野外型高通量植物表型平台——Field Scanalyzer

1 自动化 Field^System 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。

图1: ScanalyzerField系统示意图

1.1 系统参数

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ZD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

图 2: 传感器平台概念图（ZZ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)

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

2.3 高光谱传感器

表1 ： 文献中发表的高光谱指数

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。

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。

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ZD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

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ZD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ZD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

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。

德国IPK安装的Rhizotrone根系分析系统，由德国LemnaTec设计、德国MK公司施工建设。相关视频，请点击：德国IPK安装的Rhizotrone根系分析系统。

产地：德国LemnaTec