1 自動(dòng)化 FieldSystem 系統(tǒng)
Scanalyzer Field 是利用門(mén)式起重系統(tǒng)二設(shè)計(jì)和組建的3軸表型系統(tǒng),X軸方向的運(yùn)動(dòng)是通過(guò)軌道系統(tǒng)進(jìn)入地面,以允許自然排水和無(wú)障礙運(yùn)行,如傳統(tǒng)的混凝土地基可以充當(dāng)流動(dòng)屏障,Y軸垂直于軌道,并且承擔(dān)攝像機(jī)設(shè)置的升降裝置,Z軸描述的是升降單元上下移動(dòng)的方向。
X軸運(yùn)動(dòng)單元是由兩個(gè)變頻有源電源和兩個(gè)無(wú)源單元,將被綁定在支撐梁上,Y軸包括門(mén)式框架(鋁),并將保護(hù)Z軸的運(yùn)動(dòng),Scanalyzer Field 系統(tǒng)的推進(jìn)包括兩個(gè)電動(dòng)逆變器供電引擎,驅(qū)動(dòng)底部?jī)蓚€(gè)齒輪傳輸,Y軸和Z軸同樣是由電動(dòng)逆變器和齒條一起供應(yīng)運(yùn)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(yùn)動(dòng)。
Scanalyzer Field 系統(tǒng)上的運(yùn)行部件均來(lái)自其他手動(dòng)或自動(dòng)操作的系統(tǒng),比如船舶和火車(chē)卸貨等,因此Scanalyzer Field 系統(tǒng)的零件具有更耐久性和靈活性。
圖1: ScanalyzerField系統(tǒng)示意圖
1.1 系統(tǒng)參數(shù)
1.2 系統(tǒng)操作注意事項(xiàng)
開(kāi)始的時(shí)候,接受過(guò)培訓(xùn)的人員利用遠(yuǎn)程操作進(jìn)行系統(tǒng)的運(yùn)行;
每個(gè)試驗(yàn)地的開(kāi)始和結(jié)束位置,本步驟在每一個(gè)試驗(yàn)開(kāi)始前進(jìn)行,在播種前就要做好;
一旦實(shí)驗(yàn)設(shè)置被保存,用戶需要使用控制軟件選取接下來(lái)的參數(shù),參數(shù)包括時(shí)間、頻率、地點(diǎn)等;
保證所有的圖像之間都有重復(fù),保證每一個(gè)植株都會(huì)被測(cè)量到;
熒光測(cè)量時(shí),如果是在晚上,要充分考慮到熒光對(duì)周?chē)仓甑挠绊懀荒芫o接著進(jìn)行測(cè)量。
1.3 系統(tǒng)精確度
ScanalyzerField 系統(tǒng)的精度可以達(dá)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?yàn)樗械牟考疾捎霉I(yè)標(biāo)準(zhǔn),加載的重量遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于設(shè)計(jì)時(shí)的承重能力,ScanalyzerField 系統(tǒng)可以持續(xù)使用5年以上的時(shí)間。
1.5 系統(tǒng)維護(hù)
盡管相機(jī)朝下且有保護(hù)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(jī)的外殼,清除殘余的水和殘?jiān)?/p>
在植物的生長(zhǎng)季,如果ScanalyzerField 系統(tǒng)每天都要工作,那么每年進(jìn)行一次檢查和預(yù)防性維護(hù)是非常必要的。
維護(hù)包括檢查所有滑動(dòng)部件的潤(rùn)滑性,也要對(duì)成像傳感器進(jìn)行檢測(cè),在儀器運(yùn)行的前三年,不會(huì)跟換新的部件。
1.6 系統(tǒng)安全方案
1.6.1 ScanalyzerField系統(tǒng)常見(jiàn)風(fēng)險(xiǎn)
自動(dòng)模式:
系統(tǒng)自動(dòng)運(yùn)行時(shí),人員不能站在ScanalyzerField系統(tǒng)軌道間的任何區(qū)域;
ScanalyzerField系統(tǒng)會(huì)按照編輯的程序沿軌道進(jìn)行運(yùn)動(dòng),任何站在系統(tǒng)上方或離軌道較近的人員,都會(huì)有與ScanalyzerField系統(tǒng)碰撞的危險(xiǎn),系統(tǒng)自動(dòng)運(yùn)動(dòng)的速度最大可達(dá)60min/min;
自動(dòng)運(yùn)行模式下,圖像采集臂可以在2米以下高度移動(dòng);
熒光成像技術(shù)使用短LED脈沖(1-2s),亮度相當(dāng)于太陽(yáng)光的4-6倍;
高度掃描設(shè)備包括可見(jiàn)激光。
手動(dòng)模式:
手動(dòng)模式下,操作者就會(huì)在運(yùn)行系統(tǒng)的周邊,并且成像時(shí),操作者需要與系統(tǒng)直接接觸;
系統(tǒng)不運(yùn)行的情況下,傳感器的蓋子被打開(kāi),所有的安全模塊開(kāi)啟且顯示危險(xiǎn)警告。
1.6.2 ScanalyzerField系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)對(duì)
技術(shù)性
導(dǎo)軌放在土層以上,減少人員站在導(dǎo)軌上的風(fēng)險(xiǎn);
ScanalyzerField系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生聲音和燈光信號(hào),提醒周?chē)墓ぷ魅藛T;
ScanalyzerField系統(tǒng)的導(dǎo)軌如果碰到物體,不論在手動(dòng)狀態(tài)或自動(dòng)狀態(tài),緊急開(kāi)關(guān)會(huì)將ScanalyzerField系統(tǒng)緊急停止,
安全保險(xiǎn)不能使用,因此系統(tǒng)有大約1m左右的斷裂長(zhǎng)度。
人工控制ScanalyzerField系統(tǒng)時(shí),可以使用緊急暫停按鈕。
人工操作時(shí),ScanalyzerField系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)的速度是有限制的。
當(dāng)人工操作系統(tǒng)時(shí),激光和熒光的光源是停用的。
當(dāng)遇到極端惡劣環(huán)境時(shí),自動(dòng)運(yùn)行模式不能維持,ScanalyzerField系統(tǒng)會(huì)進(jìn)入安全位置。
1.6.3 系統(tǒng)組織培訓(xùn)
ScanalyzerField系統(tǒng)的操作者會(huì)接受單獨(dú)培訓(xùn)。
系統(tǒng)維護(hù)人員需要較好掌握技術(shù)教育,并且接受ScanalyzerField系統(tǒng)的培訓(xùn)。
整個(gè)ScanalyzerField系統(tǒng)的外側(cè)都應(yīng)安裝有2m高的柵欄,并且進(jìn)入柵欄區(qū)域的應(yīng)該是接受過(guò)培訓(xùn)的人,入口處應(yīng)該粘貼安全條例。
2 傳感器平臺(tái)
圖 2: 傳感器平臺(tái)概念圖(最終版本可能有所不同)
每一種相機(jī)系統(tǒng)都單獨(dú)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(jī)箱的總有效載荷可以達(dá)到500公斤,允許靈活的增加傳感器。
主要特點(diǎn):
天氣保護(hù)平臺(tái),單獨(dú)保護(hù)傳感器;
卷簾門(mén)在平臺(tái)下面的對(duì)面,充分保護(hù)不在使用的傳感器;
夜間使用的鹵素?zé)敉瑫r(shí)具有加熱元件,可以防止傳感器溫度過(guò)低而表面水分凝結(jié)。
大?。?/strong>
3m 寬
1.5m 高
1.5m 深度
載重:
500kg
2.1 FLIR 紅外相機(jī)
相機(jī)與樣品距離、大氣溫度、相對(duì)濕度等環(huán)境參數(shù)對(duì)測(cè)量結(jié)果影響很大,因此定期的重校準(zhǔn)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(lái),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(lái),從而分析植物的溫度分布。
成像和光學(xué)參數(shù) 焦距 空間分辨率(IFOV) 鏡頭識(shí)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(dòng) 1.0 < 0.05°C ,+30°C下 (+86°F) / 50 mK 25 Hz 50 Hz (100/200 Hz 和開(kāi)窗) 自動(dòng)或手動(dòng) (內(nèi)裝電動(dòng)機(jī)) |
2.2 RGB 相機(jī)
界面 分辨率 傳感器 傳感器類(lèi)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(jìn) 4/3式 5.5 μm F-Mount 14 bit 128 MB |
2.3 高光譜傳感器
表1 : 文獻(xiàn)中發(fā)表的高光譜指數(shù)
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(guò)VNIR相機(jī)成像(380-1000nm),黃色和紅色條可以通過(guò)VNIR相機(jī)(550-1700nm),近紅外相機(jī)不包含900nm以下的范圍,對(duì)于SWIR相機(jī),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(bǔ)不斷變化的現(xiàn)場(chǎng)光線,補(bǔ)償性設(shè)備會(huì)提供適量的光源,附加光源為鹵素?zé)簦⑶曳秶?00到2500納米。
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(jī)構(gòu)專(zhuān)門(mén)為L(zhǎng)emna Tec公司開(kāi)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(shí)間間隔。
頂部視圖時(shí),兩個(gè)單元將結(jié)合起來(lái),詳見(jiàn)圖4.
兩個(gè)單元的交叉可以減少樹(shù)冠陰影面積的影響。
在側(cè)面掃描時(shí),每個(gè)側(cè)視圖由四個(gè)單元組合成一個(gè)傳感器,光學(xué)元件和角度的選擇將根據(jù)臺(tái)架安裝的設(shè)計(jì)而改變。
每一個(gè)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。
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(jī)
熒光相機(jī)是使用直接熒光值,目前有一篇文獻(xiàn)(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(huì)選擇直接熒光測(cè)定,或被稱(chēng)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(shì)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(qiáng)度,這樣使用直接熒光的方法是比較好的,但是有兩個(gè)缺點(diǎn):(a)強(qiáng)大的激發(fā)光會(huì)引起一個(gè)快速的熒光上升;(b)快門(mén)開(kāi)放的時(shí)間過(guò)長(zhǎng)(大約1ms),F(xiàn)o值無(wú)法測(cè)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(hào)的測(cè)量具有非常低的激發(fā)光的強(qiáng)度,低強(qiáng)度調(diào)制光束激發(fā)衡量熒光,初始和最大熒光都可以進(jìn)行測(cè)量,并且精度很高,但是仍有兩個(gè)限制:(a)該時(shí)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(jì)以10微秒的時(shí)間12位信號(hào)的分辨率不可以實(shí)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(gè)步驟,F(xiàn)0,K,J,I,P,缺點(diǎn)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(shì),如每次測(cè)量的信息更多、低功耗、高采樣檢測(cè)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(cè)量的熒光參數(shù)
注:DA:測(cè)量暗適應(yīng)后的參數(shù),在測(cè)量以前,ScanalyzerField系統(tǒng)會(huì)保留暗適應(yīng)的時(shí)間,在測(cè)量下一個(gè)植株之前,為避免前個(gè)植株的影響,這樣的測(cè)量要在晚上進(jìn)行。
LA:所有需要光適應(yīng)的參數(shù)都是在白天進(jìn)行,因?yàn)閮蓚€(gè)不同相片的光密度有可能不同,因此標(biāo)記LA的參數(shù)需要額外的處理,所有的數(shù)據(jù)才能夠進(jìn)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(cè)量前15分鐘調(diào)整光適應(yīng)。
DL:光-暗交替的參數(shù)只能是整個(gè)植株的平均值,這是因?yàn)橹参锏纳L(zhǎng)和葉片位置改變所造成兩次測(cè)量差異。
2.6 NDVI/PRI 傳感器
NDVI傳感器運(yùn)行一次,便可以快速對(duì)田間進(jìn)行評(píng)價(jià),NDVI傳感器同時(shí)可以測(cè)量PRI,這種傳感器適用于研究者研究整個(gè)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(zhǎng), 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(zhǎng), 10納米全寬度半最大值(FWHM)頻帶寬度。
前部光學(xué):
半球形:余弦校正聚四氟乙烯擴(kuò)散器,市場(chǎng)為半球形;
視場(chǎng)光闌:20°市場(chǎng)。
校準(zhǔn):NIST可溯源校準(zhǔn)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(cè)量時(shí)間:< 300 ms
外形尺寸: 43 x 40 x 27mm
2.7 主動(dòng)反射傳感器
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(lái)自植物冠層和土壤的基本反射信息。
與被動(dòng)傳感器不同,Crop Circle ACS-430不會(huì)受外界光強(qiáng)的限制,測(cè)量可以在白天或夜間進(jìn)行。
Crop Circle ACS-430傳感器可以安裝到各種類(lèi)型的車(chē)輛上,并且進(jìn)行田間測(cè)量,緊湊的尺寸和低重量的設(shè)計(jì)使Crop Circle ACS-430可以很容易地適應(yīng)支桿安裝和手持式應(yīng)用。傳感器產(chǎn)生的信息可以被用于定量的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)、水、疾病或其他生長(zhǎng)條件對(duì)植物或作物的影響。
多通道光譜測(cè)量
ACS-430有三個(gè)可選的測(cè)量頻道,傳感器同時(shí)測(cè)量植物/土壤在670nm/730nm/780nm處的反射值,ACS-430傳感器的主要特點(diǎn)是測(cè)量時(shí)與高度無(wú)關(guān),Holland Scientific把這種反射測(cè)量稱(chēng)作Pseudo Solar Reflectances (PSR)。因此光譜反射值會(huì)因?yàn)閭鞲衅鞯母叨榷淖?,因此不使用比例?jì)算,就可以獲得數(shù)十個(gè)參數(shù)。(來(lái)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(shí)現(xiàn)完全免維護(hù),且沒(méi)有可動(dòng)磨損部件,如呼吸機(jī)或軸承等。
本系統(tǒng)可連接例如風(fēng)速、風(fēng)向、聲學(xué)虛擬溫度、空氣溫度、相對(duì)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(guó)IPK安裝的Rhizotrone根系分析系統(tǒng),由德國(guó)LemnaTec設(shè)計(jì)、德國(guó)MK公司施工建設(shè)。相關(guān)視頻,請(qǐng)點(diǎn)擊:德國(guó)IPK安裝的Rhizotrone根系分析系統(tǒng)。
產(chǎn)地:德國(guó)LemnaTec