野外型高通量植物表型平臺——Field Scanalyzer
日期:2017-04-24 15:27:25

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1  自動化 FieldSystem 系統(tǒng)

Scanalyzer Field 是利用門式起重系統(tǒng)二設(shè)計和組建的3軸表型系統(tǒng),X軸方向的運動是通過軌道系統(tǒng)進入地面,以允許自然排水和無障礙運行,如傳統(tǒng)的混凝土地基可以充當流動屏障,Y軸垂直于軌道,并且承擔攝像機設(shè)置的升降裝置,Z軸描述的是升降單元上下移動的方向。

X軸運動單元是由兩個變頻有源電源和兩個無源單元,將被綁定在支撐梁上,Y軸包括門式框架(鋁),并將保護Z軸的運動,Scanalyzer Field 系統(tǒng)的推進包括兩個電動逆變器供電引擎,驅(qū)動底部兩個齒輪傳輸,Y軸和Z軸同樣是由電動逆變器和齒條一起供應運轉(zhuǎn)。

這樣的設(shè)置可以使系統(tǒng)精密的在X、Y和Z軸上運動。

Scanalyzer Field 系統(tǒng)上的運行部件均來自其他手動或自動操作的系統(tǒng),比如船舶和火車卸貨等,因此Scanalyzer Field 系統(tǒng)的零件具有更耐久性和靈活性。

 

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圖1: ScanalyzerField系統(tǒng)示意圖

 

1.1 系統(tǒng)參數(shù)

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1.2  系統(tǒng)操作注意事項

開始的時候,接受過培訓的人員利用遠程操作進行系統(tǒng)的運行;

每個試驗地的開始和結(jié)束位置,本步驟在每一個試驗開始前進行,在播種前就要做好;

一旦實驗設(shè)置被保存,用戶需要使用控制軟件選取接下來的參數(shù),參數(shù)包括時間、頻率、地點等;

保證所有的圖像之間都有重復,保證每一個植株都會被測量到;

熒光測量時,如果是在晚上,要充分考慮到熒光對周圍植株的影響,不能緊接著進行測量。

1.3  系統(tǒng)精確度

ScanalyzerField 系統(tǒng)的精度可以達到X軸<±50mm,Y軸<±5mm和Z軸<±5mm,除GPS定位外,每張照片都包含在ScanalyzerField系統(tǒng)三維空間的位置。

1.4  系統(tǒng)耐久性

因為所有的部件都采用工業(yè)標準,加載的重量遠遠低于設(shè)計時的承重能力,ScanalyzerField 系統(tǒng)可以持續(xù)使用5年以上的時間。

1.5  系統(tǒng)維護

盡管相機朝下且有保護附件,但是為了保證成像質(zhì)量,常規(guī)的清潔仍是必要的,如果下大雨,有必要清潔一下相機的外殼,清除殘余的水和殘渣。

在植物的生長季,如果ScanalyzerField 系統(tǒng)每天都要工作,那么每年進行一次檢查和預防性維護是非常必要的。

維護包括檢查所有滑動部件的潤滑性,也要對成像傳感器進行檢測,在儀器運行的前三年,不會跟換新的部件。

1.6  系統(tǒng)安全方案

1.6.1  ScanalyzerField系統(tǒng)常見風險

自動模式:

系統(tǒng)自動運行時,人員不能站在ScanalyzerField系統(tǒng)軌道間的任何區(qū)域;

ScanalyzerField系統(tǒng)會按照編輯的程序沿軌道進行運動,任何站在系統(tǒng)上方或離軌道較近的人員,都會有與ScanalyzerField系統(tǒng)碰撞的危險,系統(tǒng)自動運動的速度最大可達60min/min;

自動運行模式下,圖像采集臂可以在2米以下高度移動;

熒光成像技術(shù)使用短LED脈沖(1-2s),亮度相當于太陽光的4-6倍;

高度掃描設(shè)備包括可見激光。

手動模式:

手動模式下,操作者就會在運行系統(tǒng)的周邊,并且成像時,操作者需要與系統(tǒng)直接接觸;

系統(tǒng)不運行的情況下,傳感器的蓋子被打開,所有的安全模塊開啟且顯示危險警告。

1.6.2  ScanalyzerField系統(tǒng)風險應對

技術(shù)性

導軌放在土層以上,減少人員站在導軌上的風險;

ScanalyzerField系統(tǒng)會產(chǎn)生聲音和燈光信號,提醒周圍的工作人員;

ScanalyzerField系統(tǒng)的導軌如果碰到物體,不論在手動狀態(tài)或自動狀態(tài),緊急開關(guān)會將ScanalyzerField系統(tǒng)緊急停止,

安全保險不能使用,因此系統(tǒng)有大約1m左右的斷裂長度。

人工控制ScanalyzerField系統(tǒng)時,可以使用緊急暫停按鈕。

人工操作時,ScanalyzerField系統(tǒng)運行時的速度是有限制的。

當人工操作系統(tǒng)時,激光和熒光的光源是停用的。

當遇到極端惡劣環(huán)境時,自動運行模式不能維持,ScanalyzerField系統(tǒng)會進入安全位置。

1.6.3  系統(tǒng)組織培訓

ScanalyzerField系統(tǒng)的操作者會接受單獨培訓。

系統(tǒng)維護人員需要較好掌握技術(shù)教育,并且接受ScanalyzerField系統(tǒng)的培訓。

整個ScanalyzerField系統(tǒng)的外側(cè)都應安裝有2m高的柵欄,并且進入柵欄區(qū)域的應該是接受過培訓的人,入口處應該粘貼安全條例。

 

2  傳感器平臺

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圖 2: 傳感器平臺概念圖(最終版本可能有所不同)

 

每一種相機系統(tǒng)都單獨安裝在密封殼體內(nèi),并綁定在靈活可調(diào)的成像盒中,照相機箱的總有效載荷可以達到500公斤,允許靈活的增加傳感器。

主要特點:

天氣保護平臺,單獨保護傳感器;

卷簾門在平臺下面的對面,充分保護不在使用的傳感器;

夜間使用的鹵素燈同時具有加熱元件,可以防止傳感器溫度過低而表面水分凝結(jié)。

大小:

3m 寬

1.5m 高

1.5m 深度

載重:

500kg

 

2.1 FLIR 紅外相機

相機與樣品距離、大氣溫度、相對濕度等環(huán)境參數(shù)對測量結(jié)果影響很大,因此定期的重校準很有必要。

結(jié)合前景/背景分離,可以提取出不同植物的精確溫度,溫度的高低將以假色圖像的形式表現(xiàn)出來,從而更容易觀察到顏色的變化,紅外傳感器所得到的數(shù)據(jù)可以以柱狀圖的形式表現(xiàn)出來,從而分析植物的溫度分布。

成像和光學參數(shù)

焦距                            

空間分辨率(IFOV)

鏡頭識別

焦距比數(shù)

熱敏度/NETD

像頻 (SC645) 

像頻 (SC 665) 

聚焦                                     


24.5 mm (0.96 in.)

0.69 mrad

自動

1.0

< 0.05°C ,+30°C下 (+86°F) / 50 mK

25 Hz

50 Hz (100/200 Hz 和開窗)

自動或手動 (內(nèi)裝電動機)

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2.2 RGB 相機 

界面        

分辨率

傳感器

傳感器類型

傳感器尺寸

電池尺寸

透鏡支架

A/D

On-board FIFO

IEEE 802.3 1000baseT   

3296 x 2472 

Truesense KAI-08050  

CCD 漸進

4/3式

5.5 μm

F-Mount

14 bit

128 MB

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2.3 高光譜傳感器

表1 : 文獻中發(fā)表的高光譜指數(shù)

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彩色條顯示的是某些指數(shù)所需要的光譜范圍,綠色和黃色條可以通過VNIR相機成像(380-1000nm),黃色和紅色條可以通過VNIR相機(550-1700nm),近紅外相機不包含900nm以下的范圍,對于SWIR相機,已知的參數(shù)主要在纖維素和木質(zhì)素相關(guān)的參數(shù)。

為了彌補不斷變化的現(xiàn)場光線,補償性設(shè)備會提供適量的光源,附加光源為鹵素燈,并且范圍在500到2500納米。

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圖3: 附加光源的亮度


2.4 激光掃描器

從上部觀察的高度掃描儀是Frauenhofer IIS研究機構(gòu)專門為Lemna Tec公司開發(fā)。

使用NIR激光掃描器可以避免影響植物的正常生理,使用非常高的分辨率和很小的時間間隔。

頂部視圖時,兩個單元將結(jié)合起來,詳見圖4.

兩個單元的交叉可以減少樹冠陰影面積的影響。

在側(cè)面掃描時,每個側(cè)視圖由四個單元組合成一個傳感器,光學元件和角度的選擇將根據(jù)臺架安裝的設(shè)計而改變。

每一個單元都包含傳感器頭和電腦,將傳感器信息結(jié)合到plc文件里。

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圖4: 激光掃描設(shè)備從上部掃描植物冠層


2.5  用于PSII研究的熒光相機

熒光相機是使用直接熒光值,目前有一篇文獻(Strasser, R. J., A. Srivastava, and M. Tsimilli-Michael. "The fluorescence transient as a tool to characterize and screen photosynthetic samples." Probing photosynthesis: mechanisms, regulation and adaptation (2000): 445-483.)解釋為什么Lemna Tec會選擇直接熒光測定,或被稱為PAM直接熒光法:

目前使用的有兩種熒光技術(shù),直接熒光和調(diào)制熒光技術(shù),每一種技術(shù)都有優(yōu)勢和缺陷,隨著技術(shù)的發(fā)展,光電池和光電倍增管的低靈敏度要求高的激發(fā)光的強度,這樣使用直接熒光的方法是比較好的,但是有兩個缺點:(a)強大的激發(fā)光會引起一個快速的熒光上升;(b)快門開放的時間過長(大約1ms),F(xiàn)o值無法測定。敏感的光電池,光電二極管和高性能放大器的發(fā)展,使得熒光信號的測量具有非常低的激發(fā)光的強度,低強度調(diào)制光束激發(fā)衡量熒光,初始和最大熒光都可以進行測量,并且精度很高,但是仍有兩個限制:(a)該時間分辨率由調(diào)制和解調(diào)頻率的限制;(b)一種低成本調(diào)制熒光計以10微秒的時間12位信號的分辨率不可以實現(xiàn)。如PEA熒光儀,它耗電少且成本低,高分辨率熒光上升允許人們觀察幾個步驟,F(xiàn)0,K,J,I,P,缺點是需要外界光源,目前,直接熒光法比調(diào)制熒光法有一些優(yōu)勢,如每次測量的信息更多、低功耗、高采樣檢測率、重量輕、多種環(huán)境下采集數(shù)據(jù)和成本低。


表2: 儀器可以測量的熒光參數(shù)

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注:DA:測量暗適應后的參數(shù),在測量以前,ScanalyzerField系統(tǒng)會保留暗適應的時間,在測量下一個植株之前,為避免前個植株的影響,這樣的測量要在晚上進行。

LA:所有需要光適應的參數(shù)都是在白天進行,因為兩個不同相片的光密度有可能不同,因此標記LA的參數(shù)需要額外的處理,所有的數(shù)據(jù)才能夠進行比較,同樣,可以利用激發(fā)光的10%作為光化光,用戶可以在測量前15分鐘調(diào)整光適應。

DL:光-暗交替的參數(shù)只能是整個植株的平均值,這是因為植物的生長和葉片位置改變所造成兩次測量差異。


2.6  NDVI/PRI 傳感器

NDVI傳感器運行一次,便可以快速對田間進行評價,NDVI傳感器同時可以測量PRI,這種傳感器適用于研究者研究整個田間的參數(shù),而不是單一的植株。

NDVI 波段:  630±5 和 800±5 nm 峰值波長, 50納米和40納米的全寬度半最大值(FWHM)頻帶寬度。

PRI 波段:     531±3 和570±3 nm 峰值波長, 10納米全寬度半最大值(FWHM)頻帶寬度。

前部光學:

半球形:余弦校正聚四氟乙烯擴散器,市場為半球形;

視場光闌:20°市場。

校準:NIST可溯源校準到已知的光譜福照度(W m-2 nm-1)或輻射率(W m-2 nm-1 sr-1 )

精度: 光譜輻照度和輻射值在10%或更高

測量時間:< 300 ms

外形尺寸: 43 x 40 x 27mm


2.7  主動反射傳感器


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作物冠層傳感器Crop Circle ACS-430提供經(jīng)典的植物指數(shù)數(shù)據(jù)(NDVI和SRI等),以及來自植物冠層和土壤的基本反射信息。

與被動傳感器不同,Crop Circle ACS-430不會受外界光強的限制,測量可以在白天或夜間進行。

Crop Circle ACS-430傳感器可以安裝到各種類型的車輛上,并且進行田間測量,緊湊的尺寸和低重量的設(shè)計使Crop Circle ACS-430可以很容易地適應支桿安裝和手持式應用。傳感器產(chǎn)生的信息可以被用于定量的營養(yǎng)物質(zhì)、水、疾病或其他生長條件對植物或作物的影響。

多通道光譜測量

ACS-430有三個可選的測量頻道,傳感器同時測量植物/土壤在670nm/730nm/780nm處的反射值,ACS-430傳感器的主要特點是測量時與高度無關(guān),Holland Scientific把這種反射測量稱作Pseudo Solar Reflectances (PSR)。因此光譜反射值會因為傳感器的高度而改變,因此不使用比例計算,就可以獲得數(shù)十個參數(shù)。(來源于: http://hollandscientific.com/product/crop-circle-acs-430-active-crop -canopy -sensor/)


2.8 環(huán)境傳感器 

2.8.1  天氣傳感器

CLIMA SENSOR US NHTFB(超聲波)傳感器可以實現(xiàn)完全免維護,且沒有可動磨損部件,如呼吸機或軸承等。

本系統(tǒng)可連接例如風速、風向、聲學虛擬溫度、空氣溫度、相對空氣濕度、亮度、空氣壓力、降雨量等傳感器,用于環(huán)境參數(shù)的收集。


2.9  常規(guī)傳感器

本系統(tǒng)可加載PAR傳感器、二氧化碳傳感器等。


德國IPK安裝的Rhizotrone根系分析系統(tǒng),由德國LemnaTec設(shè)計、德國MK公司施工建設(shè)。相關(guān)視頻,請點擊:德國IPK安裝的Rhizotrone根系分析系統(tǒng)。


產(chǎn)地:德國LemnaTec

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