PhenoWatch高通量植物表型分析系統(tǒng)

基于Sensor to Plant理念設(shè)計的移動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，可智能化移動至不同測量區(qū)域，按預(yù)設(shè)值自動掃描作物，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(zhǔn)獲取植物株高、株幅、葉長、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)的計算，及冠層溫度與生物量的統(tǒng)計分析。

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，溫室或田間移動平臺。

3D中央成像單元（Sensor Box）

? 點云模塊：激光雷達(dá)，具有雙軸補(bǔ)償器和高度傳感器，及角測量功能，對每次掃描進(jìn)行水平校準(zhǔn)，現(xiàn)場自動設(shè)備補(bǔ)償，進(jìn)行精度更高、距離更遠(yuǎn)的掃描，獲取植物空間點云，三維建模，最終實現(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應(yīng)樣品點的化學(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(shù)據(jù)源，通過影像與點云的匹配融合從而為三維空間點云賦予光譜信息，最終實現(xiàn)三維的植被指數(shù)計算。

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

移動平臺

根據(jù)現(xiàn)場環(huán)境實況，移動平臺的尺寸與結(jié)構(gòu)可以靈活設(shè)計：

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

l 移動平臺的尺寸訂制化程度高，根據(jù)安裝條件靈活設(shè)計，跨度可以大于10 m，高度可以大于5 m，導(dǎo)軌長度可以大于1000 m；

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

l 覆蓋區(qū)域廣，可以大跨度設(shè)計，也可以一臺多跨設(shè)計，即一臺龍門架，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，天車式結(jié)構(gòu)設(shè)計，或推車式設(shè)計；

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，識別單株作物根部位置，利用傳統(tǒng)生長法完成群體分單株，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)域生長法莖葉分割，基于體素法莖葉分割。

基于生長法莖葉分割是基于區(qū)域生長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(xí)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云文件，并對葉片和主干擬合表面與骨架線，進(jìn)而計算株高、株幅、葉長、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：多光譜植被指數(shù)的統(tǒng)計，如均值、最大值、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：圖像各像素點溫度，植物冠層溫度（配熱紅外成像單元）

l 統(tǒng)計群體表型參數(shù)的報表，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：

? 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

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；清晰顯示50 mk的溫度差；內(nèi)置的25°鏡頭，帶電動對焦和自動對焦。分析軟件具有點測溫、線測溫、橢圓區(qū)域測溫、矩形區(qū)域測溫，以及其溫度最值、平均值、Delta函數(shù)統(tǒng)計功能，同時記錄輻射率、大氣溫度、外部光學(xué)溫度、相對濕度等信息，以達(dá)到獲取熱成像圖有用信息的目的。

紅外熱成像定點分析                          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)對運動的樣品或在運動中對靜止的樣品進(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應(yīng)樣品點的化學(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分析

高光譜-小麥葉片斑枯病監(jiān)測

5. 主要技術(shù)參數(shù)：

6.  應(yīng)用案例

玉米植株群體激光雷達(dá)測量結(jié)果

群體內(nèi)單株玉米的識別

植株內(nèi)單個葉片的識別與測量

作物冠層覆蓋度測量分布成像

作物植被指數(shù)二維成像及數(shù)據(jù)顯示

作物植被指數(shù)三維假彩色視圖