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(shù)：1880

高光譜植物長勢監(jiān)測
在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)與植物科學(xué)研究領(lǐng)域，精準監(jiān)測植物長勢對于作物育種、栽培管理及產(chǎn)量預(yù)測至關(guān)重要。高光譜技術(shù)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(shù)手段。

一、溫室高通量植物表型成像系統(tǒng)技術(shù)架構(gòu)

溫室高通量植物表型成像系統(tǒng)是融合多學(xué)科技術(shù)的智能監(jiān)測平臺，其核心架構(gòu)集成光電傳感技術(shù)、自動化控制技術(shù)與計算機圖形處理技術(shù)。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(shù)據(jù)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(shù)信息，這些信息是評估植物健康狀況與生長潛力的關(guān)鍵指標。

自動化控制技術(shù)則保障了系統(tǒng)的高通量運行?；?PLC（可編程邏輯控制器）與伺服電機驅(qū)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(shù)調(diào)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(shù)據(jù)，結(jié)合預(yù)設(shè)的植物生長模型，自動調(diào)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(shù)是實現(xiàn)植物表型參數(shù)提取的核心。利用深度學(xué)習(xí)算法，如卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（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(chǔ)上，運用數(shù)字圖像處理技術(shù)，通過輪廓提取、形態(tài)學(xué)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(shù)；結(jié)合近紅外光譜分析與機器學(xué)習(xí)算法，可反演植物的鮮重、干重等生物量參數(shù)以及分蘗數(shù)等生長參數(shù)。

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(shù)據(jù)，結(jié)合分子生物學(xué)技術(shù)，篩選出具有高產(chǎn)、抗逆等優(yōu)良性狀的種質(zhì)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(shù)方案

在室外復(fù)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(shù)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(fù)結(jié)構(gòu)（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。

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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(dǎo)航模塊。在數(shù)據(jù)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(shè)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(fù)結(jié)構(gòu)（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(yīng)關(guān)系?；谶\動恢復(fù)結(jié)構(gòu)算法，求解相機運動參數(shù)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(shù)據(jù)。

點云處理與模型分割：對生成的 3D 點云數(shù)據(jù)，采用直通濾波、體素濾波等方法去除噪聲點與冗余數(shù)據(jù)，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(shù)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(shù)、莖高、葉長、葉寬等植物性狀參數(shù)。通過對比不同生長階段的參數(shù)變化，可構(gòu)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(shù)據(jù)支持。

三、技術(shù)應(yīng)用與展望

高光譜植物長勢監(jiān)測技術(shù)在溫室與室外環(huán)境中的應(yīng)用，為植物表型研究與作物生產(chǎn)管理帶來了革命性變革。未來，隨著傳感器技術(shù)的不斷進步、深度學(xué)習(xí)算法的持續(xù)優(yōu)化以及人工智能與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的深度融合，高光譜植物長勢監(jiān)測技術(shù)將向智能化、精準化、實時化方向發(fā)展，在智慧農(nóng)業(yè)、生態(tài)環(huán)境監(jiān)測等領(lǐng)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(xué)博士團隊、行業(yè)資深專家、光譜軟件算法團隊以及光學(xué)應(yīng)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(xué)技術(shù)領(lǐng)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(nèi)的一顆璀璨新星。

其團隊成員憑借深厚的學(xué)術(shù)造詣與豐富的實踐經(jīng)驗，構(gòu)建起了一座堅實的技術(shù)堡壘。西安光機所光學(xué)博士團隊深入鉆研光學(xué)核心原理，在光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)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(xué)基礎(chǔ)架構(gòu)。行業(yè)資深專家則猶如敏銳的市場領(lǐng)航員，他們憑借對行業(yè)發(fā)展脈絡(luò)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(chǎn)品戰(zhàn)略布局指明方向，確保每一款產(chǎn)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(xué)應(yīng)用博士則專注于探索光學(xué)技術(shù)在各個實際領(lǐng)域的落地應(yīng)用，他們深入挖掘產(chǎn)品在不同場景下的潛在用途，從生物醫(yī)學(xué)到工業(yè)制造，從環(huán)境監(jiān)測到農(nóng)業(yè)科技，不斷拓展產(chǎn)品的應(yīng)用邊界，讓光學(xué)技術(shù)真正造福于人類社會的各個角落。

在產(chǎn)品層面，以象科技目前已成功投產(chǎn)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(shù)實力的集中體現(xiàn)。這不僅為國內(nèi)相關(guān)行業(yè)提供了更為可靠、性價比更高的光學(xué)設(shè)備選擇，還在一定程度上推動了我國光學(xué)技術(shù)自主創(chuàng)新的進程，提升了我國在全球光學(xué)產(chǎn)業(yè)價值鏈中的地位。

此外，公司經(jīng)營的激光共聚焦、激光散斑血流成像儀、光譜儀等光學(xué)產(chǎn)品，也均在各自的領(lǐng)域內(nèi)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(xué)微觀成像領(lǐng)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(xué)臨床診斷和疾病研究提供了重要的參考依據(jù)；光譜儀則憑借其對物質(zhì)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(lǐng)域發(fā)揮著作用。

以象科技秉持著集研發(fā)、生產(chǎn)、銷售于一體的全產(chǎn)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(yīng)。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?shù)刎S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(shù)研發(fā)與創(chuàng)新，為公司的產(chǎn)品迭代升級和技術(shù)突破提供了源源不斷的動力源泉。

與此同時，公司精心構(gòu)建的銷售網(wǎng)絡(luò)如同一張緊密交織的大網(wǎng)，全面覆蓋全國各個地區(qū)，確保了產(chǎn)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(wù)機構(gòu)則像是一位貼心的守護者，隨時為客戶提供多層次的技術(shù)支持與售后服務(wù)保障，讓客戶在使用產(chǎn)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(chǎn)品以及完善的運營模式，在光學(xué)技術(shù)領(lǐng)域正穩(wěn)步前行，未來有望在國內(nèi)乃至全球市場上取得更為輝煌的成就，為推動光學(xué)科技的進步與應(yīng)用普及做出更多的貢獻。

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

以象科技是一家集研發(fā)、生產(chǎn)、銷售于一體的科技型公司。目前經(jīng)營產(chǎn)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(xué)產(chǎn)品。研發(fā)中心設(shè)立于西安，銷售網(wǎng)絡(luò)、完善售后服務(wù)機構(gòu)設(shè)立覆蓋全國。

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