植物表型成像儀儀器概述

植物表型成像分析系統(tǒng)是主要用于對(duì)植物表型進(jìn)行測(cè)量與分析的設(shè)備。系統(tǒng)分別在頂部、側(cè)上方以及側(cè)下方設(shè)置了可見(jiàn)光成像單元，根據(jù)底部旋轉(zhuǎn)臺(tái)設(shè)備的轉(zhuǎn)動(dòng)進(jìn)而獲取植物表型信息。系統(tǒng)使用了以人工智能為基礎(chǔ)的三維成像技術(shù)，以多視角結(jié)合的方式動(dòng)態(tài)生成植物的三維模型，并且可以根據(jù)模型計(jì)算植物的株寬、株高、骨架、ASM、SSIM等形態(tài)、顏色、紋理參數(shù)。適用于分析禾本科、茄科、十字花科、豆科等植物，主要用于植物生理學(xué)、生態(tài)學(xué)、環(huán)境科學(xué)、植物保護(hù)等領(lǐng)域。

植物表型成像分析系統(tǒng)測(cè)量參數(shù)：

形態(tài)：正株寬、側(cè)株寬、株高、寬高比、緊實(shí)度、偏心率、圓度、矩形度、矩形長(zhǎng)寬比、分形維數(shù)、總骨架長(zhǎng)度、平均波段長(zhǎng)度、端點(diǎn)數(shù)、分叉點(diǎn)數(shù)、分枝級(jí)數(shù)、分枝角度、頂視投影面積、側(cè)視投影面積、投影面積比、頂視凸包周長(zhǎng)、側(cè)視凸包周長(zhǎng)、凸包周長(zhǎng)比；

顏色：（分頂視與側(cè)視）R、G、B、L、a、b（Lab參數(shù)默認(rèn)使用D65光源，2°觀察者視角）、H、S、V、gray；

紋理：Contrast（對(duì)比度）、Correlation（相關(guān)性）、Entropy（熵值）、ASM（角二階矩值）、Second Moment（二階矩值）、Third Moment(三階矩值)、Fourth Monment（四階矩值）、Homogeneity（同質(zhì)性）、Dissimilarity（相似性）、Variance（灰度方差）、Sum Variance（和方差值）、Sum Average（和平均值）、Difference Variance（全局差分方差值）、SSIM（結(jié)構(gòu)相似度指數(shù)）

植物表型成像儀技術(shù)參數(shù)：

植物高度：300-1000mm

植物寬度：100-500mm

植物鮮重：100-75000g

箱體尺寸：1400mm(長(zhǎng))×830mm(寬)×2140mm(高)

植物表型成像分析儀儀器功能：

1、圖像自適應(yīng)：系統(tǒng)自動(dòng)評(píng)測(cè)植物大小，并根據(jù)測(cè)量結(jié)果自動(dòng)拍攝圖像；在超大植物情況時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)拼接處理圖片；

2、溫感與濕感：溫感與濕感：內(nèi)置溫、濕度傳感器，實(shí)時(shí)反饋內(nèi)部環(huán)境

3、儀器控制：外置10寸觸摸屏，可以查看箱體內(nèi)部溫度與濕度、控制箱體內(nèi)部的光照強(qiáng)度、箱門(mén)的開(kāi)關(guān)與外側(cè)運(yùn)行燈光的開(kāi)啟等；也可通過(guò)電腦軟件控制操作

4、鏡頭操作：根據(jù)拍攝植物大小，用戶可以通過(guò)軟件控制將鏡頭抬高或者降低、機(jī)身升高或者下落，以尋找最合適的拍攝位置；

5、相機(jī)分辨率：系統(tǒng)光學(xué)成像單元zui高支持1200萬(wàn)像素，用戶可以根據(jù)需要選擇合適的分辨率；

6、3D成像：系統(tǒng)基于多視角圖像序列，采用計(jì)算機(jī)視覺(jué)算法動(dòng)態(tài)生成植物的高精度3D模型，該模型支持真三維空間下的任意縮放、旋轉(zhuǎn)及平移操作，能夠量化分析植物處于空間中心點(diǎn)時(shí)的表型參數(shù)，如株高、冠層體積、分枝角度等結(jié)構(gòu)特征，實(shí)現(xiàn)了從二維平面觀測(cè)到三維立體解析的跨越

7、云端上傳：綁定設(shè)備編號(hào)后可以將分析后的植物表型數(shù)據(jù)傳輸至云端，并支持隨時(shí)查看云端數(shù)據(jù)；

8、對(duì)焦與變焦：系統(tǒng)支持自動(dòng)對(duì)焦、手動(dòng)對(duì)焦，對(duì)焦方式可在軟件設(shè)置界面中修改；同時(shí)系統(tǒng)也支持光學(xué)變焦，用戶可以手動(dòng)調(diào)整鏡頭至合適位置；

9、數(shù)據(jù)：測(cè)量記錄界面能夠?qū)崿F(xiàn)分析結(jié)果匯總，雙擊分析記錄能夠展示結(jié)果詳情，也可以刪除任意分析結(jié)果；

10、導(dǎo)出：可對(duì)每條分析結(jié)果執(zhí)行導(dǎo)出操作，也可以將所有分析結(jié)果導(dǎo)出，支持用戶手動(dòng)導(dǎo)出3D模型展示視頻；

11、修改：可以在軟件設(shè)置界面修改分析結(jié)果導(dǎo)出路徑、模型存儲(chǔ)路徑以及視頻保存路徑；

12、語(yǔ)言：支持軟件界面的中英文一鍵切換；

13、軟件提供測(cè)試電腦zui大分辨率的關(guān)聯(lián)子程序；

14、稱重：植物放置到轉(zhuǎn)盤(pán)后自動(dòng)稱重并將結(jié)果同步顯示至軟件界面；

15、可移動(dòng)設(shè)計(jì)：集成化箱體，支持室內(nèi)任意位置擺放及移動(dòng)

16、安全規(guī)范：儀器根據(jù)設(shè)計(jì)規(guī)范已安裝各種探測(cè)開(kāi)關(guān)、傳感器以及限位器，防止用戶誤操作或者越程問(wèn)題；

17、電腦系統(tǒng)：Windows操作系統(tǒng)、NVIDIA顯卡(zui低8G顯存)、運(yùn)行內(nèi)存不低于8GB、zui低i5 CPU處理器。

在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科學(xué)與生命科學(xué)研究的前沿，一種融合了精密光學(xué)、自動(dòng)化控制與智能算法的儀器正悄然改變著我們理解植物的方式。它不直接干預(yù)植物的生長(zhǎng)過(guò)程，也不參與基因編輯或化學(xué)調(diào)控，而是以一種近乎“觀察者"的姿態(tài)，持續(xù)、客觀、全面地記錄著植物生命活動(dòng)的細(xì)微變化。這便是植物表型成像分析儀，一個(gè)為植物“畫(huà)像"并解讀其生命密碼的科學(xué)伙伴。

走進(jìn)配備有植物表型成像分析系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)室或溫室，首先映入眼簾的往往是一套結(jié)構(gòu)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)淖詣?dòng)化系統(tǒng)。它可能是一條貫穿整個(gè)培養(yǎng)區(qū)域的軌道，末端連接著一個(gè)可多角度移動(dòng)的機(jī)械臂；也可能是一個(gè)封閉的成像艙，內(nèi)部布滿了不同波段的光源和高分辨率相機(jī)。這套系統(tǒng)的核心任務(wù)是確保每一次數(shù)據(jù)采集都在高度可控的環(huán)境下進(jìn)行。溫度、濕度、光照強(qiáng)度，甚至空氣流通速度，都被精確設(shè)定并維持穩(wěn)定。這種環(huán)境的穩(wěn)定性至關(guān)重要，因?yàn)樗懦送獠扛蓴_因素，使得最終獲取的圖像差異真正源于植物自身的表型變化，而非實(shí)驗(yàn)條件的波動(dòng)。

當(dāng)系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，機(jī)械臂或傳送裝置會(huì)按照預(yù)設(shè)程序，將待測(cè)植物精確地運(yùn)送到成像區(qū)域。此時(shí)，一系列相機(jī)開(kāi)始工作?？梢?jiàn)光相機(jī)捕捉植物最直觀的形態(tài)特征：葉片的展開(kāi)角度、莖稈的直立程度、整體的株型輪廓。這些看似簡(jiǎn)單的二維圖像，經(jīng)過(guò)三維重建算法處理后，能夠生成精確的植物三維模型，從而計(jì)算出葉面積、植株高度、體積等關(guān)鍵參數(shù)。更為精妙的是多光譜與高光譜相機(jī)的應(yīng)用。它們能捕捉到人眼無(wú)法分辨的光譜信息，從綠光到近紅外，每一個(gè)波段都蘊(yùn)含著植物生理狀態(tài)的獨(dú)特信號(hào)。例如，健康葉片在近紅外波段有強(qiáng)烈的反射峰，而受到脅迫的植物這一特征會(huì)顯著減弱。通過(guò)分析這些“光譜指紋"，儀器能夠無(wú)損地評(píng)估植物的水分狀況、葉綠素含量乃至潛在的病害風(fēng)險(xiǎn)。

在夜間或特定實(shí)驗(yàn)條件下，熒光成像技術(shù)則展現(xiàn)出其獨(dú)特魅力。經(jīng)過(guò)短暫的暗適應(yīng)后，植物葉片在特定光激發(fā)下會(huì)發(fā)出微弱的熒光。這種熒光的強(qiáng)度與動(dòng)態(tài)變化，直接關(guān)聯(lián)到光合作用中光系統(tǒng)II的電子傳遞效率。表型成像儀能夠捕捉這些極其微弱的信號(hào)，生成熒光分布圖，讓科研人員“看見(jiàn)"光合作用在葉片不同區(qū)域的活躍程度。一片葉子上，可能一邊光合作用旺盛，另一邊卻因局部缺水而功能下降，這種空間異質(zhì)性只有通過(guò)成像技術(shù)才能清晰揭示。

真正的挑戰(zhàn)在于如何從海量的圖像數(shù)據(jù)中提煉出有價(jià)值的信息?，F(xiàn)代表型成像分析儀通常配備強(qiáng)大的后處理軟件。這些軟件能夠自動(dòng)識(shí)別單株植物，分割出葉片、莖稈等不同器官，并提取數(shù)百個(gè)形態(tài)學(xué)和生理學(xué)參數(shù)。更重要的是，它們能夠?qū)⒉煌瑫r(shí)刻采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)空關(guān)聯(lián)，構(gòu)建植物生長(zhǎng)的動(dòng)態(tài)模型?？蒲腥藛T可以直觀地看到一株幼苗如何在十天內(nèi)完成葉片的展開(kāi)與伸長(zhǎng)，或者觀察到干旱脅迫下植株生長(zhǎng)速率的驟降。這種動(dòng)態(tài)的、定量的描述，遠(yuǎn)比傳統(tǒng)的目測(cè)或單次測(cè)量更為深刻和可靠。

植物表型成像分析儀的存在，使得大規(guī)模、高通量的植物表型鑒定成為可能。在一個(gè)育種項(xiàng)目中，研究人員可以同時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)千個(gè)不同基因型的植株，精確比較它們?cè)谙嗤h(huán)境下的生長(zhǎng)表現(xiàn)。這種能力極大地加速了優(yōu)良品種的篩選過(guò)程。在環(huán)境脅迫研究中，它可以靈敏地捕捉到植物對(duì)鹽堿、干旱或高溫的早期響應(yīng)，為理解植物的抗逆機(jī)制提供關(guān)鍵證據(jù)。它像一位不知疲倦的觀察者，用其精確的“眼睛"和“大腦"，持續(xù)記錄著植物世界無(wú)聲的對(duì)話，幫助人類更深入地理解生命的韌性與奧秘。