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高光譜植物長勢監測:高光譜相機檢測植物性狀的方法可以監測植物生長情況

更新時間:2025-06-07      點擊次數:1236

高光譜植物長勢監測
在現代農業與植物科學研究領域,精準監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測的前沿技術手段。

一、溫室高通量植物表型成像系統技術架構
溫室高通量植物表型成像系統是融合多學科技術的智能監測平臺,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、氮素營養等生理參數信息,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,可實現高光譜相機、RGB 相機及激光雷達等多傳感器的協同運動,對溫室種植的植物進行、多角度的動態掃描。系統的自動化控制還體現在環境參數調控方面,通過溫濕度、光照強度、CO?濃度等傳感器實時采集環境數據,結合預設的植物生長模型,自動調節溫室環境,為植物生長創造條件。

計算機圖形處理技術是實現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,該系統通過長期監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。


高光譜植物長勢監測:高光譜相機檢測植物性狀的方法可以監測植物生長情況

二、室外辣椒植物 3D 生長監測技術方案

在室外復雜環境下,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 生長監測無損解決方案。

高光譜植物長勢監測:高光譜相機檢測植物性狀的方法可以監測植物生長情況

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

(一)圖像采集方案

采用多傳感器協同采集策略,系統集成高光譜相機(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。

高光譜植物長勢監測:高光譜相機檢測植物性狀的方法可以監測植物生長情況

(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

高光譜植物長勢監測技術在溫室與室外環境中的應用,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優化以及人工智能與物聯網技術的深度融合,高光譜植物長勢監測技術將向智能化、精準化、實時化方向發展,在智慧農業、生態環境監測等領域發揮更為重要的作用。

高光譜植物長勢監測:高光譜相機檢測植物性狀的方法可以監測植物生長情況

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力量共同發起創立的科技型企業,在光學技術領域展現出了非凡的潛力與強勁的實力,正逐步成為行業內的一顆璀璨新星。

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,在光學系統的設計、優化以及創新方面持續發力,致力于打造出具有性能與高精度的光學基礎架構。行業資深專家則猶如敏銳的市場領航員,他們憑借對行業發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,從生物醫學到工業制造,從環境監測到農業科技,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。這不僅為國內相關行業提供了更為可靠、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新的進程,提升了我國在全球光學產業價值鏈中的地位。

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出了的優勢與性能。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測微循環血流變化,為醫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、環境污染物監測以及食品安全檢測等領域發揮著作用。

以象科技秉持著集研發、生產、銷售于一體的全產業鏈運營模式,展現出了強大的綜合實力與協同效應。其研發中心坐落于西安這充滿科技活力與創新氛圍的城市,依托當地豐富的科研資源與人才優勢,持續不斷地投入大量資源進行技術研發與創新,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,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、創新的產品以及完善的運營模式,在光學技術領域正穩步前行,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、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力量共同發起創立的科技型企業,在光學技術領域展現出了非凡的潛力與強勁的實力,正逐步成為行業內的一顆璀璨新星。

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,在光學系統的設計、優化以及創新方面持續發力,致力于打造出具有性能與高精度的光學基礎架構。行業資深專家則猶如敏銳的市場領航員,他們憑借對行業發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,從生物醫學到工業制造,從環境監測到農業科技,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。這不僅為國內相關行業提供了更為可靠、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新的進程,提升了我國在全球光學產業價值鏈中的地位。

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出了的優勢與性能。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測微循環血流變化,為醫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、環境污染物監測以及食品安全檢測等領域發揮著作用。

以象科技秉持著集研發、生產、銷售于一體的全產業鏈運營模式,展現出了強大的綜合實力與協同效應。其研發中心坐落于西安這充滿科技活力與創新氛圍的城市,依托當地豐富的科研資源與人才優勢,持續不斷地投入大量資源進行技術研發與創新,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,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、創新的產品以及完善的運營模式,在光學技術領域正穩步前行,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。




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