高通量植物表型分析系统PhenoWatch 是一套基于 Sensor to Plant 理念的高通量植物表型测量与分析系统，可深度集成激光3D成像、高光谱成像、红外热成像、叶绿素荧光成像、多光谱成像与 RGB 成像单元，可智能化移动至不同测量区域，按预设值自动扫描作物，生成含多光谱信息的三维影像，进行群体植物的单株识别，单株植物的茎叶分离，精准获取植物株高、株幅、叶长叶宽、叶面积、郁闭度、冠层透光率、叶绿素荧光参数、光合电子传递速率等表型参数，结合光谱特征进行植被指数的计算及冠层温度与特殊物质的分析。
PhenoWatch 硬件系统
PhenoWatch 高通量植物表型分析系统的硬件，主要分 3D 中央成像单元和移动平台。
3D 中央成像单元(Sensor Box)
点云模块：激光传感器，具有双轴补偿器和高度传感器，及角测量功能，对每次扫描进行水平校准现场自动设备补偿,进行精度更高、距离更远的扫描，获取物空间点云，三维建模，最终实现植物群体参数和单株形态表型参数的提取；
红外热成像模块:：用于机器视觉的外热像仪，配备了非制冷式氧化钒红外探测器，高精度红外热成像 CCD，具有卓越的图像质量，可视化显示线性 ROI 温度值、温度剖面图；
高光谱成像模块：图像中每一象素都记录了其对应样品点的化学组成、质量、颜色等信息的光谱特征,用于对植物进行生物量的定性与定量分析；
多光谱成像模块：以 10 通道(Blue、Green、Red、NIR、RedEdge)光谱影像为数据源，通过影像与点云匹配融合从而为三维空间点云赋予光谱信息,最终实现三维的植被指数计算；
RGB 成像模块：高分辨率的 RGB 相机，色彩影像与点云匹配融合，以保障在获取高精度三维影像的同时，还原植物真实的色彩；
叶绿素荧光成像模块：能够测量植物叶绿素荧光参数，表征植物的光合活性；
XYZ 三轴移动平台
根据现场环境实况,移动平台的尺寸与结构可以灵活设计；
多场景适用，可以结合现有场地条件定制化设计，能做成不同类型的移动平台进行使用；
移动平台的尺寸订制化程度高,根据安装条件灵活设计；
自动化程度高，定义大车在导轨上的移动方向为X轴，Sensor Box 在横梁上的移动轴向为 Y轴，Sensor Box 在竖直方向的调节轴向为乙轴，可以实现 X、Y、Z 三轴的自动化控制,可以按空间坐标定位移动，可以按设定距离移动；
覆盖区域广，可以大跨度设计，也可以一台多跨设计，即一台龙门架,可以在多垄地块之间横跨扫描；
方式多样,可以门式结构设计,天车式结构设计,或推车式设计定位精度高,多重限位保护,安全性高；
PhenoWatch 传感器
激光成像单元
PhenoWatch 系统采集到的作物 3D 点云数据与图像信息能够通过 PhenoWatch 软件进行数据融合与三维建模,对群体作物进行数据提取,获得郁闭度、冠层透光率、植被指数等群体参数;基于深度学习算法——Faster-RCNN 模型,识别单株作物根部位置,利用传统生长法完成群体分单株,然后进行植物的茎叶分割,软件内嵌的茎叶分割方法有两种：基于区域生长法茎叶分割,基于体素法茎叶分割。
基于生长法茎叶分割是基于区域生长法识别和分割单株植物的茎和不同叶片,基于体素法茎叶分割是基于深度学习识别和分割单株植物的茎和不同叶片,然后将不同叶片和主千生成独立点云文件,并对叶片和主干拟合表面与骨架线,进而计算株高、株幅、叶长、叶宽、叶倾角和叶面积等表型参数。
PhenoWatch 的软件是一款专门针对于作物三维表型参数提取的软件系统，最新版本的 PhenoWatch 软件集成了神经网络技术和深度学习算法，极大提高了作物单株分割及茎叶分割处理的精度。该软件使用并行处理及 GPU 加速,进一步提升了海量点云数据处理的速度,软件具备的作物的单株分割和茎叶分制算法，从不同只度上满足了作物基因型-表型研究者对作物形态参数提取的需求此外,我们还提供定制化的数据处理模块的开发服务。
PhenoWatch 分析软件处理点云数据过程：
植物多光谱成像单元
多光谱成像单元光谱波段：海岸蓝(444nm 中心波长,28nm 带宽)、绿(531nm 中心波长,14nm 带宽)、红(650nm 中心波长，16nm带宽)、红边(705nm 中心波长,10nm 带宽)、红边(740nm 中心波长,18nm 带宽)、蓝(475nm 中心波长,32nm 带宽)、绿(560nm 中心波长,27nm 带宽)、红(668nm 中心波长,14nm 带宽)、红边(717nm 中心波长,12nm 带宽)、近红外(842nm 中心波长,57nm 带宽),可进行 NDVI 等多种植被指数的计算,满足作物多光谱研究的应用。
红外热成像单元
热红外成像模块内置非制冷式氧化钒(VoX)红外探测器，使热像更加准确:配有高速红外窗口选项;内置的相机镜头,带电动对焦和自动对焦。分析软件具有点测温、线测温、椭圆区域测温、矩形区域测温,以及其温度最值、平均值、Deta 函数统计功能,同时记录辐射率、大气温度、外部光学温度、相对湿度等信息,以达到获取热成像图有用信息的目的。
高光谱成像单元
配置高光谱成像模块,高光谱成像系统将可见光近红外(VNIR 或 SWIR)光谱与高分辨率成像相结合,采用推扫式(pushbroom)成像技术对运动的样品或在运动中对静止的样品进行逐线全波段光谱采集并同步生成图像,获取样品化学成分的量化数据以及空间分布等详细信息,图像中每一象素都记录了其对应样品点的化学组成,质量,颜色等信息的光谱特征,用于对样品进行定性,定量分析。
叶绿素荧光成像单元
叶绿素荧光成像单元可实现原位测量，活体叶绿素荧光成像，直观显示样品光合作用差异,可导出荧光参数彩色图像。成像功能对Ft、Fo、Fm、Fv/Fm、F、Fm’、Y(II)、Y(NO)、Y(NPQ)、NPQ、qN、qP、qL、ETR、Abs、Inh. 等参数进行成像分析。测定调节性能量耗散 Y(NPQ)，反映植物光保护能力，测定非调节性能量耗散 Y(NO)，反映植物光损伤程度。程序测量功能:可程序测量荧光诱导曲线、快速光曲线和暗弛豫，也可手动测量;在测量过程中能自动分析所有荧光参数的变化趋势。AOI功能：可在测量前或测量后任意选择感兴趣的区域(AOI),程序将自动对选择的AOI的数据进行变化趋势分析，并在报告文件中显示相关AOI的数据。所有报告文件中显示的数据都可导出到 EXCEL文件中。成像异质性分析功能:对任意参数任意时间的成像，可在图像上任意选取两点，软件自动对两点间的数据进行横向异质性分析，并可导出到EXCEL文件中。成像数据范围分析功能：对任意参数任意时间的成像，可分析任意两个荧光数值之间有多少个像素点，多少面积(cm2),突变株筛选功能:可跟据成像结果快速筛选光合、产氢/油、抗逆(抗盐、抗旱、抗病等)等突变株。
可见光成像单元
可见光成像单元采用高分辨率相机，像素可达 6000万像素，可对激光 3D 点云数据进行赋色,可实现原色图像数据采集。
测量参数
激光成像单元
通过激光的测量,可生成植物的三维影像,用于计算群体植物的结构性状，并且针对宽行距种植的样品可实现群体的单株识别，对于结构简单的样品可实现单株植物的茎叶分离，系统可精准获取植物株高、株幅、叶长、叶宽、叶面积、郁闭度、冠层透光率等表型参数。群体分单株:基于深度学习算法 Faster-RCNN模型，识别单株作物根部位置，利用传统生长法完成群体分单株，单株茎叶分割：基于区域生长法识别和分割单株植物的茎和不同叶片，和基于深度学习识别和分割单株植物的茎和不同叶片。可实现三维建模,按不同颜色梯度显示高程图。支持区域裁剪,进行长度、角度、面积测量。获取扫描区域数字高程模型 DEM、数字地表模型 DSM、冠层高度模型 CHM。获取郁闭度 CanopyCover，农作物的垂直投影占大田面积的百分比。获取冠层透光率 Transmittance，作物不同高度层片上可接收到的入射太阳光比例。
RGB 传感器
通过可见光成像单元并结合激光的测量，可实现轮廓面积长度、宽度、凸包点数、凸包面积、凸包面积/轮廓面积、最小外接圆(质心、半径、面积)、最小外接矩形(长、宽、面积)、颜色等参类的获取。
多光谱传感器
可获取 NDVI、DVI、TVI、RVI及其他自定义植被指数等信息。
高光谱传感器
可获得植被的色素含量、营养元素(氮含量、氮积累量)含量、植被覆盖度信息、植被鲜重信息等。
热红外传感器
可获取冠层及叶片温度
叶绿素荧光成像单元
Ft、 Fo、 Fm、 Fv/Fm、 F、 Fm’、 Fo’、 Y(II)、Y(NO)、Y(NPQ)、NPQ、qN、qP、qL、PS/50=ETR、Inh.
应用案例
