类 生 活 质 量 的 前 景 令 人 期 待 结 合 人 类 需 求 驱 动 科 技 进 步 理 论 和 马 斯 洛 需 求 层 次 模 型 发 展 可 粗 略 分 为 种 类 别 图 单 一 反 应 型 即 基 础 不 具 备 记 忆 即 不 能 利 用 历 史 信 息 指 导 决 策 只 能 对 有 限 输 入 做 出 功 能 性 反 应 的 形 式 有 限 记 忆 型 即 通 过 大 量 的 训 练 集 构 建 历 史 经 验 和 记 忆 模 式 以 此 为 基 准 不 断 改 进 算 法 决 策 力 和 预 测 精 度 心 智 理 论 型 这 个 层 次 的 至 今 仍 停 留 在 理 论 阶 段 主 要 是 用 于 理 解 人 类 在 多 种 外 部 因 素 影 响 下 的 思 想 形 成 和 情 绪 产 生 过 程 通 过 模 拟 人 类 心 智 的 运 行 方 式 构 建 可 媲 美 人 类 的 学 习 决 策 和 想 象 力 的 智 能 系 统 自 我 意 识 型 这 类 具 有 自 主 意 识 的 仅 存 于 想 象 如 机 器 可 完 全 模 拟 人 脑 运 作 那 其 超 强 算 力 学 习 和 决 策 力 可 能 是 智 慧 发 展 的 最 后 阶 段 机 器 会 拥 有 自 己 的 思 想 并 可 轻 易 达 到 人 类 智 慧 的 极 限 图 第 一 台 弱 人 工 智 能 摇 摆 机 器 人 及 基 于 人 类 需 求 层 次 理 论 对 的 分 类 根 据 以 上 分 类 技 术 发 展 遵 循 从 弱 人 工 智 能 执 行 场 景 特 定 和 解 决 能 力 单 一 强 人 工 智 能 具 有 第 期 周 济 等 人 工 智 能 推 动 植 物 研 究 发 展 的 新 动 力 人 类 认 知 水 平 和 通 用 智 能 系 统 可 适 用 于 多 个 领 域 到 超 人 工 智 能 经 过 逻 辑 演 化 和 自 我 学 习 产 生 智 慧 并 在 各 方 面 超 越 人 类 智 慧 的 过 程 图 现 阶 段 算 法 距 强 人 工 智 能 还 有 很 大 的 差 距 对 强 人 工 智 能 的 主 流 研 发 思 路 有 提 高 现 有 深 度 神 经 网 络 的 可 解 释 性 如 通 过 和 通 过 神 经 网 络 生 成 模 型 自 主 学 习 输 入 数 据 再 结 合 对 抗 训 练 多 任 务 知 识 蒸 馏 或 增 强 学 习 等 各 种 方 法 协 同 提 高 模 型 的 学 习 效 率 自 适 应 性 和 鲁 棒 性 以 期 逐 渐 构 建 具 有 强 人 工 智 能 的 复 杂 网 络 模 型 集 合 多 个 弱 系 统 通 过 构 建 多 系 统 间 的 交 互 模 拟 人 类 推 理 和 决 策 能 力 再 基 于 下 一 代 计 算 装 置 如 量 子 计 算 机 大 规 模 模 拟 神 经 元 活 动 重 建 复 杂 的 人 类 思 维 当 然 这 些 尝 试 都 需 要 基 于 多 学 科 交 叉 融 合 如 脑 科 学 认 知 心 理 学 思 维 模 式 数 理 研 究 生 命 逆 向 工 程 和 计 算 机 软 硬 件 系 统 等 值 得 指 出 的 是 随 着 各 类 智 能 算 法 应 用 的 普 及 如 字 符 识 别 和 对 象 检 测 等 许 多 研 究 者 和 从 业 人 员 一 直 寻 求 对 人 工 智 能 概 念 的 重 新 定 义 即 一 词 应 指 代 可 真 正 实 现 智 能 行 为 的 算 法 而 并 非 一 些 常 规 的 计 算 行 为 这 也 被 称 为 人 工 智 能 效 应 特 别 是 当 下 某 些 行 业 对 概 念 的 过 度 宣 传 对 智 能 工 具 的 错 误 使 用 如 通 过 深 度 变 脸 和 语 音 模 拟 技 术 进 行 诈 骗 或 传 播 与 实 际 不 符 的 恐 慌 信 息 如 会 短 时 间 超 越 人 类 智 能 等 情 况 均 可 能 对 的 发 展 产 生 不 利 影 响 导 致 下 一 轮 寒 冬 的 来 临 在 植 物 研 究 中 的 应 用 在 植 物 研 究 中 所 使 用 的 技 术 基 本 上 等 同 于 对 各 类 传 统 机 器 学 习 和 深 度 学 习 算 法 的 应 用 为 方 便 行 文 下 文 中 使 用 的 一 词 泛 指 所 有 与 机 器 学 习 和 智 能 系 统 相 关 的 基 础 算 法 模 型 构 架 和 技 术 应 用 如 图 所 示 对 的 应 用 可 见 于 各 个 植 物 研 究 领 域 所 用 的 技 术 一 般 属 于 单 一 反 应 型 和 有 限 记 忆 型 的 弱 人 工 智 能 范 畴 包 括 数 据 采 集 多 组 学 整 合 对 象 检 测 性 状 分 析 关 联 分 析 和 趋 势 预 测 等 为 遗 传 连 锁 基 因 挖 掘 功 能 解 析 分 子 育 种 基 因 工 程 栽 培 管 理 和 农 业 生 产 等 提 供 解 决 方 案 最 近 年 来 使 用 了 技 术 和 算 法 的 植 物 研 究 文 献 数 以 万 计 在 文 献 综 述 中 很 难 做 到 面 面 俱 到 因 此 下 文 将 从 开 发 框 架 和 常 用 算 法 基 因 挖 掘 和 分 子 育 种 病 虫 害 检 测 预 防 作 物 栽 培 和 农 业 生 产 等 几 个 方 面 对 植 物 研 究 中 的 应 用 案 例 进 行 概 述 图 人 工 智 能 技 术 在 各 个 植 物 研 究 领 域 中 的 应 用 国 内 外 开 发 框 架 平 台 和 模 型 在 过 去 年 中 针 对 传 统 机 器 学 习 和 深 度 学 习 模 型 的 研 发 获 得 了 飞 速 发 展 各 类 开 发 框 架 和 平 台 为 不 同 算 法 的 软 件 实 现 和 开 发 调 试 提 供 了 统 一 且 便 利 的 研 发 环 境 一 些 代 表 性 的 开 发 框 架 和 平 台 有 用 于 数 字 科 学 的 开 源 机 器 学 习 库 如 深 度 学 习 库 和 基 于 的 等 这 些 框 架 相 对 简 洁 获 得 了 开 源 社 区 的 广 泛 支 持 但 由 于 它 们 在 工 程 设 计 和 扩 展 性 上 的 局 限 性 很 难 保 证 它 们 的 工 业 级 部 署 和 对 各 种 加 速 硬 件 的 支 持 如 神 经 处 理 单 元 年 谷 歌 推 出 了 第 一 款 由 工 业 界 主 导 的 学 习 框 架 凭 借 其 良 好 的 性 能 完 备 的 功 能 和 基 于 数 据 流 图 的 框 架 吸 引 了 广 泛 关 注 但 由 于 其 版 本 的 开 发 体 验 并 不 友 好 因 此 谷 歌 重 建 了 生 态 系 统 并 于 年 推 出 包 括 用 于 移 动 和 嵌 入 式 设 备 的 和 支 持 大 规 模 产 业 级 部 署 的 版 本 还 特 别 集 成 了 开 源 神 经 网 络 库 大 大 降 低 了 开 发 深 度 学 习 模 型 的 难 度 年 脸 书 现 更 名 为 和 微 软 共 同 推 出 了 因 其 简 洁 的 系 统 设 计 和 可 即 时 执 行 的 动 态 图 模 式 受 到 了 科 研 界 的 追 捧 年 后 并 入 使 其 在 多 系 统 部 南 京 农 业 大 学 学 报 第 卷 署 上 得 到 了 进 一 步 的 提 升 现 在 流 行 的 框 架 还 包 括 亚 马 逊 支 持 的 微 软 推 出 的 基 于 的 以 及 通 过 编 写 的 等 随 着 深 度 学 习 重 要 性 的 不 断 增 加 中 国 的 领 军 企 业 也 相 继 推 出 了 各 类 国 产 开 发 框 架 和 平 台 例 如 年 旷 视 科 技 相 继 推 出 了 和 等 云 平 台 专 注 于 图 像 识 别 和 深 度 学 习 算 法 优 化 提 升 了 模 型 训 练 和 预 测 的 一 体 性 百 度 于 年 推 出 了 飞 桨 开 源 框 架 通 过 重 新 设 计 前 端 编 程 界 面 和 核 心 架 构 以 期 兼 顾 高 效 和 易 用 性 年 华 为 正 式 发 布 了 开 源 计 算 框 架 借 助 处 理 器 算 力 进 行 全 场 景 深 度 学 习 为 分 布 式 训 练 和 多 端 部 署 提 供 了 高 效 的 智 能 解 决 方 案 在 国 际 上 目 前 使 用 最 广 泛 的 开 发 框 架 为 和 两 者 均 有 开 发 成 本 低 应 用 范 围 广 和 硬 件 支 持 完 善 等 优 点 由 于 前 者 在 使 用 上 的 简 洁 性 该 框 架 被 广 泛 应 用 于 科 学 研 究 中 如 模 型 搭 建 及 智 能 系 统 测 试 等 工 作 后 者 在 生 态 体 系 和 系 统 集 成 上 具 有 较 大 优 势 因 此 被 大 量 应 用 于 各 类 产 业 级 部 署 中 当 然 国 产 开 发 框 架 也 在 日 益 完 善 随 着 其 可 调 用 模 块 的 日 趋 丰 富 和 中 国 广 大 用 户 群 的 支 持 国 产 平 台 必 将 在 今 后 研 究 和 生 产 中 获 得 更 广 泛 的 使 用 表 汇 总 了 部 分 具 有 代 表 性 的 机 器 学 习 和 深 度 学 习 开 发 框 架 平 台 团 队 及 相 关 简 介 表 各 类 机 器 学 习 和 深 度 学 习 开 发 框 架 平 台 团 队 和 相 关 简 介 开 发 框 架 开 发 团 队 推 出 年 份 简 介 源 代 码 或 介 绍 网 址 等 上 最 流 行 的 传 统 机 器 学 习 库 之 一 伯 克 利 小 组 视 觉 和 学 习 中 心 和 编 写 加 入 了 递 归 神 经 网 络 等 功 能 后 并 入 按 运 行 定 义 的 深 度 学 习 框 架 包 括 定 义 网 络 中 数 据 流 的 固 定 连 接 旧 金 山 机 器 学 习 小 组 使 用 语 言 和 开 源 数 值 计 算 库 提 供 训 练 支 持 和 协 同 旷 视 科 技 端 到 端 的 算 法 平 台 从 数 据 到 算 法 产 业 化 布 置 和 基 于 数 据 流 各 类 算 法 的 实 现 版 本 对 做 了 改 进 转 变 为 动 态 图 微 软 研 究 院 通 过 有 向 图 将 神 经 网 络 变 化 为 逻 辑 计 算 百 度 中 国 首 个 产 业 级 开 源 平 台 集 训 练 推 理 框 架 基 础 模 型 开 发 于 一 体 微 软 除 算 法 软 件 实 现 外 还 提 供 了 加 速 张 量 计 算 和 自 动 求 导 深 度 神 经 网 络 亚 马 逊 在 线 基 金 会 具 可 扩 展 性 快 速 模 型 训 练 和 支 持 灵 活 编 程 的 特 点 蒙 特 利 尔 算 法 研 究 所 使 用 来 表 达 在 或 架 构 上 运 行 华 为 着 重 提 升 易 用 性 并 降 低 了 模 型 开 发 门 槛 以 适 应 端 边 缘 和 云 协 同 布 置 在 植 物 研 究 中 广 泛 使 用 的 各 类 算 法 基 本 上 来 自 表 中 介 绍 的 框 架 和 平 台 以 植 物 表 型 组 学 研 究 中 经 常 使 用 的 数 字 化 性 状 提 取 为 例 从 细 胞 到 大 田 层 面 可 获 取 多 尺 度 植 物 表 型 组 数 据 集 图 研 究 人 员 可 根 据 生 物 学 问 题 和 对 应 的 对 象 特 征 选 取 不 同 的 算 法 进 行 数 字 化 性 状 提 取 如 通 过 语 义 如 等 实 例 如 和 等 或 全 景 如 和 等 分 割 方 法 算 法 可 关 联 可 见 光 或 多 光 谱 图 像 中 特 定 区 域 和 相 应 的 像 素 簇 以 此 提 取 感 兴 趣 区 域 并 基 于 中 的 形 态 或 颜 色 空 间 等 特 征 分 析 植 物 性 状 参 数 基 于 各 类 图 像 对 植 物 防 御 机 制 进 行 量 化 分 析 如 病 虫 害 类 别 和 发 病 程 度 等 常 用 的 检 测 模 型 有 等 可 端 到 端 完 成 对 输 入 图 像 和 病 虫 害 分 类 发 病 程 度 的 预 测 对 植 物 重 要 器 官 的 动 态 分 析 可 基 于 其 生 长 发 育 如 基 于 时 序 对 穗 部 和 花 药 等 器 官 第 期 周 济 等 人 工 智 能 推 动 植 物 研 究 发 展 的 新 动 力 的 检 测 可 使 用 的 算 法 包 括 等 通 过 对 图 像 序 列 中 的 连 续 检 测 完 成 器 官 区 域 提 取 和 其 动 态 表 型 的 智 能 解 析 图 从 细 胞 到 群 体 的 多 尺 度 植 物 表 型 组 数 据 采 集 以 及 各 类 有 代 表 性 的 人 工 智 能 开 发 框 架 和 平 台 图 片 来 源 周 济 实 验 室 在 植 物 基 因 挖 掘 和 分 子 育 种 中 的 应 用 在 植 物 基 因 挖 掘 和 分 子 育 种 中 各 类 算 法 被 应 用 于 基 因 表 达 分 析 定 位 分 子 标 记 品 种 间 表 型 差 异 分 类 等 研 究 问 题 在 整 合 遗 传 多 样 性 跨 物 种 转 录 组 分 析 基 因 挖 掘 和 基 因 型 表 型 预 测 等 方 面 对 的 应 用 取 得 了 良 好 的 效 果 例 如 等 使 用 对 从 数 百 个 高 粱 品 种 采 集 的 叶 片 气 孔 密 度 和 气 孔 复 合 面 积 表 型 进 行 统 计 通 过 全 基 因 组 关 联 分 析 鉴 定 了 个 单 核 苷 酸 多 态 性 其 中 约 一 半 与 先 前 报 道 的 位 点 重 合 等 结 合 光 学 断 层 扫 描 和 分 析 了 不 同 高 粱 品 种 的 叶 片 气 孔 密 度 和 叶 面 积 质 量 比 的 差 异 再 通 过 和 分 析 鉴 定 了 个 候 选 基 因 其 中 个 是 拟 南 芥 叶 片 发 育 或 水 分 利 用 的 同 源 基 因 等 开 发 了 表 型 采 集 和 分 析 平 台 对 小 麦 大 麦 玉 米 番 茄 和 油 菜 等 作 物 的 种 子 萌 发 过 程 进 行 自 动 化 采 集 并 基 于 监 督 式 机 器 学 习 如 随 机 梯 度 下 降 算 法 提 取 萌 发 表 型 组 继 而 通 过 油 菜 群 体 的 分 析 定 位 到 了 多 个 可 靠 候 选 位 点 等 基 于 进 化 理 论 的 机 器 学 习 方 法 对 基 因 型 表 型 关 系 进 行 预 测 通 过 分 析 拟 南 芥 和 玉 米 转 录 组 数 据 鉴 定 了 进 化 上 较 保 守 的 氮 素 响 应 基 因 再 使 用 和 分 别 根 据 性 状 特 征 和 转 录 调 控 网 络 中 转 录 因 子 的 关 联 性 对 鉴 定 的 基 因 进 行 排 序 最 后 通 过 突 变 体 构 建 鉴 定 了 个 与 氮 素 利 用 率 相 关 的 转 录 因 子 等 整 合 了 基 因 组 转 录 组 及 代 谢 组 数 据 通 过 分 析 了 种 组 学 数 据 及 其 对 应 的 遗 传 特 征 并 通 过 预 测 模 型 提 升 了 水 稻 测 产 的 准 确 性 等 结 合 转 录 组 及 代 谢 组 标 志 物 预 测 马 铃 薯 耐 旱 性 使 用 随 机 森 林 模 型 提 取 转 录 组 及 代 谢 组 标 志 先 实 现 耐 旱 性 的 正 确 预 测 再 通 过 简 化 得 到 的 个 代 谢 物 和 转 录 本 构 成 的 最 小 标 志 物 组 合 为 育 种 中 耗 时 耗 力 的 干 旱 胁 迫 试 验 提 供 了 新 的 解 决 方 案 华 中 农 业 大 学 的 熊 立 仲 和 张 建 团 队 结 合 无 人 机 可 见 光 相 机 对 水 稻 抗 旱 动 态 响 应 的 关 键 阶 段 进 行 采 集 基 于 改 进 后 的 网 络 提 取 水 稻 群 体 抗 旱 表 型 组 如 卷 叶 含 水 量 及 抗 旱 指 数 等 最 后 通 过 鉴 定 了 个 候 选 位 点 除 已 报 道 的 抗 旱 位 点 外 还 包 含 了 个 潜 在 的 抗 旱 位 点 中 国 科 学 院 分 子 植 物 科 学 卓 越 创 新 中 心 的 韩 斌 院 士 团 队 和 南 京 农 业 大 学 的 周 济 团 队 合 作 先 通 过 经 济 型 无 人 机 对 多 点 多 季 的 水 稻 群 体 低 空 采 集 大 量 基 于 时 序 图 像 序 列 再 通 过 开 源 平 台 融 合 二 维 三 维 图 像 处 理 和 机 器 学 习 算 法 提 取 南 京 农 业 大 学 学 报 第 卷 不 同 生 育 时 期 的 水 稻 静 态 如 植 株 高 度 冠 层 覆 盖 度 和 各 类 植 被 指 数 等 和 动 态 表 型 组 即 不 同 农 艺 性 状 在 关 键 生 育 期 中 的 变 化 速 率 并 以 此 构 建 预 测 模 型 对 关 键 生 育 期 如 抽 穗 期 进 行 动 态 预 测 最 后 还 对 提 取 的 各 类 生 长 表 型 进 行 定 位 和 分 析 鉴 定 了 多 个 可 靠 的 基 因 位 点 及 全 新 的 候 选 位 点 在 病 虫 害 检 测 及 预 防 中 的 应 用 在 全 球 气 候 变 化 导 致 极 端 气 候 频 发 的 大 背 景 下 农 作 物 病 虫 害 发 生 呈 种 类 多 程 度 重 频 次 高 区 域 广 的 趋 势 严 重 影 响 全 球 的 粮 食 安 全 据 估 病 虫 害 每 年 造 成 的 全 球 农 作 物 损 失 高 达 亿 美 元 近 年 来 在 植 物 病 虫 害 自 动 识 别 程 度 分 类 和 预 测 预 报 等 领 域 的 应 用 得 到 了 长 足 发 展 其 研 发 策 略 可 分 为 传 统 机 器 学 习 和 深 度 学 习 个 方 向 使 用 传 统 机 器 学 习 首 先 需 要 基 于 领 域 知 识 选 取 与 农 作 物 病 虫 害 高 度 相 关 的 特 征 如 颜 色 形 态 纹 理 等 以 此 构 建 特 征 向 量 然 后 利 用 不 同 的 监 督 式 机 器 学 习 算 法 如 支 持 向 量 机 贝 叶 斯 决 策 随 机 森 林 等 完 成 对 象 识 别 和 特 征 分 类 这 类 方 法 需 要 对 病 害 类 型 发 病 进 程 和 严 重 性 等 有 深 入 的 了 解 基 于 特 征 工 程 构 建 分 类 器 该 方 向 的 缺 点 是 开 发 过 程 较 为 繁 琐 人 工 选 取 的 特 征 较 敏 感 因 此 构 建 的 模 型 可 能 会 缺 乏 泛 化 性 难 以 在 田 间 复 杂 环 境 中 区 分 相 似 或 并 发 型 病 害 此 外 如 果 获 取 的 病 虫 害 数 据 包 含 不 完 整 或 错 误 的 特 征 精 心 构 建 的 分 类 器 也 将 无 法 正 常 运 行 深 度 学 习 算 法 的 应 用 为 病 虫 害 特 征 提 取 提 供 了 鲁 棒 性 较 高 的 解 决 方 案 特 别 是 大 量 开 源 标 记 数 据 集 的 出 现 如 等 使 模 型 的 开 发 效 率 训 练 和 测 试 集 构 建 算 法 调 试 及 应 用 场 景 都 得 到 了 大 幅 提 升 但 开 源 数 据 集 大 多 在 可 控 条 件 下 采 集 并 不 能 代 表 田 间 复 杂 多 变 的 病 虫 害 情 况 尤 其 是 这 类 病 害 集 缺 少 不 同 基 因 型 生 长 时 期 地 区 和 发 病 程 度 的 元 数 据 因 此 基 于 这 些 数 据 集 训 练 的 模 型 在 不 同 生 育 期 中 识 别 田 间 病 害 时 准 确 率 较 低 很 难 在 农 作 环 境 下 大 规 模 应 用 现 阶 段 的 病 虫 害 检 测 一 般 还 会 结 合 不 同 成 像 技 术 如 热 成 像 多 光 谱 或 高 光 谱 成 像 荧 光 成 像 和 核 磁 共 振 成 像 等 获 取 植 物 散 发 的 各 类 辐 射 和 病 虫 害 引 起 的 植 物 颜 色 形 态 蒸 腾 速 率 植 被 冠 层 和 密 度 等 特 征 信 息 开 发 算 法 其 中 一 些 较 成 功 案 例 有 等 利 用 对 柑 橘 的 荧 光 光 谱 进 行 分 析 通 过 荧 光 光 谱 峰 值 变 化 监 测 柑 橘 的 成 熟 度 和 染 病 程 度 等 通 过 高 光 谱 成 像 设 备 拍 摄 大 豆 健 康 或 感 染 炭 疽 病 的 叶 片 样 本 再 基 于 学 习 高 光 谱 图 像 中 的 关 键 波 段 中 的 光 谱 变 化 以 此 完 成 对 健 康 和 感 染 大 豆 样 本 的 分 类 等 通 过 无 人 机 搭 载 的 高 清 可 见 光 相 机 获 取 数 百 个 玉 米 品 种 的 田 间 图 像 张 健 康 张 病 害 再 通 过 实 现 对 玉 米 叶 枯 病 的 精 细 化 分 类 华 南 农 业 大 学 和 岭 南 现 代 农 业 实 验 室 通 过 手 机 拍 摄 的 方 式 获 取 数 万 张 稻 瘟 病 假 黑 穗 病 稻 颈 瘟 纹 枯 病 水 稻 白 斑 病 和 水 稻 褐 斑 病 的 图 像 集 再 从 种 与 相 关 的 模 型 中 选 取 个 最 佳 子 模 型 通 过 集 成 学 习 完 成 最 终 预 测 模 型 的 训 练 和 终 端 部 署 在 栽 培 和 生 产 上 的 应 用 在 栽 培 管 理 和 农 业 生 产 中 也 有 着 广 阔 的 应 用 前 景 以 预 测 不 同 生 长 条 件 下 农 作 物 产 量 和 品 质 为 例 在 温 室 环 境 下 通 过 整 合 时 间 卷 积 网 络 和 循 环 神 经 网 络 等 基 于 温 室 参 数 温 度 湿 度 二 氧 化 碳 光 辐 射 等 及 不 同 番 茄 品 种 的 产 量 来 预 测 温 室 内 其 他 经 济 作 物 的 理 论 产 量 等 结 合 和 检 测 甜 椒 坐 果 膨 大 和 成 熟 期 的 不 同 发 育 阶 段 并 使 用 模 型 预 测 甜 椒 在 田 间 生 长 环 境 下 的 各 种 可 能 生 长 形 态 和 品 质 分 级 等 以 为 主 干 的 模 型 测 算 大 豆 豆 荚 数 并 根 据 田 间 获 取 的 大 豆 图 像 估 计 产 量 完 成 了 对