1  自動(dòng)化 Field^System 系統

Scanalyzer Field 是利用門(mén)式起重系統二設計和組建的3軸表型系統，X軸方向的運動(dòng)是通過(guò)軌道系統進(jìn)入地面，以允許自然排水和無(wú)障礙運行，如傳統的混凝土地基可以充當流動(dòng)屏障，Y軸垂直于軌道，并且承擔攝像機設置的升降裝置，Z軸描述的是升降單元上下移動(dòng)的方向。

X軸運動(dòng)單元是由兩個(gè)變頻有源電源和兩個(gè)無(wú)源單元，將被綁定在支撐梁上，Y軸包括門(mén)式框架（鋁），并將保護Z軸的運動(dòng)，Scanalyzer Field 系統的推進(jìn)包括兩個(gè)電動(dòng)逆變器供電引擎，驅動(dòng)底部?jì)蓚€(gè)齒輪傳輸，Y軸和Z軸同樣是由電動(dòng)逆變器和齒條一起供應運轉。

這樣的設置可以使系統精密的在X、Y和Z軸上運動(dòng)。

Scanalyzer Field 系統上的運行部件均來(lái)自其他手動(dòng)或自動(dòng)操作的系統，比如船舶和火車(chē)卸貨等，因此Scanalyzer Field 系統的零件具有更耐久性和靈活性。

圖1: ScanalyzerField系統示意圖

1.1 系統參數

1.2  系統操作注意事項

開(kāi)始的時(shí)候，接受過(guò)培訓的人員利用遠程操作進(jìn)行系統的運行；

每個(gè)試驗地的開(kāi)始和結束位置，本步驟在每一個(gè)試驗開(kāi)始前進(jìn)行，在播種前就要做好；

一旦實(shí)驗設置被保存，用戶(hù)需要使用控制軟件選取接下來(lái)的參數，參數包括時(shí)間、頻率、地點(diǎn)等；

保證所有的圖像之間都有重復，保證每一個(gè)植株都會(huì )被測量到；

熒光測量時(shí)，如果是在晚上，要充分考慮到熒光對周?chē)仓甑挠绊?，不能緊接著(zhù)進(jìn)行測量。

1.3  系統精確度

ScanalyzerField 系統的精度可以達到X軸<±50mm，Y軸<±5mm和Z軸<±5mm，除GPS定位外，每張照片都包含在ScanalyzerField系統三維空間的位置。

1.4  系統耐久性

因為所有的部件都采用工業(yè)標準，加載的重量遠遠低于設計時(shí)的承重能力，ScanalyzerField 系統可以持續使用5年以上的時(shí)間。

1.5  系統維護

盡管相機朝下且有保護附件，但是為了保證成像質(zhì)量，常規的清潔仍是必要的，如果下大雨，有必要清潔一下相機的外殼，清除殘余的水和殘渣。

在植物的生長(cháng)季，如果ScanalyzerField 系統每天都要工作，那么每年進(jìn)行一次檢查和預防性維護是非常必要的。

維護包括檢查所有滑動(dòng)部件的潤滑性，也要對成像傳感器進(jìn)行檢測，在儀器運行的前三年，不會(huì )跟換新的部件。

1.6  系統安全方案

1.6.1  ScanalyzerField系統常見(jiàn)風(fēng)險

自動(dòng)模式：

系統自動(dòng)運行時(shí)，人員不能站在ScanalyzerField系統軌道間的任何區域；

ScanalyzerField系統會(huì )按照編輯的程序沿軌道進(jìn)行運動(dòng)，任何站在系統上方或離軌道較近的人員，都會(huì )有與ScanalyzerField系統碰撞的危險，系統自動(dòng)運動(dòng)的速度最大可達60min/min；

自動(dòng)運行模式下，圖像采集臂可以在2米以下高度移動(dòng)；

熒光成像技術(shù)使用短LED脈沖（1-2s），亮度相當于太陽(yáng)光的4-6倍；

高度掃描設備包括可見(jiàn)激光。

手動(dòng)模式：

手動(dòng)模式下，操作者就會(huì )在運行系統的周邊，并且成像時(shí)，操作者需要與系統直接接觸；

系統不運行的情況下，傳感器的蓋子被打開(kāi)，所有的安全模塊開(kāi)啟且顯示危險警告。

1.6.2  ScanalyzerField系統風(fēng)險應對

技術(shù)性

導軌放在土層以上，減少人員站在導軌上的風(fēng)險；

ScanalyzerField系統會(huì )產(chǎn)生聲音和燈光信號，提醒周?chē)墓ぷ魅藛T；

ScanalyzerField系統的導軌如果碰到物體，不論在手動(dòng)狀態(tài)或自動(dòng)狀態(tài)，緊急開(kāi)關(guān)會(huì )將ScanalyzerField系統緊急停止，

安全保險不能使用，因此系統有大約1m左右的斷裂長(cháng)度。

人工控制ScanalyzerField系統時(shí)，可以使用緊急暫停按鈕。

人工操作時(shí)，ScanalyzerField系統運行時(shí)的速度是有限制的。

當人工操作系統時(shí)，激光和熒光的光源是停用的。

當遇到極端惡劣環(huán)境時(shí)，自動(dòng)運行模式不能維持，ScanalyzerField系統會(huì )進(jìn)入安全位置。

1.6.3  系統組織培訓

ScanalyzerField系統的操作者會(huì )接受單獨培訓。

系統維護人員需要較好掌握技術(shù)教育，并且接受ScanalyzerField系統的培訓。

整個(gè)ScanalyzerField系統的外側都應安裝有2m高的柵欄，并且進(jìn)入柵欄區域的應該是接受過(guò)培訓的人，入口處應該粘貼安全條例。

2  傳感器平臺

圖 2: 傳感器平臺概念圖（最終版本可能有所不同）

每一種相機系統都單獨安裝在密封殼體內，并綁定在靈活可調的成像盒中，照相機箱的總有效載荷可以達到500公斤，允許靈活的增加傳感器。

主要特點(diǎn)：

天氣保護平臺，單獨保護傳感器；

卷簾門(mén)在平臺下面的對面，充分保護不在使用的傳感器；

夜間使用的鹵素燈同時(shí)具有加熱元件，可以防止傳感器溫度過(guò)低而表面水分凝結。

大?。?/strong>

3m 寬

1.5m 高

1.5m 深度

載重：

500kg

2.1 FLIR 紅外相機

相機與樣品距離、大氣溫度、相對濕度等環(huán)境參數對測量結果影響很大，因此定期的重校準很有必要。

結合前景/背景分離，可以提取出不同植物的精確溫度，溫度的高低將以假色圖像的形式表現出來(lái)，從而更容易觀(guān)察到顏色的變化，紅外傳感器所得到的數據可以以柱狀圖的形式表現出來(lái)，從而分析植物的溫度分布。

成像和光學(xué)參數 焦距                             空間分辨率(IFOV) 鏡頭識別 焦距比數 熱敏度/NETD 像頻 (SC645)  像頻 (SC 665)  聚焦

24.5 mm (0.96 in.) 0.69 mrad 自動(dòng) 1.0 < 0.05°C ，+30°C下 (+86°F) / 50 mK 25 Hz 50 Hz (100/200 Hz 和開(kāi)窗) 自動(dòng)或手動(dòng) (內裝電動(dòng)機)

2.2 RGB 相機 

界面         分辨率 傳感器 傳感器類(lèi)型 傳感器尺寸 電池尺寸 透鏡支架 A/D On-board FIFO

IEEE 802.3 1000baseT    3296 x 2472  Truesense KAI-08050   CCD 漸進(jìn) 4/3式 5.5 μm F-Mount 14 bit 128 MB

2.3 高光譜傳感器

表1 ： 文獻中發(fā)表的高光譜指數

彩色條顯示的是某些指數所需要的光譜范圍，綠色和黃色條可以通過(guò)VNIR相機成像（380-1000nm），黃色和紅色條可以通過(guò)VNIR相機（550-1700nm），近紅外相機不包含900nm以下的范圍，對于SWIR相機，已知的參數主要在纖維素和木質(zhì)素相關(guān)的參數。

為了彌補不斷變化的現場(chǎng)光線(xiàn)，補償性設備會(huì )提供適量的光源，附加光源為鹵素燈，并且范圍在500到2500納米。

圖3： 附加光源的亮度

2.4 激光掃描器

從上部觀(guān)察的高度掃描儀是Frauenhofer IIS研究機構專(zhuān)門(mén)為L(cháng)emna Tec公司開(kāi)發(fā)。

使用NIR激光掃描器可以避免影響植物的正常生理，使用非常高的分辨率和很小的時(shí)間間隔。

頂部視圖時(shí)，兩個(gè)單元將結合起來(lái)，詳見(jiàn)圖4.

兩個(gè)單元的交叉可以減少樹(shù)冠陰影面積的影響。

在側面掃描時(shí)，每個(gè)側視圖由四個(gè)單元組合成一個(gè)傳感器，光學(xué)元件和角度的選擇將根據臺架安裝的設計而改變。

每一個(gè)單元都包含傳感器頭和電腦，將傳感器信息結合到plc文件里。

圖4： 激光掃描設備從上部掃描植物冠層

2.5  用于PSII研究的熒光相機

熒光相機是使用直接熒光值，目前有一篇文獻（Strasser, R. J., A. Srivastava, and M. Tsimilli-Michael. "The fluorescence transient as a tool to characterize and screen photosynthetic samples." Probing photosynthesis: mechanisms, regulation and adaptation (2000): 445-483.）解釋為什么Lemna Tec會(huì )選擇直接熒光測定，或被稱(chēng)為PAM直接熒光法：

目前使用的有兩種熒光技術(shù)，直接熒光和調制熒光技術(shù)，每一種技術(shù)都有優(yōu)勢和缺陷，隨著(zhù)技術(shù)的發(fā)展，光電池和光電倍增管的低靈敏度要求高的激發(fā)光的強度，這樣使用直接熒光的方法是比較好的，但是有兩個(gè)缺點(diǎn)：（a）強大的激發(fā)光會(huì )引起一個(gè)快速的熒光上升；（b）快門(mén)開(kāi)放的時(shí)間過(guò)長(cháng)（大約1ms），Fo值無(wú)法測定。敏感的光電池，光電二極管和高性能放大器的發(fā)展，使得熒光信號的測量具有非常低的激發(fā)光的強度，低強度調制光束激發(fā)衡量熒光，初始和最大熒光都可以進(jìn)行測量，并且精度很高，但是仍有兩個(gè)限制：（a）該時(shí)間分辨率由調制和解調頻率的限制；（b）一種低成本調制熒光計以10微秒的時(shí)間12位信號的分辨率不可以實(shí)現。如PEA熒光儀，它耗電少且成本低，高分辨率熒光上升允許人們觀(guān)察幾個(gè)步驟，F0，K，J，I，P，缺點(diǎn)是需要外界光源，目前，直接熒光法比調制熒光法有一些優(yōu)勢，如每次測量的信息更多、低功耗、高采樣檢測率、重量輕、多種環(huán)境下采集數據和成本低。

表2: 儀器可以測量的熒光參數

注：DA：測量暗適應后的參數，在測量以前，ScanalyzerField系統會(huì )保留暗適應的時(shí)間，在測量下一個(gè)植株之前，為避免前個(gè)植株的影響，這樣的測量要在晚上進(jìn)行。

LA：所有需要光適應的參數都是在白天進(jìn)行，因為兩個(gè)不同相片的光密度有可能不同，因此標記LA的參數需要額外的處理，所有的數據才能夠進(jìn)行比較，同樣，可以利用激發(fā)光的10%作為光化光，用戶(hù)可以在測量前15分鐘調整光適應。

DL：光-暗交替的參數只能是整個(gè)植株的平均值，這是因為植物的生長(cháng)和葉片位置改變所造成兩次測量差異。

2.6  NDVI/PRI 傳感器

NDVI傳感器運行一次，便可以快速對田間進(jìn)行評價(jià)，NDVI傳感器同時(shí)可以測量PRI，這種傳感器適用于研究者研究整個(gè)田間的參數，而不是單一的植株。

NDVI 波段:  630±5 和 800±5 nm 峰值波長(cháng), 50納米和40納米的全寬度半最大值（FWHM）頻帶寬度。

PRI 波段:     531±3 和570±3 nm 峰值波長(cháng), 10納米全寬度半最大值（FWHM）頻帶寬度。

前部光學(xué)：

半球形：余弦校正聚四氟乙烯擴散器，市場(chǎng)為半球形；

視場(chǎng)光闌：20°市場(chǎng)。

校準：NIST可溯源校準到已知的光譜福照度（W m-2 nm-1）或輻射率（W m-2 nm-1 sr-1 ）

精度： 光譜輻照度和輻射值在10%或更高

測量時(shí)間：< 300 ms

外形尺寸： 43 x 40 x 27mm

2.7  主動(dòng)反射傳感器

作物冠層傳感器Crop Circle ACS-430提供經(jīng)典的植物指數數據（NDVI和SRI等），以及來(lái)自植物冠層和土壤的基本反射信息。

與被動(dòng)傳感器不同，Crop Circle ACS-430不會(huì )受外界光強的限制，測量可以在白天或夜間進(jìn)行。

Crop Circle ACS-430傳感器可以安裝到各種類(lèi)型的車(chē)輛上，并且進(jìn)行田間測量，緊湊的尺寸和低重量的設計使Crop Circle ACS-430可以很容易地適應支桿安裝和手持式應用。傳感器產(chǎn)生的信息可以被用于定量的營(yíng)養物質(zhì)、水、疾病或其他生長(cháng)條件對植物或作物的影響。

多通道光譜測量

ACS-430有三個(gè)可選的測量頻道，傳感器同時(shí)測量植物/土壤在670nm/730nm/780nm處的反射值，ACS-430傳感器的主要特點(diǎn)是測量時(shí)與高度無(wú)關(guān)，Holland Scientific把這種反射測量稱(chēng)作Pseudo Solar Reflectances (PSR)。因此光譜反射值會(huì )因為傳感器的高度而改變，因此不使用比例計算，就可以獲得數十個(gè)參數。(來(lái)源于： http://hollandscientific.com/product/crop-circle-acs-430-active-crop -canopy -sensor/)

2.8 環(huán)境傳感器 

2.8.1  天氣傳感器

CLIMA SENSOR US NHTFB（超聲波）傳感器可以實(shí)現完全免維護，且沒(méi)有可動(dòng)磨損部件，如呼吸機或軸承等。

本系統可連接例如風(fēng)速、風(fēng)向、聲學(xué)虛擬溫度、空氣溫度、相對空氣濕度、亮度、空氣壓力、降雨量等傳感器，用于環(huán)境參數的收集。

2.9  常規傳感器

本系統可加載PAR傳感器、二氧化碳傳感器等。

德國IPK安裝的Rhizotrone根系分析系統，由德國LemnaTec設計、德國MK公司施工建設。相關(guān)視頻，請點(diǎn)擊：德國IPK安裝的Rhizotrone根系分析系統。

產(chǎn)地：德國LemnaTec