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PhenoWatch系列溫室-田間表型分析系統(tǒng)

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更新時間:2024-11-11 11:14:42瀏覽次數(shù):1536次

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產(chǎn)地類別 進(jìn)口 應(yīng)用領(lǐng)域 環(huán)保,生物產(chǎn)業(yè),農(nóng)業(yè)
PhnoWatch高通量植物表型分析系統(tǒng),深度集成了激光雷達(dá)、高光譜成像、紅外熱成像、多光譜成像與RGB成像單元,可智能化移動至不同測量區(qū)域,按預(yù)設(shè)值自動掃描作物,生成含多光譜信息的三維影像,進(jìn)行群體植物的單株識別,單株植物的莖葉分離,精準(zhǔn)獲取植物株高、株幅、葉長、葉寬、葉傾角、葉面積、郁閉度、冠層透光率等表型參數(shù),結(jié)合光譜特征進(jìn)行植被指數(shù)的計(jì)算,及冠層溫度與生物量的統(tǒng)計(jì)分析。

PhenoWatch高通量植物表型分析系統(tǒng)


基于Sensor to Plant理念設(shè)計(jì)的移動式高精度植物表型成像系統(tǒng)


PhnoWatch高通量植物表型分析系統(tǒng),深度集成了激光雷達(dá)、高光譜成像、紅外熱成像、多光譜成像與RGB成像單元,可智能化移動至不同測量區(qū)域,按預(yù)設(shè)值自動掃描作物,生成含多光譜信息的三維影像,進(jìn)行群體植物的單株識別,單株植物的莖葉分離,精準(zhǔn)獲取植物株高、株幅、葉長、葉寬、葉傾角、葉面積、郁閉度、冠層透光率等表型參數(shù),結(jié)合光譜特征進(jìn)行植被指數(shù)的計(jì)算,及冠層溫度與生物量的統(tǒng)計(jì)分析。


1. PhenoWatch硬件系統(tǒng)


PhenoWatch高通量植物表型分析系統(tǒng)的硬件,主要分3D中央成像單元,溫室或田間移動平臺。

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3D中央成像單元(Sensor Box)

點(diǎn)云模塊:激光雷達(dá),具有雙軸補(bǔ)償器和高度傳感器,及角測量功能,對每次掃描進(jìn)行水平校準(zhǔn),現(xiàn)場自動設(shè)備補(bǔ)償,進(jìn)行精度更高、距離更遠(yuǎn)的掃描,獲取植物空間點(diǎn)云,三維建模,最終實(shí)現(xiàn)植物群體參數(shù)和單株形態(tài)表型參數(shù)的提取。

紅外熱成像模塊:用于機(jī)器視覺的外熱像儀,配備了非制冷式氧化釩紅外探測器,高精度紅外熱成像CCD,能夠生成640x480像素的熱圖象,具有較高的圖像質(zhì)量,可視化顯示線性ROI溫度值、溫度剖面圖。

高光譜成像模塊:圖像中每一象素都記錄了其對應(yīng)樣品點(diǎn)的化學(xué)組成、質(zhì)量、顏色等信息的光譜特征,用于對植物進(jìn)行生物量的定性與定量分析。

多光譜成像模塊:以五通道(Blue、Green、Red、NIR、RedEdge)光譜影像為數(shù)據(jù)源,通過影像與點(diǎn)云的匹配融合從而為三維空間點(diǎn)云賦予光譜信息,最終實(shí)現(xiàn)三維的植被指數(shù)計(jì)算。

RGB成像模塊:高分辨率的RGB相機(jī),色彩影像與點(diǎn)云匹配融合,以保障在獲取高精度三維影像的同時,還原植物真實(shí)的色彩。

 

移動平臺

根據(jù)現(xiàn)場環(huán)境實(shí)況,移動平臺的尺寸與結(jié)構(gòu)可以靈活設(shè)計(jì):

多場景適用,可以結(jié)合現(xiàn)有溫室結(jié)構(gòu)、植物培養(yǎng)架來設(shè)計(jì),可以在溫室使用,也可以在野外使用; 

移動平臺的尺寸訂制化程度高,根據(jù)安裝條件靈活設(shè)計(jì),跨度可以大于10 m,高度可以大于5 m,導(dǎo)軌長度可以大于1000 m;

自動化程度高,定義大車在導(dǎo)軌上的移動方向?yàn)閄軸,Sensor Box在橫梁上的移動軸向?yàn)閅軸,Sensor Box在豎直方向的調(diào)節(jié)軸向?yàn)閆軸,可以實(shí)現(xiàn)X、Y、Z三軸的自動化控制,可以按空間坐標(biāo)定位移動,可以按設(shè)定距離移動;

覆蓋區(qū)域廣,可以大跨度設(shè)計(jì),也可以一臺多跨設(shè)計(jì),即一臺龍門架,可以在多壟地塊之間橫跨掃描;

方式多樣,可以門式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),天車式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),或推車式設(shè)計(jì);

定位精度高,多重限位保護(hù),安全性高。


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PhenoWatch-GF野外龍門架式植物表型成像系統(tǒng)


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PhenoWatch-GH溫室天車式植物表型成像系統(tǒng)


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PhenoWatch-MB溫室龍門架式植物表型成像系統(tǒng)


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PhenoWatch-MB野外移動版植物表型成像系統(tǒng)


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PhenoWatch植物培養(yǎng)架版植物表型成像系統(tǒng)



2. PhenoWatch軟件系統(tǒng)

PhenoWatch系統(tǒng)采集到的作物3D點(diǎn)云數(shù)據(jù)與圖像信息能夠通過PhenoWatch軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)融合與三維建模,對群體作物進(jìn)行數(shù)據(jù)提取,獲得郁閉度、冠層透光率、植被指數(shù)等群體參數(shù);基于深度學(xué)習(xí)算法——Faster-RCNN模型,識別單株作物根部位置,利用傳統(tǒng)生長法完成群體分單株,然后進(jìn)行植物的莖葉分割,軟件內(nèi)嵌的莖葉分割方法有兩種:基于區(qū)域生長法莖葉分割,基于體素法莖葉分割。

基于生長法莖葉分割是基于區(qū)域生長法識別和分割單株植物的莖和不同葉片,基于體素法莖葉分割是基于深度學(xué)習(xí)識別和分割單株植物的莖和不同葉片,然后將不同葉片和主干生成獨(dú)立點(diǎn)云文件,并對葉片和主干擬合表面與骨架線,進(jìn)而計(jì)算株高、株幅、葉長、葉寬、葉傾角和葉面積等表型參數(shù)。 

PhenoWatch的軟件是一款專門針對于作物三維表型參數(shù)提取的軟件系統(tǒng),最新版本的PhenoWatch軟件集成了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和深度學(xué)習(xí)算法,極大提高了作物單株分割及莖葉分割處理的精度。該軟件使用并行處理及GPU 加速,進(jìn)一步提升了海量點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理的速度。軟件具備的作物的單株分割和莖葉分割算法,從不同尺度上滿足了作物基因型-表型研究者對作物形態(tài)參數(shù)提取的需求。此外,我們還提供定制化的數(shù)據(jù)處理模塊的開發(fā)服務(wù)。

PhenoWatch分析軟件處理點(diǎn)云數(shù)據(jù)過程:


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植物骨架3D到2D投影與曲線擬合算法               植物骨架2D到3D投影與曲線擬合算法          

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植株骨架線分析與提取

3. 測量參數(shù)

群體參數(shù):

數(shù)字高程模型DEM:即地形表面形態(tài)的數(shù)字化表達(dá)。

數(shù)字地表模型DSM:指包含了地表建筑物、橋梁和植被等高度的地面高程模型。

            l  冠層高度模型CHM:從數(shù)字表面模型中減去數(shù)字高程模型即可得到冠層高度模型。



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郁閉度Canopy Cover:農(nóng)作物的垂直投影占大田面積的百分比。

冠層透光率Transmittance:即作物不同高度層片上可接收到的入射太陽光比例。

3D點(diǎn)云植被指數(shù):

      3D NDVI、3D TVI、3D RVI、3D DVI等。

2D植被指數(shù):

      2D NDVI、2D TVI、2D RVI、2D DVI等。

植被指數(shù)統(tǒng)計(jì):多光譜植被指數(shù)的統(tǒng)計(jì),如均值、最大值、最小值等

植物綠色程度:自定義閾值,反映植物綠色程度

熱紅外分析:圖像各像素點(diǎn)溫度,植物冠層溫度(配熱紅外成像單元)

統(tǒng)計(jì)群體表型參數(shù)的報(bào)表,各植株的高度、冠幅、投影面積、冠高比和體積,及數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì):

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單株表型參數(shù):


高度                                冠幅                                投影面積                                 冠高比

體積                                葉片數(shù)量                         總?cè)~面積                                 葉長

葉寬                                葉傾角                             葉面積                                    主干寬

            l  導(dǎo)出單株表型參數(shù)報(bào)表:

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4. 強(qiáng)大的可擴(kuò)展功能

系統(tǒng)可根據(jù)不同研究需要,擴(kuò)展選配成像模塊,實(shí)現(xiàn)更多功能


可選模塊1:植物多光譜相機(jī)

400-900nm的波段范圍,5波段,涵蓋紅、綠、藍(lán)、近紅外、紅邊,可進(jìn)行NDVI等多種植被指數(shù)的計(jì)算,滿足作物多光譜研究的應(yīng)用。

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多光譜模塊可獲得葉綠素分布、NDVI、數(shù)字表面模型、RGB圖像

 

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    多光譜植被指數(shù)NDVI成像分析 多光譜植被指數(shù)DVI成像分析     多光譜植被指數(shù)SR成像分析       


可選模塊2:紅外熱成像模塊

熱紅外成像模塊內(nèi)置非制冷式氧化釩(VoX)紅外探測器,能夠生成640 x 480像素的熱圖像,使熱像更加準(zhǔn)確;配有高速紅外窗口選項(xiàng);清晰顯示50 mk的溫度差;內(nèi)置的25°鏡頭,帶電動對焦和自動對焦。分析軟件具有點(diǎn)測溫、線測溫、橢圓區(qū)域測溫、矩形區(qū)域測溫,以及其溫度最值、平均值、Delta函數(shù)統(tǒng)計(jì)功能,同時記錄輻射率、大氣溫度、外部光學(xué)溫度、相對濕度等信息,以達(dá)到獲取熱成像圖有用信息的目的。

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紅外熱成像定點(diǎn)分析                          紅外熱成像等溫分析                  

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紅外熱成像數(shù)據(jù)分析

可選模塊3:高光譜成像模塊

配置高光譜成像模塊,高光譜成像系統(tǒng)將可見光近紅外(VNIR或NIR)光譜與高分辨率成像相結(jié)合,采用推掃式(pushbroom)成像技術(shù)對運(yùn)動的樣品或在運(yùn)動中對靜止的樣品進(jìn)行逐線全波段光譜采集并同步生成圖像,獲取樣品化學(xué)成分的量化數(shù)據(jù)以及空間分布等詳細(xì)信息,圖像中每一象素都記錄了其對應(yīng)樣品點(diǎn)的化學(xué)組成、質(zhì)量、顏色等信息的光譜特征,用于對樣品進(jìn)行定性、定量分析。


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高光譜成像及高光譜曲線分析

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高光譜-小麥葉片斑枯病監(jiān)測

5. 主要技術(shù)參數(shù):

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6.  應(yīng)用案例

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玉米植株群體激光雷達(dá)測量結(jié)果

 

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群體內(nèi)單株玉米的識別


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植株內(nèi)單個葉片的識別與測量

 

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作物冠層覆蓋度測量分布成像

 

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作物植被指數(shù)二維成像及數(shù)據(jù)顯示

 

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作物植被指數(shù)三維假彩色視圖


產(chǎn)地:以色列 OLAN公司


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