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高光譜植物長勢監(jiān)測:高光譜相機檢測植物性狀的方法可以監(jiān)測植物生長情況

更新時間:2025-06-07      點擊次數:1698

高光譜植物長勢監(jiān)測
在現(xiàn)代農業(yè)與植物科學研究領域,精準監(jiān)測植物長勢對于作物育種、栽培管理及產量預測至關重要。高光譜技術憑借其對植物生理生化信息的高分辨率捕捉能力,成為植物表型研究與長勢監(jiān)測的前沿技術手段。

一、溫室高通量植物表型成像系統(tǒng)技術架構
溫室高通量植物表型成像系統(tǒng)是融合多學科技術的智能監(jiān)測平臺,其核心架構集成光電傳感技術、自動化控制技術與計算機圖形處理技術。在光電傳感層面,系統(tǒng)配備高光譜成像模塊,該模塊覆蓋 400-2500nm 光譜范圍,能夠捕捉植物在不同光譜波段下的反射、透射與熒光特性。通過高光譜數據立方體的采集,可獲取植物葉片的葉綠素含量、水分狀態(tài)、氮素營養(yǎng)等生理參數信息,這些信息是評估植物健康狀況與生長潛力的關鍵指標。

自動化控制技術則保障了系統(tǒng)的高通量運行。基于 PLC(可編程邏輯控制器)與伺服電機驅動的機械臂系統(tǒng),可實現(xiàn)高光譜相機、RGB 相機及激光雷達等多傳感器的協(xié)同運動,對溫室種植的植物進行、多角度的動態(tài)掃描。系統(tǒng)的自動化控制還體現(xiàn)在環(huán)境參數調控方面,通過溫濕度、光照強度、CO?濃度等傳感器實時采集環(huán)境數據,結合預設的植物生長模型,自動調節(jié)溫室環(huán)境,為植物生長創(chuàng)造條件。

計算機圖形處理技術是實現(xiàn)植物表型參數提取的核心。利用深度學習算法,如卷積神經網絡(CNN)與 Transformer 模型,對采集的高光譜圖像與 RGB 圖像進行融合處理與語義分割,可精準識別植物器官(葉片、莖稈、果實等)。在此基礎上,運用數字圖像處理技術,通過輪廓提取、形態(tài)學分析等算法,可自動計算植物的株高、株寬、葉片面積、葉片角度等株型參數;結合近紅外光譜分析與機器學習算法,可反演植物的鮮重、干重等生物量參數以及分蘗數等生長參數。
以菠蘿培育改良為例,該系統(tǒng)通過長期監(jiān)測不同基因型菠蘿植株的表型數據,結合分子生物學技術,篩選出具有高產、抗逆等優(yōu)良性狀的種質資源,顯著縮短了育種周期,提升了育種效率。


高光譜植物長勢監(jiān)測:高光譜相機檢測植物性狀的方法可以監(jiān)測植物生長情況

二、室外辣椒植物 3D 生長監(jiān)測技術方案

在室外復雜環(huán)境下,植物生長受光照、氣候等因素影響更為顯著,對植物表型監(jiān)測技術提出了更高要求。針對室外辣椒植物(Capsicum annum L.)的生長監(jiān)測,本研究提出了基于運動恢復結構(Structure from Motion, SfM)算法與高光譜成像的 3D 生長監(jiān)測無損解決方案。

高光譜植物長勢監(jiān)測:高光譜相機檢測植物性狀的方法可以監(jiān)測植物生長情況

                                      圖像采集方案、采集的樣本圖像

(一)圖像采集方案

采用多傳感器協(xié)同采集策略,系統(tǒng)集成高光譜相機(光譜分辨率 3nm,空間分辨率 500 萬像素)、RGB 相機與 GNSS/IMU 組合導航模塊。在數據采集過程中,利用無人機搭載傳感器對試驗田辣椒植株進行多航帶、多角度飛行拍攝。飛行高度設定為 2 - 5 米,確保圖像覆蓋完整且具有足夠分辨率。為降低光照變化對數據采集的影響,選擇在上午 10 點至下午 2 點的時段進行采集,并通過漫反射板進行光譜輻射定標,保證不同時間采集數據的一致性與可比性。

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(二)3D 植物重建與性狀測量流程

運動恢復結構(SfM)與多視圖立體匹配(Multi-View Stereo, MVS):對采集的多視角圖像序列,首先利用 SIFT、ORB 等特征提取算法提取圖像特征點,通過特征匹配算法建立同名點對應關系。基于運動恢復結構算法,求解相機運動參數與場景稀疏點云模型,再通過多視圖立體匹配算法,將稀疏點云擴展為密集點云模型,最終生成高精度的辣椒植株 3D 點云數據。

點云處理與模型分割:對生成的 3D 點云數據,采用直通濾波、體素濾波等方法去除噪聲點與冗余數據,通過基于歐式距離聚類、區(qū)域生長等算法對植物點云進行分割,分離出葉片、莖稈等不同器官。

葉片卷曲狀態(tài)下的尺寸測量:針對辣椒葉片卷曲問題,提出基于曲面擬合的葉片尺寸測量方法。首先對分割后的葉片點云進行曲面重建,采用 NURBS(非均勻有理 B 樣條)曲面擬合算法生成葉片曲面模型。然后通過提取葉片曲面的最長測地線與最寬測地線,計算葉片的實際長度與寬度,有效解決了葉片卷曲對尺寸測量的干擾問題。

植物性狀參數提取:基于重建與分割的 3D 模型,運用幾何計算與統(tǒng)計分析方法,自動提取葉數、莖高、葉長、葉寬等植物性狀參數。通過對比不同生長階段的參數變化,可構建辣椒植株的生長動態(tài)模型,為辣椒栽培管理與育種研究提供數據支持。

三、技術應用與展望

高光譜植物長勢監(jiān)測技術在溫室與室外環(huán)境中的應用,為植物表型研究與作物生產管理帶來了革命性變革。未來,隨著傳感器技術的不斷進步、深度學習算法的持續(xù)優(yōu)化以及人工智能與物聯(lián)網技術的深度融合,高光譜植物長勢監(jiān)測技術將向智能化、精準化、實時化方向發(fā)展,在智慧農業(yè)、生態(tài)環(huán)境監(jiān)測等領域發(fā)揮更為重要的作用。

高光譜植物長勢監(jiān)測:高光譜相機檢測植物性狀的方法可以監(jiān)測植物生長情況

以象科技作為一家由西安光機所光學博士團隊、行業(yè)資深專家、光譜軟件算法團隊以及光學應用博士等多元專業(yè)力量共同發(fā)起創(chuàng)立的科技型企業(yè),在光學技術領域展現(xiàn)出了非凡的潛力與強勁的實力,正逐步成為行業(yè)內的一顆璀璨新星。

其團隊成員憑借深厚的學術造詣與豐富的實踐經驗,構建起了一座堅實的技術堡壘。西安光機所光學博士團隊深入鉆研光學核心原理,在光學系統(tǒng)的設計、優(yōu)化以及創(chuàng)新方面持續(xù)發(fā)力,致力于打造出具有性能與高精度的光學基礎架構。行業(yè)資深專家則猶如敏銳的市場領航員,他們憑借對行業(yè)發(fā)展脈絡的精準把握以及對市場需求變化的前瞻性洞察,為公司的產品戰(zhàn)略布局指明方向,確保每一款產品都能精準對接市場痛點,在激烈的市場競爭中脫穎而出。光學應用博士則專注于探索光學技術在各個實際領域的落地應用,他們深入挖掘產品在不同場景下的潛在用途,從生物醫(yī)學到工業(yè)制造,從環(huán)境監(jiān)測到農業(yè)科技,不斷拓展產品的應用邊界,讓光學技術真正造福于人類社會的各個角落。

在產品層面,以象科技目前已成功投產并推向市場的可見光、近紅外、短波中紅外高光譜相機,無疑是其技術實力的集中體現(xiàn)。這不僅為國內相關行業(yè)提供了更為可靠、性價比更高的光學設備選擇,還在一定程度上推動了我國光學技術自主創(chuàng)新的進程,提升了我國在全球光學產業(yè)價值鏈中的地位。

此外,公司經營的激光共聚焦、激光散斑血流成像儀、光譜儀等光學產品,也均在各自的領域內展現(xiàn)出了的優(yōu)勢與性能。激光共聚焦以其超高的分辨率和清晰的成像效果,在生物醫(yī)學微觀成像領域成為科研人員探索生命奧秘的得力助手;激光散斑血流成像儀能夠精準地監(jiān)測微循環(huán)血流變化,為醫(yī)學臨床診斷和疾病研究提供了重要的參考依據;光譜儀則憑借其對物質光譜特性的精確分析能力,在材料成分分析、環(huán)境污染物監(jiān)測以及食品安全檢測等領域發(fā)揮著作用。

以象科技秉持著集研發(fā)、生產、銷售于一體的全產業(yè)鏈運營模式,展現(xiàn)出了強大的綜合實力與協(xié)同效應。其研發(fā)中心坐落于西安這充滿科技活力與創(chuàng)新氛圍的城市,依托當地豐富的科研資源與人才優(yōu)勢,持續(xù)不斷地投入大量資源進行技術研發(fā)與創(chuàng)新,為公司的產品迭代升級和技術突破提供了源源不斷的動力源泉。

與此同時,公司精心構建的銷售網絡如同一張緊密交織的大網,全面覆蓋全國各個地區(qū),確保了產品能夠快速、高效地觸達每一位客戶手中。而完善的售后服務機構則像是一位貼心的守護者,隨時為客戶提供多層次的技術支持與售后服務保障,讓客戶在使用產品的過程中無后顧之憂,進一步增強了客戶對公司品牌的信任度與忠誠度。

以象科技憑借其團隊、創(chuàng)新的產品以及完善的運營模式,在光學技術領域正穩(wěn)步前行,未來有望在國內乃至全球市場上取得更為輝煌的成就,為推動光學科技的進步與應用普及做出更多的貢獻。

以象科技由西安光機所光學博士團隊,行業(yè)資深專家,光譜軟件算法團隊,光學應用博士等相關人員共同發(fā)起成立的科技型公司,目前投產市場可見光、近紅外、短波中紅外高光譜相機,實現(xiàn)國產化,突破進口技術壁壘,打破進口短波紅外高光譜相機的技術限制。

以象科技是一家集研發(fā)、生產、銷售于一體的科技型公司。目前經營產品有激光共聚焦,激光散斑血流成像儀,光譜儀,高光譜相機等光學產品。研發(fā)中心設立于西安,銷售網絡、完善售后服務機構設立覆蓋全國。

以象科技作為一家由西安光機所光學博士團隊、行業(yè)資深專家、光譜軟件算法團隊以及光學應用博士等多元專業(yè)力量共同發(fā)起創(chuàng)立的科技型企業(yè),在光學技術領域展現(xiàn)出了非凡的潛力與強勁的實力,正逐步成為行業(yè)內的一顆璀璨新星。

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此外,公司經營的激光共聚焦、激光散斑血流成像儀、光譜儀等光學產品,也均在各自的領域內展現(xiàn)出了的優(yōu)勢與性能。激光共聚焦以其超高的分辨率和清晰的成像效果,在生物醫(yī)學微觀成像領域成為科研人員探索生命奧秘的得力助手;激光散斑血流成像儀能夠精準地監(jiān)測微循環(huán)血流變化,為醫(yī)學臨床診斷和疾病研究提供了重要的參考依據;光譜儀則憑借其對物質光譜特性的精確分析能力,在材料成分分析、環(huán)境污染物監(jiān)測以及食品安全檢測等領域發(fā)揮著作用。

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與此同時,公司精心構建的銷售網絡如同一張緊密交織的大網,全面覆蓋全國各個地區(qū),確保了產品能夠快速、高效地觸達每一位客戶手中。而完善的售后服務機構則像是一位貼心的守護者,隨時為客戶提供多層次的技術支持與售后服務保障,讓客戶在使用產品的過程中無后顧之憂,進一步增強了客戶對公司品牌的信任度與忠誠度。

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