植物表型成像儀儀器概述

植物表型成像系統(tǒng)是主要用于對(duì)植物表型進(jìn)行測量與分析的設(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。

植物表型成像儀測量參數(shù)：

形態(tài)參數(shù)：正株寬、側(cè)株寬、株高、寬高比、緊實(shí)度、偏心率、圓度、矩形度、矩形長寬比、分形維數(shù)、總骨架長度、平均波段長度、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、側(cè)視凸包周長、凸包周長比；

顏色參數(shù)：（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；

紋理參數(shù)：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)）

共56個(gè)參數(shù)。

植物表型成像分析系統(tǒng)測量精度：

植物高度：300-1000mm

植物寬度：100-500mm

植物鮮重：100-75000g

植物表型成像測量儀儀器功能：

1、圖像自適應(yīng)：在選擇測量大植物后，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)評(píng)測植物大小，并根據(jù)測量結(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：儀器中裝有溫度傳感器、濕度傳感器，能夠?qū)崟r(shí)反饋儀器內(nèi)部環(huán)境情況；

3、儀器控制：儀器外部裝有10寸控制面板，用戶可通過電腦對(duì)控制面板進(jìn)行操作，也可以查看箱體內(nèi)部溫度與濕度，控制箱體內(nèi)部的光照強(qiáng)度、箱門的開關(guān)與外側(cè)運(yùn)行燈光的開啟等；

4、鏡頭操作：根據(jù)拍攝植物大小，用戶可以通過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)成像單元最高支持1200萬像素，用戶可以根據(jù)需要選擇合適的分辨率；

6、模型操作：通過鼠標(biāo)可以對(duì)3D模型縮放、旋轉(zhuǎn)以及移動(dòng)；

7、上傳云端：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，一般建議將側(cè)視兩個(gè)鏡頭中的物體調(diào)整到相似大小即可；

9、數(shù)據(jù)：測量記錄界面能夠?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、3D成像：在視頻切分4幀以及4060Ti顯卡前提下，成像需要20-30分鐘，幀數(shù)越少時(shí)間越少，幀數(shù)越多時(shí)間越多（注意：最終成像速度與電腦性能成正相關(guān)，電腦性能越高，成像速度越快）；

11、導(dǎo)出：可以對(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；

12、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；

13、語言：支持軟件界面的中英文一鍵切換；

14、軟件提供測試電腦最大分辨率的關(guān)聯(lián)子程序；

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

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

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)植物的生長過程，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，將待測植物精確地運(yùn)送到成像區(qū)域。此時(shí)，一系列相機(jī)開始工作?？梢姽庀鄼C(jī)捕捉植物最直觀的形態(tài)特征：葉片的展開角度、莖稈的直立程度、整體的株型輪廓。這些看似簡單的二維圖像，經(jīng)過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。通過分析這些“光譜指紋"，儀器能夠無損地評(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"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)性只有通過成像技術(shù)才能清晰揭示。

數(shù)據(jù)采集僅僅是第一步。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。現(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)完成葉片的展開與伸長，或者觀察到干旱脅迫下植株生長速率的驟降。這種動(dòng)態(tài)的、定量的描述，遠(yuǎn)比傳統(tǒng)的目測或單次測量更為深刻和可靠。

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)境下的生長表現(xiàn)。這種能力極大地加速了優(yōu)良品種的篩選過程。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)記錄著植物世界無聲的對(duì)話，幫助人類更深入地理解生命的韌性與奧秘。