高通量植物表型分析系統(tǒng)PhenoWatch 是一套基于 Sensor to Plant 理念的高通量植物表型測(cè)量與分析系統(tǒng)，可深度集成激光3D成像、高光譜成像、紅外熱成像、葉綠素?zé)晒獬上瘛⒍喙庾V成像與 RGB 成像單元，可智能化移動(dòng)至不同測(cè)量區(qū)域，按預(yù)設(shè)值自動(dòng)掃描作物，生成含多光譜信息的三維影像，進(jìn)行群體植物的單株識(shí)別，單株植物的莖葉分離，精準(zhǔn)獲取植物株高、株幅、葉長(zhǎng)葉寬、葉面積、郁閉度、冠層透光率、葉綠素?zé)晒鈪?shù)、光合電子傳遞速率等表型參數(shù)，結(jié)合光譜特征進(jìn)行植被指數(shù)的計(jì)算及冠層溫度與特殊物質(zhì)的分析。

PhenoWatch 硬件系統(tǒng)

PhenoWatch 高通量植物表型分析系統(tǒng)的硬件，主要分 3D 中央成像單元和移動(dòng)平臺(tái)。

3D 中央成像單元(Sensor Box)

點(diǎn)云模塊：激光傳感器，具有雙軸補(bǔ)償器和高度傳感器，及角測(cè)量功能，對(duì)每次掃描進(jìn)行水平校準(zhǔn)現(xiàn)場(chǎng)自動(dòng)設(shè)備補(bǔ)償,進(jìn)行精度更高、距離更遠(yuǎn)的掃描，獲取物空間點(diǎn)云，三維建模，最終實(shí)現(xiàn)植物群體參數(shù)和單株形態(tài)表型參數(shù)的提??；

紅外熱成像模塊:：用于機(jī)器視覺(jué)的外熱像儀，配備了非制冷式氧化釩紅外探測(cè)器，高精度紅外熱成像 CCD，具有卓越的圖像質(zhì)量，可視化顯示線性 ROI 溫度值、溫度剖面圖；

高光譜成像模塊：圖像中每一象素都記錄了其對(duì)應(yīng)樣品點(diǎn)的化學(xué)組成、質(zhì)量、顏色等信息的光譜特征,用于對(duì)植物進(jìn)行生物量的定性與定量分析；

多光譜成像模塊：以 10 通道(Blue、Green、Red、NIR、RedEdge)光譜影像為數(shù)據(jù)源，通過(guò)影像與點(diǎn)云匹配融合從而為三維空間點(diǎn)云賦予光譜信息,最終實(shí)現(xiàn)三維的植被指數(shù)計(jì)算；

RGB 成像模塊：高分辨率的 RGB 相機(jī)，色彩影像與點(diǎn)云匹配融合，以保障在獲取高精度三維影像的同時(shí)，還原植物真實(shí)的色彩；

葉綠素?zé)晒獬上衲K：能夠測(cè)量植物葉綠素?zé)晒鈪?shù)，表征植物的光合活性；

XYZ 三軸移動(dòng)平臺(tái)

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境實(shí)況,移動(dòng)平臺(tái)的尺寸與結(jié)構(gòu)可以靈活設(shè)計(jì)；

多場(chǎng)景適用，可以結(jié)合現(xiàn)有場(chǎng)地條件定制化設(shè)計(jì)，能做成不同類型的移動(dòng)平臺(tái)進(jìn)行使用；

移動(dòng)平臺(tái)的尺寸訂制化程度高,根據(jù)安裝條件靈活設(shè)計(jì)；

自動(dòng)化程度高，定義大車在導(dǎo)軌上的移動(dòng)方向?yàn)閄軸，Sensor Box 在橫梁上的移動(dòng)軸向?yàn)?Y軸，Sensor Box 在豎直方向的調(diào)節(jié)軸向?yàn)橐逸S，可以實(shí)現(xiàn) X、Y、Z 三軸的自動(dòng)化控制,可以按空間坐標(biāo)定位移動(dòng)，可以按設(shè)定距離移動(dòng)；

覆蓋區(qū)域廣，可以大跨度設(shè)計(jì)，也可以一臺(tái)多跨設(shè)計(jì)，即一臺(tái)龍門架,可以在多壟地塊之間橫跨掃描；

方式多樣,可以門式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),天車式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),或推車式設(shè)計(jì)定位精度高,多重限位保護(hù),安全性高；

PhenoWatch 傳感器

激光成像單元

PhenoWatch 系統(tǒng)采集到的作物 3D 點(diǎn)云數(shù)據(jù)與圖像信息能夠通過(guò) PhenoWatch 軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)融合與三維建模,對(duì)群體作物進(jìn)行數(shù)據(jù)提取,獲得郁閉度、冠層透光率、植被指數(shù)等群體參數(shù);基于深度學(xué)習(xí)算法——Faster-RCNN 模型,識(shí)別單株作物根部位置,利用傳統(tǒng)生長(zhǎng)法完成群體分單株,然后進(jìn)行植物的莖葉分割,軟件內(nèi)嵌的莖葉分割方法有兩種：基于區(qū)域生長(zhǎng)法莖葉分割,基于體素法莖葉分割。

基于生長(zhǎng)法莖葉分割是基于區(qū)域生長(zhǎng)法識(shí)別和分割單株植物的莖和不同葉片,基于體素法莖葉分割是基于深度學(xué)習(xí)識(shí)別和分割單株植物的莖和不同葉片,然后將不同葉片和主千生成獨(dú)立點(diǎn)云文件,并對(duì)葉片和主干擬合表面與骨架線,進(jìn)而計(jì)算株高、株幅、葉長(zhǎng)、葉寬、葉傾角和葉面積等表型參數(shù)。

PhenoWatch 的軟件是一款專門針對(duì)于作物三維表型參數(shù)提取的軟件系統(tǒng)，最新版本的 PhenoWatch 軟件集成了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和深度學(xué)習(xí)算法，極大提高了作物單株分割及莖葉分割處理的精度。該軟件使用并行處理及 GPU 加速,進(jìn)一步提升了海量點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理的速度,軟件具備的作物的單株分割和莖葉分制算法，從不同只度上滿足了作物基因型-表型研究者對(duì)作物形態(tài)參數(shù)提取的需求此外,我們還提供定制化的數(shù)據(jù)處理模塊的開(kāi)發(fā)服務(wù)。

PhenoWatch 分析軟件處理點(diǎn)云數(shù)據(jù)過(guò)程：

植物多光譜成像單元

多光譜成像單元光譜波段：海岸藍(lán)(444nm 中心波長(zhǎng),28nm 帶寬)、綠(531nm 中心波長(zhǎng),14nm 帶寬)、紅(650nm 中心波長(zhǎng)，16nm帶寬)、紅邊(705nm 中心波長(zhǎng),10nm 帶寬)、紅邊(740nm 中心波長(zhǎng),18nm 帶寬)、藍(lán)(475nm 中心波長(zhǎng),32nm 帶寬)、綠(560nm 中心波長(zhǎng),27nm 帶寬)、紅(668nm 中心波長(zhǎng),14nm 帶寬)、紅邊(717nm 中心波長(zhǎng),12nm 帶寬)、近紅外(842nm 中心波長(zhǎng),57nm 帶寬),可進(jìn)行 NDVI 等多種植被指數(shù)的計(jì)算,滿足作物多光譜研究的應(yīng)用。

紅外熱成像單元

熱紅外成像模塊內(nèi)置非制冷式氧化釩(VoX)紅外探測(cè)器，使熱像更加準(zhǔn)確:配有高速紅外窗口選項(xiàng);內(nèi)置的相機(jī)鏡頭,帶電動(dòng)對(duì)焦和自動(dòng)對(duì)焦。分析軟件具有點(diǎn)測(cè)溫、線測(cè)溫、橢圓區(qū)域測(cè)溫、矩形區(qū)域測(cè)溫,以及其溫度最值、平均值、Deta 函數(shù)統(tǒng)計(jì)功能,同時(shí)記錄輻射率、大氣溫度、外部光學(xué)溫度、相對(duì)濕度等信息,以達(dá)到獲取熱成像圖有用信息的目的。

高光譜成像單元

配置高光譜成像模塊,高光譜成像系統(tǒng)將可見(jiàn)光近紅外(VNIR 或 SWIR)光譜與高分辨率成像相結(jié)合,采用推掃式(pushbroom)成像技術(shù)對(duì)運(yùn)動(dòng)的樣品或在運(yùn)動(dòng)中對(duì)靜止的樣品進(jìn)行逐線全波段光譜采集并同步生成圖像,獲取樣品化學(xué)成分的量化數(shù)據(jù)以及空間分布等詳細(xì)信息,圖像中每一象素都記錄了其對(duì)應(yīng)樣品點(diǎn)的化學(xué)組成,質(zhì)量,顏色等信息的光譜特征,用于對(duì)樣品進(jìn)行定性,定量分析。

葉綠素?zé)晒獬上駟卧?/strong>

葉綠素?zé)晒獬上駟卧蓪?shí)現(xiàn)原位測(cè)量，活體葉綠素?zé)晒獬上瘢庇^顯示樣品光合作用差異,可導(dǎo)出熒光參數(shù)彩色圖像。成像功能對(duì)Ft、Fo、Fm、Fv/Fm、F、Fm’、Y(II)、Y(NO)、Y(NPQ)、NPQ、qN、qP、qL、ETR、Abs、Inh. 等參數(shù)進(jìn)行成像分析。測(cè)定調(diào)節(jié)性能量耗散 Y(NPQ)，反映植物光保護(hù)能力，測(cè)定非調(diào)節(jié)性能量耗散 Y(NO)，反映植物光損傷程度。程序測(cè)量功能:可程序測(cè)量熒光誘導(dǎo)曲線、快速光曲線和暗弛豫，也可手動(dòng)測(cè)量;在測(cè)量過(guò)程中能自動(dòng)分析所有熒光參數(shù)的變化趨勢(shì)。AOI功能：可在測(cè)量前或測(cè)量后任意選擇感興趣的區(qū)域(AOI),程序?qū)⒆詣?dòng)對(duì)選擇的AOI的數(shù)據(jù)進(jìn)行變化趨勢(shì)分析，并在報(bào)告文件中顯示相關(guān)AOI的數(shù)據(jù)。所有報(bào)告文件中顯示的數(shù)據(jù)都可導(dǎo)出到 EXCEL文件中。成像異質(zhì)性分析功能:對(duì)任意參數(shù)任意時(shí)間的成像，可在圖像上任意選取兩點(diǎn)，軟件自動(dòng)對(duì)兩點(diǎn)間的數(shù)據(jù)進(jìn)行橫向異質(zhì)性分析，并可導(dǎo)出到EXCEL文件中。成像數(shù)據(jù)范圍分析功能：對(duì)任意參數(shù)任意時(shí)間的成像，可分析任意兩個(gè)熒光數(shù)值之間有多少個(gè)像素點(diǎn)，多少面積(cm²),突變株篩選功能:可跟據(jù)成像結(jié)果快速篩選光合、產(chǎn)氫/油、抗逆(抗鹽、抗旱、抗病等)等突變株。

可見(jiàn)光成像單元

可見(jiàn)光成像單元采用高分辨率相機(jī)，像素可達(dá) 6000萬(wàn)像素，可對(duì)激光 3D 點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行賦色,可實(shí)現(xiàn)原色圖像數(shù)據(jù)采集。

測(cè)量參數(shù)

激光成像單元

通過(guò)激光的測(cè)量,可生成植物的三維影像,用于計(jì)算群體植物的結(jié)構(gòu)性狀，并且針對(duì)寬行距種植的樣品可實(shí)現(xiàn)群體的單株識(shí)別，對(duì)于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的樣品可實(shí)現(xiàn)單株植物的莖葉分離，系統(tǒng)可精準(zhǔn)獲取植物株高、株幅、葉長(zhǎng)、葉寬、葉面積、郁閉度、冠層透光率等表型參數(shù)。群體分單株:基于深度學(xué)習(xí)算法 Faster-RCNN模型，識(shí)別單株作物根部位置，利用傳統(tǒng)生長(zhǎng)法完成群體分單株，單株莖葉分割：基于區(qū)域生長(zhǎng)法識(shí)別和分割單株植物的莖和不同葉片，和基于深度學(xué)習(xí)識(shí)別和分割單株植物的莖和不同葉片?？蓪?shí)現(xiàn)三維建模,按不同顏色梯度顯示高程圖。支持區(qū)域裁剪,進(jìn)行長(zhǎng)度、角度、面積測(cè)量。獲取掃描區(qū)域數(shù)字高程模型 DEM、數(shù)字地表模型 DSM、冠層高度模型 CHM。獲取郁閉度 CanopyCover，農(nóng)作物的垂直投影占大田面積的百分比。獲取冠層透光率 Transmittance，作物不同高度層片上可接收到的入射太陽(yáng)光比例。

RGB 傳感器

通過(guò)可見(jiàn)光成像單元并結(jié)合激光的測(cè)量，可實(shí)現(xiàn)輪廓面積長(zhǎng)度、寬度、凸包點(diǎn)數(shù)、凸包面積、凸包面積/輪廓面積、最小外接圓(質(zhì)心、半徑、面積)、最小外接矩形(長(zhǎng)、寬、面積)、顏色等參類的獲取。

多光譜傳感器

可獲取 NDVI、DVI、TVI、RVI及其他自定義植被指數(shù)等信息。

高光譜傳感器

可獲得植被的色素含量、營(yíng)養(yǎng)元素(氮含量、氮積累量)含量、植被覆蓋度信息、植被鮮重信息等。

熱紅外傳感器

可獲取冠層及葉片溫度

葉綠素?zé)晒獬上駟卧?/span>

Ft、 Fo、 Fm、 Fv/Fm、 F、 Fm’、 Fo’、 Y(II)、Y(NO)、Y(NPQ)、NPQ、qN、qP、qL、PS/50=ETR、Inh.

應(yīng)用案例