高通量植物表型分析系統PhenoWatch 是一套基于 Sensor to Plant 理念的高通量植物表型測量與分析系統，可深度集成激光3D成像、高光譜成像、紅外熱成像、葉綠素熒光成像、多光譜成像與 RGB 成像單元，可智能化移動(dòng)至不同測量區域，按預設值自動(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別，單株植物的莖葉分離，精準獲取植物株高、株幅、葉長(cháng)葉寬、葉面積、郁閉度、冠層透光率、葉綠素熒光參數、光合電子傳遞速率等表型參數，結合光譜特征進(jìn)行植被指數的計算及冠層溫度與特殊物質(zhì)的分析。
PhenoWatch 硬件系統
PhenoWatch 高通量植物表型分析系統的硬件，主要分 3D 中央成像單元和移動(dòng)平臺。
3D 中央成像單元(Sensor Box)
點(diǎn)云模塊：激光傳感器，具有雙軸補償器和高度傳感器，及角測量功能，對每次掃描進(jìn)行水平校準現場(chǎng)自動(dòng)設備補償,進(jìn)行精度更高、距離更遠的掃描，獲取物空間點(diǎn)云，三維建模，最終實(shí)現植物群體參數和單株形態(tài)表型參數的提??；
紅外熱成像模塊:：用于機器視覺(jué)的外熱像儀，配備了非制冷式氧化釩紅外探測器，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(xiàn)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應樣品點(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)光譜影像為數據源，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)現三維的植被指數計算；
RGB 成像模塊：高分辨率的 RGB 相機，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；
葉綠素熒光成像模塊：能夠測量植物葉綠素熒光參數，表征植物的光合活性；
XYZ 三軸移動(dòng)平臺
根據現場(chǎng)環(huán)境實(shí)況,移動(dòng)平臺的尺寸與結構可以靈活設計；
多場(chǎng)景適用，可以結合現有場(chǎng)地條件定制化設計，能做成不同類(lèi)型的移動(dòng)平臺進(jìn)行使用；
移動(dòng)平臺的尺寸訂制化程度高,根據安裝條件靈活設計；
自動(dòng)化程度高，定義大車(chē)在導軌上的移動(dòng)方向為X軸，Sensor Box 在橫梁上的移動(dòng)軸向為 Y軸，Sensor Box 在豎直方向的調節軸向為乙軸，可以實(shí)現 X、Y、Z 三軸的自動(dòng)化控制,可以按空間坐標定位移動(dòng)，可以按設定距離移動(dòng)；
覆蓋區域廣，可以大跨度設計，也可以一臺多跨設計，即一臺龍門(mén)架,可以在多壟地塊之間橫跨掃描；
方式多樣,可以門(mén)式結構設計,天車(chē)式結構設計,或推車(chē)式設計定位精度高,多重限位保護,安全性高；
PhenoWatch 傳感器
激光成像單元
PhenoWatch 系統采集到的作物 3D 點(diǎn)云數據與圖像信息能夠通過(guò) PhenoWatch 軟件進(jìn)行數據融合與三維建模,對群體作物進(jìn)行數據提取,獲得郁閉度、冠層透光率、植被指數等群體參數;基于深度學(xué)習算法——Faster-RCNN 模型,識別單株作物根部位置,利用傳統生長(cháng)法完成群體分單株,然后進(jìn)行植物的莖葉分割,軟件內嵌的莖葉分割方法有兩種：基于區域生長(cháng)法莖葉分割,基于體素法莖葉分割。
基于生長(cháng)法莖葉分割是基于區域生長(cháng)法識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)習識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立點(diǎn)云文件,并對葉片和主干擬合表面與骨架線(xiàn),進(jìn)而計算株高、株幅、葉長(cháng)、葉寬、葉傾角和葉面積等表型參數。
PhenoWatch 的軟件是一款專(zhuān)門(mén)針對于作物三維表型參數提取的軟件系統，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)云數據處理的速度,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(mǎn)足了作物基因型-表型研究者對作物形態(tài)參數提取的需求此外,我們還提供定制化的數據處理模塊的開(kāi)發(fā)服務(wù)。
PhenoWatch 分析軟件處理點(diǎn)云數據過(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(444nm 中心波長(cháng),28nm 帶寬)、綠(531nm 中心波長(cháng),14nm 帶寬)、紅(650nm 中心波長(cháng)，16nm帶寬)、紅邊(705nm 中心波長(cháng),10nm 帶寬)、紅邊(740nm 中心波長(cháng),18nm 帶寬)、藍(475nm 中心波長(cháng),32nm 帶寬)、綠(560nm 中心波長(cháng),27nm 帶寬)、紅(668nm 中心波長(cháng),14nm 帶寬)、紅邊(717nm 中心波長(cháng),12nm 帶寬)、近紅外(842nm 中心波長(cháng),57nm 帶寬),可進(jìn)行 NDVI 等多種植被指數的計算,滿(mǎn)足作物多光譜研究的應用。
紅外熱成像單元
熱紅外成像模塊內置非制冷式氧化釩(VoX)紅外探測器，使熱像更加準確:配有高速紅外窗口選項;內置的相機鏡頭,帶電動(dòng)對焦和自動(dòng)對焦。分析軟件具有點(diǎn)測溫、線(xiàn)測溫、橢圓區域測溫、矩形區域測溫,以及其溫度最值、平均值、Deta 函數統計功能,同時(shí)記錄輻射率、大氣溫度、外部光學(xué)溫度、相對濕度等信息,以達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,高光譜成像系統將可見(jiàn)光近紅外(VNIR 或 SWIR)光譜與高分辨率成像相結合,采用推掃式(pushbroom)成像技術(shù)對運動(dòng)的樣品或在運動(dòng)中對靜止的樣品進(jìn)行逐線(xiàn)全波段光譜采集并同步生成圖像,獲取樣品化學(xué)成分的量化數據以及空間分布等詳細信息,圖像中每一象素都記錄了其對應樣品點(diǎn)的化學(xué)組成,質(zhì)量,顏色等信息的光譜特征,用于對樣品進(jìn)行定性,定量分析。
葉綠素熒光成像單元
葉綠素熒光成像單元可實(shí)現原位測量，活體葉綠素熒光成像，直觀(guān)顯示樣品光合作用差異,可導出熒光參數彩色圖像。成像功能對Ft、Fo、Fm、Fv/Fm、F、Fm’、Y(II)、Y(NO)、Y(NPQ)、NPQ、qN、qP、qL、ETR、Abs、Inh. 等參數進(jìn)行成像分析。測定調節性能量耗散 Y(NPQ)，反映植物光保護能力，測定非調節性能量耗散 Y(NO)，反映植物光損傷程度。程序測量功能:可程序測量熒光誘導曲線(xiàn)、快速光曲線(xiàn)和暗弛豫，也可手動(dòng)測量;在測量過(guò)程中能自動(dòng)分析所有熒光參數的變化趨勢。AOI功能：可在測量前或測量后任意選擇感興趣的區域(AOI),程序將自動(dòng)對選擇的AOI的數據進(jìn)行變化趨勢分析，并在報告文件中顯示相關(guān)AOI的數據。所有報告文件中顯示的數據都可導出到 EXCEL文件中。成像異質(zhì)性分析功能:對任意參數任意時(shí)間的成像，可在圖像上任意選取兩點(diǎn)，軟件自動(dòng)對兩點(diǎn)間的數據進(jìn)行橫向異質(zhì)性分析，并可導出到EXCEL文件中。成像數據范圍分析功能：對任意參數任意時(shí)間的成像，可分析任意兩個(gè)熒光數值之間有多少個(gè)像素點(diǎn)，多少面積(cm2),突變株篩選功能:可跟據成像結果快速篩選光合、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，像素可達 6000萬(wàn)像素，可對激光 3D 點(diǎn)云數據進(jìn)行賦色,可實(shí)現原色圖像數據采集。
測量參數
激光成像單元
通過(guò)激光的測量,可生成植物的三維影像,用于計算群體植物的結構性狀，并且針對寬行距種植的樣品可實(shí)現群體的單株識別，對于結構簡(jiǎn)單的樣品可實(shí)現單株植物的莖葉分離，系統可精準獲取植物株高、株幅、葉長(cháng)、葉寬、葉面積、郁閉度、冠層透光率等表型參數。群體分單株:基于深度學(xué)習算法 Faster-RCNN模型，識別單株作物根部位置，利用傳統生長(cháng)法完成群體分單株，單株莖葉分割：基于區域生長(cháng)法識別和分割單株植物的莖和不同葉片，和基于深度學(xué)習識別和分割單株植物的莖和不同葉片?？蓪?shí)現三維建模,按不同顏色梯度顯示高程圖。支持區域裁剪,進(jìn)行長(cháng)度、角度、面積測量。獲取掃描區域數字高程模型 DEM、數字地表模型 DSM、冠層高度模型 CHM。獲取郁閉度 CanopyCover，農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)光成像單元并結合激光的測量，可實(shí)現輪廓面積長(cháng)度、寬度、凸包點(diǎn)數、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(cháng)、寬、面積)、顏色等參類(lèi)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等信息。
高光譜傳感器
可獲得植被的色素含量、營(yíng)養元素(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
葉綠素熒光成像單元
Ft、 Fo、 Fm、 Fv/Fm、 F、 Fm’、 Fo’、 Y(II)、Y(NO)、Y(NPQ)、NPQ、qN、qP、qL、PS/50=ETR、Inh.
應用案例
