博普特田間植物表型產(chǎn)品和解決方案在精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)方向的應(yīng)用

​        隨著氣候變化、人口增長，對育種和農(nóng)學(xué)研究人員提出了巨大挑戰(zhàn)，隨著自動(dòng)化技術(shù)、機(jī)器視覺技術(shù)、生物信息技術(shù)等的發(fā)展，對野外生長植物進(jìn)行迅速、準(zhǔn)確、高通量無損傷的進(jìn)行多源、多尺度、多性狀表型分析，變的尤為迫切。除了傳感器技術(shù)，傳感器獲取數(shù)據(jù)的解讀更加重要，法國Hiphen團(tuán)隊(duì)源自法國農(nóng)業(yè)科學(xué)院以及法國Arvalis植物研究院等，團(tuán)隊(duì)首席科學(xué)家是Fred Baret教授，世界遙感和田間表型先進(jìn)專家，也是將遙感技術(shù)應(yīng)用于植物表型研究領(lǐng)域，Hiphen室外高通量植物表型成像一站式解決方案對遺傳學(xué)、生物技術(shù)、作物育種，及作物對氣候變化、土壤、耕作管理的響應(yīng)研究監(jiān)測等。

功能特點(diǎn)：

博普特代理的高通量植物表型成像一站式解決方案是多源功能成像平臺，集成了多光譜成像、RGB成像、紅外熱成像、激光雷達(dá)LiDAR、高光譜成像等各種先進(jìn)先進(jìn)傳感設(shè)備，全面分析：

    1.結(jié)構(gòu)性狀表型分析（RGB成像及LiDAR）
    2.功能表型分析（多光譜熒光成像）
    3.性狀與生長評估（RGB成像及LiDAR）
    4.光合作用表現(xiàn)（新型多光譜熒光成像、傳統(tǒng)葉綠素?zé)晒獬上瘢?br />     5.生物脅迫與非生物脅迫響應(yīng)（多光譜成像、高光譜成像、紅外熱成像、葉綠素?zé)晒獬上瘢?br />     6.生理生態(tài)表現(xiàn)包括光合生理、氣孔動(dòng)態(tài)、生化代謝指標(biāo)等等（多光譜成像、高光譜成像、紅外熱成像、全植物表型生理測量系統(tǒng)）。

 

地面維度：移動(dòng)植物表型設(shè)備

Phenomobile野外表型成像車采用全自動(dòng)無人駕駛技術(shù)，進(jìn)行移動(dòng)式自動(dòng)成像分析，是一款全植株表型分析平臺，搭載多光譜、Lidar、RGB等相機(jī)，由于采用開放式框架設(shè)計(jì)，易于整合任意新型傳感器。
田間IoT： 田間IoT系統(tǒng)可搭載土壤氣象監(jiān)測站以及多光譜相機(jī)，利用自帶插件和云數(shù)據(jù)庫，全面分析環(huán)境條件與表型性狀的關(guān)系

便攜式多光譜表型成像：采用多源遙感技術(shù)，除了標(biāo)配多光譜相機(jī)，還可同步紅外和ＲＧＢ相機(jī)，真正經(jīng)濟(jì)款野外便攜式表型成像設(shè)備，處理植株高度可達(dá)3m，是便攜式植物表型研究的歷史性突破。。
數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)：Cloverfield物聯(lián)網(wǎng)表型分析大數(shù)據(jù)與平臺，包括系統(tǒng)控制、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理分析與可視化在線顯示、數(shù)據(jù)庫等。

空中維度：移動(dòng)植物成像系統(tǒng)

空中：無人機(jī)搭載高通量植物表型冠層測量系統(tǒng)可搭載無人機(jī)，實(shí)現(xiàn)從近地遙感表型分析
田間表型是指植物經(jīng)歷的野外真實(shí)條件下的表型評估。田間表型分析要選擇正確的性狀特征、表型分析工具、評估平臺或基本的數(shù)據(jù)管理方法，也要兼顧環(huán)境融入，也即生境。植物表型分析既要有效利用資源，也要結(jié)合適當(dāng)?shù)脑囼?yàn)管理、空間變異處理，根據(jù)定義目標(biāo)環(huán)境中普遍存在的關(guān)鍵約束條件開發(fā)更全面的數(shù)據(jù)管理模式，包括作物建模。法國農(nóng)業(yè)科學(xué)院的科研進(jìn)展為為表型研究者提供一個(gè)廣泛的視野，指導(dǎo)研究人員如何較好地實(shí)施田間表型分析，找到有效的方式彌合育種者和“表型育種者”之間的差距。

高通量的表型分析直接影響三個(gè)方面：更精確的遺傳篩選、鑒定新的遺傳變異以及改進(jìn)對目標(biāo)群體環(huán)境因子的篩選，進(jìn)而較好做遺傳決策。植物田間高通量表型分析也間接影響育種規(guī)模以及育種周期。下圖是法國農(nóng)業(yè)科學(xué)院Fred教授提出的田間表型研究不同遙感傳感器的總結(jié)，實(shí)際上在科研中，田間多種傳感器結(jié)合也得到了深度應(yīng)用和開發(fā)，并發(fā)表了系列高品質(zhì)文章；研究中也多次使用Hiphen開發(fā)出的多光譜表型傳感器Airphen，該多光譜表型研究傳感器可以從地面和空中等多個(gè)維度進(jìn)行田間表型研究，具有非常靈活的集成特性。

評估大田作物苗期特征的常見遙感傳感器

利用紅、綠、藍(lán)RGB成像進(jìn)行田間表型研究的應(yīng)用實(shí)例

作者利用相機(jī)獲取的圖像，進(jìn)一步分析，獲得了田間玉米不同類別的特征：作物特征的計(jì)數(shù)、植物/作物生長的監(jiān)測和發(fā)育以及三維重建。

多維度田間植物表型平臺

這些多維度植物表型平臺使用了基于不同光譜范圍的遙感工具，包括RGB相機(jī)（VIS）、多光譜、高光譜傳感器和相機(jī)、激光雷達(dá)（LiDAR）傳感器、熱傳感器（TIR / LWIR）、激光雷達(dá)多光譜傳感器。
 

隨著表型分析和作物生長模型的不斷演化，育種者能夠獲取有關(guān)植物適應(yīng)性的生理決定因素的信息，從而精確選擇適合目標(biāo)環(huán)境的品種。大數(shù)據(jù)將有助于在不同層面來完善新品種的對生長環(huán)境的需求，來詮釋基因分型×環(huán)境×管理（G×E×M）互作。
 
法國Hiphen公司室外多維度植物表型成像平臺

Hiphen是專注于在植物育種以及精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)領(lǐng)域提供高通量測量系統(tǒng)和服務(wù)的公司，主要技術(shù)來自ARVALIS植物研究所, ITB和INRA法國農(nóng)業(yè)科學(xué)院，公司又在此基礎(chǔ)獨(dú)立開發(fā)出了相關(guān)系統(tǒng)和方法。Hiphen公司也向植物育種育種公司、作物生產(chǎn)和研究團(tuán)體以及其它客戶提供基于獨(dú)特傳感器以及云數(shù)據(jù)技術(shù)服務(wù)，服務(wù)分為3個(gè)層次，相機(jī)模塊以及配套軟件、基于云數(shù)據(jù)的計(jì)算以及客戶特點(diǎn)需求解決方案。Hiphen公司集中研發(fā)了相關(guān)獲取田間植物特征系統(tǒng)和方法，技術(shù)早期來源于UMR EMMAH 和UMT CAPTE項(xiàng)目，目前Hiphen公司已經(jīng)擁有一個(gè)龐大的技術(shù)團(tuán)隊(duì)，進(jìn)行系統(tǒng)和方法的深度開發(fā)。
田間植物表型組學(xué)通過集成了自動(dòng)化平臺裝備和信息化技術(shù)手段，用來獲取多尺度、多生境、多源異構(gòu)植物表型學(xué)大數(shù)據(jù)，結(jié)合其它組學(xué)，從植物表型組學(xué)高度系統(tǒng)深入地挖掘“基因型-表型-環(huán)境型”內(nèi)在關(guān)系、全面揭示特定生物性狀的形成機(jī)制，將極大地促進(jìn)功能基因組學(xué)、作物分子育種與有效栽培的進(jìn)程。Hiphen公司研發(fā)了多個(gè)不同的產(chǎn)品，Airphen不僅是一臺多光譜相機(jī)，還是一款多功能科學(xué)系統(tǒng)，目前推向市場的有：
 
地面維度：Airphen LITERAL便攜式植物表型系統(tǒng)

該便攜式有效率植物表型成像系統(tǒng)集成有多個(gè)表型傳感器，重量輕、系統(tǒng)功能強(qiáng)大，可快捷、便攜進(jìn)行植物田間表型研究，這組傳感器提供了廣泛的傳感配置，系統(tǒng)標(biāo)配RGB可見光和多光譜數(shù)據(jù)，以適應(yīng)農(nóng)作物的特異性。配置靈活光照系統(tǒng)，多項(xiàng)參數(shù)輸出，多種植被指數(shù)、LAI計(jì)算、葉綠素含量計(jì)算、植物計(jì)數(shù)、器官計(jì)數(shù)等，系統(tǒng)配有自動(dòng)設(shè)置，備選2種地理信息設(shè)置，數(shù)據(jù)獲取界面友好，從而進(jìn)行有效表型數(shù)據(jù)處理。該系統(tǒng)標(biāo)配高分辨率RGB成像模塊以及多光譜表型成像模塊，通過配置的可調(diào)支撐桿，植株測量高度可達(dá)3m。系統(tǒng)配有肩背電池，系統(tǒng)工作時(shí)間可達(dá)10個(gè)小時(shí)。系統(tǒng)還可添加RTK定位系統(tǒng)，測量規(guī)劃科通過平板或計(jì)算機(jī)界面進(jìn)行設(shè)置，所有的傳感器都連接在一個(gè)采集盒上，這個(gè)采集盒可以觸發(fā)攝像頭，存儲數(shù)據(jù)，并與平板電腦進(jìn)行通信。平板電腦可以通過用戶友好的圖形界面定義測量場景。測量場景描述每個(gè)傳感器的配置、試驗(yàn)計(jì)劃和每個(gè)小區(qū)中的測量數(shù)量。這樣可以在現(xiàn)場輕松使用，并確保正確引用每個(gè)獲取的圖像和元數(shù)據(jù)。 單個(gè)電池為所有攝像機(jī)和采集盒供電，從而保證了全天疾病檢測的電源。所有采集數(shù)據(jù)與高通量表型采集設(shè)備獲取數(shù)據(jù)兼容，可用于云數(shù)據(jù)平臺如cloverfield的數(shù)據(jù)分析。

地面維度：溫室多光譜表型系統(tǒng)（帶閃光燈）
 

Airphen 相機(jī)同時(shí)可配備閃光燈，專用于溫室應(yīng)用。Airphen相機(jī)可以完全同步控制閃光燈。該特征能提供穩(wěn)定光照條件（無陰影），進(jìn)行長期值守和無間斷測量（日以繼夜）。所獲得數(shù)據(jù)可直接由CLOVERFIELD進(jìn)行處理。

地面維度：植物表型機(jī)器人平臺

Airphen相機(jī)可以集成在任意植物表型機(jī)器人上�？梢罁�(jù)客戶需求，通過備選以太網(wǎng)端口進(jìn)行控制。數(shù)據(jù)也可在CLOVERFIELD上進(jìn)行處理。

Phénomobile:表型機(jī)器人，裝備了系列傳感器(RGB相機(jī)，Lidar，光譜儀)，可自動(dòng)觀測植物表型情況。ARVALIS和INRA開發(fā)的用于小型植物的原型已經(jīng)在實(shí)踐中應(yīng)用。在Phenome項(xiàng)目下，適合寬范圍作物的升級版正在研發(fā)中(玉米、向日葵、 油菜等) 。因成本較高，因此Hiphen將結(jié)合集成服務(wù)的形式提供一體化解決方案。

地面維度：根系多光譜成像系統(tǒng)

丹麥Videometer公司開發(fā)的根系多光譜原位監(jiān)測系統(tǒng)，是做根系研究的革新性專業(yè)裝備，無論對于淺根系蔬菜還是淺根系喬木，都具有現(xiàn)實(shí)性研究意義。目前在根系研究領(lǐng)域中，對于玉米根系和小麥根系所作的研究比較多，但大多還采用傳統(tǒng)不可重復(fù)的挖掘方法。植物根系原位監(jiān)測儀的出現(xiàn)，改變了這種情況，使得植物研究人員在對根系進(jìn)行研究的過程中，可以使用原位的方式，無損傷的進(jìn)行監(jiān)測。

 
根系是植物主要吸水、營養(yǎng)物等器官，通過對根系監(jiān)測和研究，能優(yōu)化水肥方案，促進(jìn)農(nóng)作物、林業(yè)等產(chǎn)業(yè)增產(chǎn)增效，有利于土地荒漠化治理、土壤修復(fù)等。但長期以來，對根系研究主要是采用挖掘法、土鉆法、土柱法、容器法、剖面法等傳統(tǒng)方法，采樣破壞性大、工作量大，嚴(yán)重阻礙了根系研究的深入開展�！犊茖W(xué)》雜志曾出版專輯認(rèn)為，“人類對自己腳下土壤的了解遠(yuǎn)遠(yuǎn)不及對宇宙的了解”，更是佐證了地下生態(tài)學(xué)研究難度之大。因此，對根系研究方法的選擇和改進(jìn)，對科研結(jié)果影響巨大。

丹麥根本哈根大學(xué)科學(xué)家等利用多光譜成像系統(tǒng)對植物植株、根系進(jìn)行成像研究，取得了前瞻性的成果。

該研究以深根系大麥為研究對象，將大麥下方埋了有3m長的微根管，使用Videometer公司的Videometer MR多光譜成像系統(tǒng)，定期通過根窗透明面對根系成像分析。原始光譜圖像經(jīng)過Videometer自帶軟件一系列算法處理后得到目標(biāo)根系圖像，隨后進(jìn)行閾值分割、模糊聚類等模型分析，得到根系的形態(tài)學(xué)數(shù)據(jù)。
 

傳統(tǒng)的RGB可見光成像技術(shù)是利用顏色識別根系，前提是根系和土壤之間要有比較明顯的色差，但實(shí)際根系生長在土壤中，顏色差異并不明顯，這樣根系識別可能會(huì)造成比較大的誤差，RGB可見光成像技術(shù)使用就會(huì)受限。歌本哈根將多光譜成像技術(shù)和傳統(tǒng)的RGB成像技術(shù)進(jìn)行了對比，顯示多光譜成像技術(shù)基于光譜特征在根系識別上的明顯優(yōu)勢，并且對多光譜成像另一項(xiàng)功能進(jìn)行了初步探討——即光譜特征對于根系生化特性的識別（例如細(xì)根發(fā)生、成熟、衰老、死亡的周轉(zhuǎn)過程；例如根際分泌物成分的變化等），顯示了多光譜成像技術(shù)在根系植物表型研究領(lǐng)域的巨大潛力。
 

空中維度：Airphen移動(dòng)搭載多光譜相機(jī)

AIRPHEN 是HI-PHEN開發(fā)出的一款無人機(jī)多光譜相機(jī)系統(tǒng)，在UAV領(lǐng)域搭載進(jìn)行移動(dòng)光譜生長指數(shù)測量。相機(jī)設(shè)計(jì)來源于科研領(lǐng)域，輕便、緊湊、可配置功能強(qiáng)大(波段、視野）�？蛇M(jìn)行無線操作并與相輔助的熱成像IR相機(jī)和高分辨率RGB相機(jī)結(jié)合使用。搭載AIRPHEN是一款多光譜相機(jī)系統(tǒng)是目前世界測量波段較多、速度較快、較輕便、功能較強(qiáng)大無人機(jī)多光譜相機(jī)系統(tǒng)，非常適合大面積林業(yè)、農(nóng)業(yè)、生態(tài)調(diào)查勘測使用以及植物田間表型成像研究。

目前，Hiphen作為植物育種、生態(tài)環(huán)境和精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)技術(shù)服務(wù)供應(yīng)商，將提供配套搭載 Airphen相機(jī)和其它傳感器的各種工具。就長期而言，Hiphen將會(huì)提供即用系統(tǒng)，客戶能直接進(jìn)行操作，包括各種搭載工具傳感器以及相關(guān)處理過程。Hiphen的目標(biāo)市場首先是育種領(lǐng)域的育種公司、生產(chǎn)集團(tuán)以及其它客戶，另外領(lǐng)域重點(diǎn)客戶來自精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)領(lǐng)域。實(shí)際上，從長期而言，表型環(huán)境下獲取的指數(shù)，可用于決策支持，在對不同栽培種的特征方法校準(zhǔn)后，可設(shè)計(jì)算法探索分析來自無人機(jī)、輕型飛機(jī)或衛(wèi)星的圖片。

北京博普特科技有限公司作為公司Hiphen和Videometer公司中國區(qū)獨(dú)家總代理，全面負(fù)責(zé)其系列產(chǎn)品在中國市場的市場推廣、銷售和售后服務(wù)，從信息的披露到產(chǎn)品的細(xì)節(jié)，作為總代的博普特具有非常大的優(yōu)勢，請廣大經(jīng)銷商和客戶注意甄別，以免上當(dāng)。