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PhenoWatch高通量植物表型分析系統(tǒng)

基于Sensor to Plant理念設(shè)計(jì)的移動(dòng)式高精度植物表型成像系統(tǒng)

PhnoWatch高通量植物表型分析系統(tǒng)，深度集成了激光雷達(dá)、高光譜成像、紅外熱成像、多光譜成像與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、葉傾角、葉面積、郁閉度、冠層透光率等表型參數(shù)，結(jié)合光譜特征進(jìn)行植被指數(shù)的計(jì)算，及冠層溫度與生物量的統(tǒng)計(jì)分析。

1. 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，溫室或田間移動(dòng)平臺(tái)。

3D中央成像單元（Sensor Box）

? 點(diǎn)云模塊：激光雷達(dá)，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，獲取植物空間點(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)的提取。

? 紅外熱成像模塊：用于機(jī)器視覺的外熱像儀，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，能夠生成640x480像素的熱圖象，具有較高的圖像質(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：以五通道（Blue、Green、Red、NIR、RedEdge）光譜影像為數(shù)據(jù)源，通過影像與點(diǎn)云的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。

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)：

l 多場(chǎng)景適用，可以結(jié)合現(xiàn)有溫室結(jié)構(gòu)、植物培養(yǎng)架來設(shè)計(jì)，可以在溫室使用，也可以在野外使用；

l 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)，跨度可以大于10 m，高度可以大于5 m，導(dǎo)軌長(zhǎng)度可以大于1000 m；

l 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)閅軸，Sensor Box在豎直方向的調(diào)節(jié)軸向?yàn)閆軸，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)；

l 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；

l 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)；

l 定位精度高，多重限位保護(hù)，安全性高。

PhenoWatch-GF野外龍門架式植物表型成像系統(tǒng)

PhenoWatch-GH溫室天車式植物表型成像系統(tǒng)

PhenoWatch-MB溫室龍門架式植物表型成像系統(tǒng)

PhenoWatch-MB野外移動(dòng)版植物表型成像系統(tǒng)

PhenoWatch植物培養(yǎng)架版植物表型成像系統(tǒng)

2. PhenoWatch軟件系統(tǒng)

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干生成獨(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)，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割算法，從不同尺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)處理模塊的開發(fā)服務(wù)。

PhenoWatch分析軟件處理點(diǎn)云數(shù)據(jù)過程：

植物骨架3D到2D投影與曲線擬合算法植物骨架2D到3D投影與曲線擬合算法

植株骨架線分析與提取

3. 測(cè)量參數(shù)

? 群體參數(shù)：

l 數(shù)字高程模型DEM：即地形表面形態(tài)的數(shù)字化表達(dá)。

l 數(shù)字地表模型DSM：指包含了地表建筑物、橋梁和植被等高度的地面高程模型。

l 冠層高度模型CHM：從數(shù)字表面模型中減去數(shù)字高程模型即可得到冠層高度模型。

l 郁閉度Canopy Cover：農(nóng)作物的垂直投影占大田面積的百分比。

l 冠層透光率Transmittance：即作物不同高度層片上可接收到的入射太陽光比例。

l 3D點(diǎn)云植被指數(shù):

3D NDVI、3D TVI、3D RVI、3D DVI等。

l 2D植被指數(shù):

2D NDVI、2D TVI、2D RVI、2D DVI等。

l 植被指數(shù)統(tǒng)計(jì)：多光譜植被指數(shù)的統(tǒng)計(jì)，如均值、大值、最小值等

l 植物綠色程度：自定義閾值，反映植物綠色程度

l 熱紅外分析：圖像各像素點(diǎn)溫度，植物冠層溫度（配熱紅外成像單元）

l 統(tǒng)計(jì)群體表型參數(shù)的報(bào)表，各植株的高度、冠幅、投影面積、冠高比和體積，及數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)：

? 單株表型參數(shù)：

l 高度 l 冠幅 l 投影面積 l 冠高比

l 體積 l 葉片數(shù)量 l 總?cè)~面積 l 葉長(zhǎng)

l 葉寬 l 葉傾角 l 葉面積 l 主干寬

l 導(dǎo)出單株表型參數(shù)報(bào)表：

4. 強(qiáng)大的可擴(kuò)展功能

系統(tǒng)可根據(jù)不同研究需要，擴(kuò)展選配成像模塊，實(shí)現(xiàn)更多功能

可選模塊1：植物多光譜相機(jī)

400-900nm的波段范圍，5波段，涵蓋紅、綠、藍(lán)、近紅外、紅邊，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。

多光譜模塊可獲得葉綠素分布、NDVI、數(shù)字表面模型、RGB圖像

多光譜植被指數(shù)NDVI成像分析多光譜植被指數(shù)DVI成像分析多光譜植被指數(shù)SR成像分析

可選模塊2：紅外熱成像模塊

熱紅外成像模塊內(nèi)置非制冷式氧化釩(VoX)紅外探測(cè)器，能夠生成640 x 480像素的熱圖像，使熱像更加準(zhǔn)確；配有高速紅外窗口選項(xiàng)；清晰顯示50 mk的溫度差；內(nèi)置的25°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、Delta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。

紅外熱成像定點(diǎn)分析紅外熱成像等溫分析

紅外熱成像數(shù)據(jù)分析

可選模塊3：高光譜成像模塊

配置高光譜成像模塊，高光譜成像系統(tǒng)將可見光近紅外（VNIR或NIR）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。