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

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1  自动化 FieldSystem 系统

Scanalyzer Field 是利用门式起重系统二设计和组建的3轴表型系统,X轴方向的运动是通过轨道系统进入地面,以允许自然排水和无障碍运行,如传统的混凝土地基可以充当流动屏障,Y轴垂直于轨道,并且承担摄像机设置的升降装置,Z轴描述的是升降单元上下移动的方向。

X轴运动单元是由两个变频有源电源和两个无源单元,将被绑定在支撑梁上,Y轴包括门式框架(铝),并将保护Z轴的运动,Scanalyzer Field 系统的推进包括两个电动逆变器供电引擎,驱动底部两个齿轮传输,Y轴和Z轴同样是由电动逆变器和齿条一起供应运转。

这样的设置可以使系统精密的在X、Y和Z轴上运动。

Scanalyzer Field 系统上的运行部件均来自其他手动或自动操作的系统,比如船舶和火车卸货等,因此Scanalyzer Field 系统的零件具有更耐久性和灵活性。

 

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图1: ScanalyzerField系统示意图

 

1.1 系统参数

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1.2  系统操作注意事项

开始的时候,接受过培训的人员利用远程操作进行系统的运行;

每个试验地的开始和结束位置,本步骤在每一个试验开始前进行,在播种前就要做好;

一旦实验设置被保存,用户需要使用控制软件选取接下来的参数,参数包括时间、频率、地点等;

保证所有的图像之间都有重复,保证每一个植株都会被测量到;

荧光测量时,如果是在晚上,要充分考虑到荧光对周围植株的影响,不能紧接着进行测量。

1.3  系统精确度

ScanalyzerField 系统的精度可以达到X轴<±50mm,Y轴<±5mm和Z轴<±5mm,除GPS定位外,每张照片都包含在ScanalyzerField系统三维空间的位置。

1.4  系统耐久性

因为所有的部件都采用工业标准,加载的重量远远低于设计时的承重能力,ScanalyzerField 系统可以持续使用5年以上的时间。

1.5  系统维护

尽管相机朝下且有保护附件,但是为了保证成像质量,常规的清洁仍是必要的,如果下大雨,有必要清洁一下相机的外壳,清除残余的水和残渣。

在植物的生长季,如果ScanalyzerField 系统每天都要工作,那么每年进行一次检查和预防性维护是非常必要的。

维护包括检查所有滑动部件的润滑性,也要对成像传感器进行检测,在仪器运行的前三年,不会跟换新的部件。

1.6  系统安全方案

1.6.1  ScanalyzerField系统常见风险

自动模式:

系统自动运行时,人员不能站在ScanalyzerField系统轨道间的任何区域;

ScanalyzerField系统会按照编辑的程序沿轨道进行运动,任何站在系统上方或离轨道较近的人员,都会有与ScanalyzerField系统碰撞的危险,系统自动运动的速度最大可达60min/min;

自动运行模式下,图像采集臂可以在2米以下高度移动;

荧光成像技术使用短LED脉冲(1-2s),亮度相当于太阳光的4-6倍;

高度扫描设备包括可见激光。

手动模式:

手动模式下,操作者就会在运行系统的周边,并且成像时,操作者需要与系统直接接触;

系统不运行的情况下,传感器的盖子被打开,所有的安全模块开启且显示危险警告。

1.6.2  ScanalyzerField系统风险应对

技术性

导轨放在土层以上,减少人员站在导轨上的风险;

ScanalyzerField系统会产生声音和灯光信号,提醒周围的工作人员;

ScanalyzerField系统的导轨如果碰到物体,不论在手动状态或自动状态,紧急开关会将ScanalyzerField系统紧急停止,

安全保险不能使用,因此系统有大约1m左右的断裂长度。

人工控制ScanalyzerField系统时,可以使用紧急暂停按钮。

人工操作时,ScanalyzerField系统运行时的速度是有限制的。

当人工操作系统时,激光和荧光的光源是停用的。

当遇到极端恶劣环境时,自动运行模式不能维持,ScanalyzerField系统会进入安全位置。

1.6.3  系统组织培训

ScanalyzerField系统的操作者会接受单独培训。

系统维护人员需要较好掌握技术教育,并且接受ScanalyzerField系统的培训。

整个ScanalyzerField系统的外侧都应安装有2m高的栅栏,并且进入栅栏区域的应该是接受过培训的人,入口处应该粘贴安全条例。

 

2  传感器平台

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图 2: 传感器平台概念图(最终版本可能有所不同)

 

每一种相机系统都单独安装在密封壳体内,并绑定在灵活可调的成像盒中,照相机箱的总有效载荷可以达到500公斤,允许灵活的增加传感器。

主要特点:

天气保护平台,单独保护传感器;

卷帘门在平台下面的对面,充分保护不在使用的传感器;

夜间使用的卤素灯同时具有加热元件,可以防止传感器温度过低而表面水分凝结。

大小:

3m 宽

1.5m 高

1.5m 深度

载重:

500kg

 

2.1 FLIR 红外相机

相机与样品距离、大气温度、相对湿度等环境参数对测量结果影响很大,因此定期的重校准很有必要。

结合前景/背景分离,可以提取出不同植物的精确温度,温度的高低将以假色图像的形式表现出来,从而更容易观察到颜色的变化,红外传感器所得到的数据可以以柱状图的形式表现出来,从而分析植物的温度分布。

成像和光学参数

焦距                            

空间分辨率(IFOV)

镜头识别

焦距比数

热敏度/NETD

像频 (SC645) 

像频 (SC 665) 

聚焦                                     


24.5 mm (0.96 in.)

0.69 mrad

自动

1.0

< 0.05°C ,+30°C下 (+86°F) / 50 mK

25 Hz

50 Hz (100/200 Hz 和开窗)

自动或手动 (内装电动机)

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2.2 RGB 相机 

界面        

分辨率

传感器

传感器类型

传感器尺寸

电池尺寸

透镜支架

A/D

On-board FIFO

IEEE 802.3 1000baseT   

3296 x 2472 

Truesense KAI-08050  

CCD 渐进

4/3式

5.5 µm

F-Mount

14 bit

128 MB

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2.3 高光谱传感器

表1 : 文献中发表的高光谱指数

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彩色条显示的是某些指数所需要的光谱范围,绿色和黄色条可以通过VNIR相机成像(380-1000nm),黄色和红色条可以通过VNIR相机(550-1700nm),近红外相机不包含900nm以下的范围,对于SWIR相机,已知的参数主要在纤维素和木质素相关的参数。

为了弥补不断变化的现场光线,补偿性设备会提供适量的光源,附加光源为卤素灯,并且范围在500到2500纳米。

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图3: 附加光源的亮度


2.4 激光扫描器

从上部观察的高度扫描仪是Frauenhofer IIS研究机构专门为Lemna Tec公司开发。

使用NIR激光扫描器可以避免影响植物的正常生理,使用非常高的分辨率和很小的时间间隔。

顶部视图时,两个单元将结合起来,详见图4.

两个单元的交叉可以减少树冠阴影面积的影响。

在侧面扫描时,每个侧视图由四个单元组合成一个传感器,光学元件和角度的选择将根据台架安装的最终设计而改变。

每一个单元都包含传感器头和电脑,将传感器信息结合到plc文件里。

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图4: 激光扫描设备从上部扫描植物冠层


2.5  用于PSII研究的荧光相机

荧光相机是使用直接荧光值,目前有一篇文献(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.)解释为什么Lemna Tec会选择直接荧光测定,或被称为PAM直接荧光法:

目前使用的有两种荧光技术,直接荧光和调制荧光技术,每一种技术都有优势和缺陷,随着技术的发展,光电池和光电倍增管的低灵敏度要求高的激发光的强度,这样使用直接荧光的方法是比较好的,但是有两个缺点:(a)强大的激发光会引起一个快速的荧光上升;(b)快门开放的时间过长(大约1ms),Fo值无法测定。敏感的光电池,光电二极管和高性能放大器的发展,使得荧光信号的测量具有非常低的激发光的强度,低强度调制光束激发衡量荧光,初始和最大荧光都可以进行测量,并且精度很高,但是仍有两个限制:(a)该时间分辨率由调制和解调频率的限制;(b)一种低成本调制荧光计以10微秒的时间12位信号的分辨率不可以实现。如PEA荧光仪,它耗电少且成本低,高分辨率荧光上升允许人们观察几个步骤,F0,K,J,I,P,缺点是需要外界光源,目前,直接荧光法比调制荧光法有一些优势,如每次测量的信息更多、低功耗、高采样检测率、重量轻、多种环境下采集数据和成本低。


表2: 仪器可以测量的荧光参数

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注:DA:测量暗适应后的参数,在测量以前,ScanalyzerField系统会保留暗适应的时间,在测量下一个植株之前,为避免前个植株的影响,这样的测量要在晚上进行。

LA:所有需要光适应的参数都是在白天进行,因为两个不同相片的光密度有可能不同,因此标记LA的参数需要额外的处理,所有的数据才能够进行比较,同样,可以利用激发光的10%作为光化光,用户可以在测量前15分钟调整光适应。

DL:光-暗交替的参数只能是整个植株的平均值,这是因为植物的生长和叶片位置改变所造成两次测量差异。


2.6  NDVI/PRI 传感器

NDVI传感器运行一次,便可以快速对田间进行评价,NDVI传感器同时可以测量PRI,这种传感器适用于研究者研究整个田间的参数,而不是单一的植株。

NDVI 波段:  630±5 和 800±5 nm 峰值波长, 50纳米和40纳米的全宽度半最大值(FWHM)频带宽度。

PRI 波段:     531±3 和570±3 nm 峰值波长, 10纳米全宽度半最大值(FWHM)频带宽度。

前部光学:

半球形:余弦校正聚四氟乙烯扩散器,市场为半球形;

视场光阑:20°市场。

校准:NIST可溯源校准到已知的光谱福照度(W m-2 nm-1)或辐射率(W m-2 nm-1 sr-1 )

精度: 光谱辐照度和辐射值在10%或更高

测量时间:< 300 ms

外形尺寸: 43 x 40 x 27mm


2.7  主动反射传感器


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作物冠层传感器Crop Circle ACS-430提供经典的植物指数数据(NDVI和SRI等),以及来自植物冠层和土壤的基本反射信息。

与被动传感器不同,Crop Circle ACS-430不会受外界光强的限制,测量可以在白天或夜间进行。

Crop Circle ACS-430传感器可以安装到各种类型的车辆上,并且进行田间测量,紧凑的尺寸和低重量的设计使Crop Circle ACS-430可以很容易地适应支杆安装和手持式应用。传感器产生的信息可以被用于定量的营养物质、水、疾病或其他生长条件对植物或作物的影响。

多通道光谱测量

ACS-430有三个可选的测量频道,传感器同时测量植物/土壤在670nm/730nm/780nm处的反射值,ACS-430传感器的主要特点是测量时与高度无关,Holland Scientific把这种反射测量称作Pseudo Solar Reflectances (PSR)。因此光谱反射值会因为传感器的高度而改变,因此不使用比例计算,就可以获得数十个参数。(来源于: http://hollandscientific.com/product/crop-circle-acs-430-active-crop -canopy -sensor/)


2.8 环境传感器 

2.8.1  天气传感器

CLIMA SENSOR US NHTFB(超声波)传感器可以实现完全免维护,且没有可动磨损部件,如呼吸机或轴承等。

本系统可连接例如风速、风向、声学虚拟温度、空气温度、相对空气湿度、亮度、空气压力、降雨量等传感器,用于环境参数的收集。


2.9  常规传感器

本系统可加载PAR传感器、二氧化碳传感器等。



产地:德国LemnaTec

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