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PhenoWatch高通量植物表型分析系統

基于Sensor to Plant理念設計的移動(dòng)式高精度植物表型成像系統

PhnoWatch高通量植物表型分析系統，深度集成了激光雷達、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、葉傾角、葉面積、郁閉度、冠層透光率等表型參數，結合光譜特征進(jìn)行植被指數的計算，及冠層溫度與生物量的統計分析。

1. 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，溫室或田間移動(dòng)平臺。

3D中央成像單元（Sensor Box）

? 點(diǎn)云模塊：激光雷達，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，獲取植物空間點(diǎn)云，三維建模，最終實(shí)現植物群體參數和單株形態(tài)表型參數的提取。

? 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，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(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：以五通道（Blue、Green、Red、NIR、RedEdge）光譜影像為數據源，通過(guò)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。

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：

l 多場(chǎng)景適用，可以結合現有溫室結構、植物培養架來(lái)設計，可以在溫室使用，也可以在野外使用； 

l 移動(dòng)平臺的尺寸訂制化程度高，根據安裝條件靈活設計，跨度可以大于10 m，高度可以大于5 m，導軌長(cháng)度可以大于1000 m；

l 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Z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)；

l 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；

l 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；

l 定位精度高，多重限位保護，安全性高。

PhenoWatch-GF野外龍門(mén)架式植物表型成像系統

PhenoWatch-GH溫室天車(chē)式植物表型成像系統

PhenoWatch-MB溫室龍門(mén)架式植物表型成像系統

PhenoWatch-MB野外移動(dòng)版植物表型成像系統

PhenoWatch植物培養架版植物表型成像系統

2. PhenoWatch軟件系統

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干生成獨立點(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，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割算法，從不同尺度上滿(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：

植物骨架3D到2D投影與曲線(xiàn)擬合算法               植物骨架2D到3D投影與曲線(xiàn)擬合算法          

植株骨架線(xiàn)分析與提取

3. 測量參數

? 群體參數：

l 數字高程模型DEM：即地形表面形態(tài)的數字化表達。

l 數字地表模型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：從數字表面模型中減去數字高程模型即可得到冠層高度模型。

l 郁閉度Canopy Cover：農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(yáng)光比例。

l 3D點(diǎn)云植被指數:

      3D NDVI、3D TVI、3D RVI、3D DVI等。

l 2D植被指數:

      2D NDVI、2D TVI、2D RVI、2D DVI等。

l 植被指數統計：多光譜植被指數的統計，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 統計群體表型參數的報表，各植株的高度、冠幅、投影面積、冠高比和體積，及數據統計：

? 單株表型參數：

l 高度                                l 冠幅                                l 投影面積                                 l 冠高比

l 體積                                l 葉片數量                         l 總葉面積                                 l 葉長(cháng)

l 葉寬                                l 葉傾角                             l 葉面積                                    l 主干寬

            l  導出單株表型參數報表：

4. 強大的可擴展功能

系統可根據不同研究需要，擴展選配成像模塊，實(shí)現更多功能

可選模塊1：植物多光譜相機

400-900nm的波段范圍，5波段，涵蓋紅、綠、藍、近紅外、紅邊，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。

多光譜模塊可獲得葉綠素分布、NDVI、數字表面模型、RGB圖像

    多光譜植被指數NDVI成像分析 多光譜植被指數DVI成像分析     多光譜植被指數SR成像分析       

可選模塊2：紅外熱成像模塊

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

紅外熱成像定點(diǎn)分析                          紅外熱成像等溫分析                  

紅外熱成像數據分析

可選模塊3：高光譜成像模塊

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

高光譜成像及高光譜曲線(xiàn)分析

高光譜-小麥葉片斑枯病監測

5. 主要技術(shù)參數：

6.  應用案例

玉米植株群體激光雷達測量結果

群體內單株玉米的識別

植株內單個(gè)葉片的識別與測量

作物冠層覆蓋度測量分布成像

作物植被指數二維成像及數據顯示

作物植被指數三維假彩色視圖

產(chǎn)地：以色列 OLAN公司