6 农业机械学报 2020 年 了自动在田间行驶采集表型数据。结合天线、接收 器和转向控制器,可达到2cm的定位精度。一个可 旋转的平台连接在拖拉机前,用于支持立体摄像机 和调节摄像头到作物之间的距离,一次拍摄两排立 体图像,多幅图像进行拼接来实现作物表型信息的 全采集 (a}前臂配备铝槽安装包括惯性测量单元(IMU)和实时运 动全球定位系统(RTK-GPS)的近端传感器 图8搭载在小型拖拉机上的表型平台 Fig8 Phenotyping platform mounted on John Deere 1026R sub-compact utility tractor 美国内布拉斯加大学林肯分校开发的田间高通 well LidarLite Pepper+Fuchs 前臂安装的采集数据的其他传感器阵列 量表型分析平台(图9)用于大豆和小麦的田间数据 图10搭载在高地隙拖拉机上的田间高通量 采集[“],搭载了超声波传感器、热红外辐射仪、植被 表型分析平台 覆盖指数传感器、光谐测定仪和RGB相机,将这些 Fig 10 High-clearance tractor fitted with front 传感器按照模块固定在传感条上,并配有GPS定位 和温湿度环境条件采集等功能能在野外田间进行1.2.2自走式植物表型平台 大范围的快速表型数据采集提取。 自走式植物表型平台也称为机器人表型平台 其自身可以提供驱动动力、行走动力,不需要其它动 力提供就能完成表型信息采集作业。在设计自走式 植物表型系统时,需要考虑4个主要的部分,即移动 平台、导航定位、仪器装备和数据管理。图11为美 国密苏里大学研制的 Dinobot机器人表型平台。 9美国内布拉斯加大学林肯分校的田间 该平台搭载深度相机(获取深度信息)和环境传感 高通量表型分析平台 器(温度传感器和光强度传感器),按照预定导航线 Fig9 Platform to mount multi-sensor system 路进行田间表型信息采集,从而减少人力,提高工作 for high throughput field phenoty ping 效率。该平台适用于高粱、玉米等田间作物。机器 美国农业部开发了搭载在高地隙拖拉机上的田人表型平台的优势是设置好行走导航线路后就不需 间高通量表型分析平台(图10),主要用于棉花等冠 层结构复杂、株型矮小植物的表型信息监测{。有 4个可调臂搭载在该高地隙拖拉机前臂上,集成安 装了多个可进行近距离拍摄的传感器同时采集数 据。传感器臂的高度可根据植物生长的时间进行调 节,安装了惯性测量单元(IMU)和实时动态差分定 位系统(RTK-GPS),前臂还采用阵列的形式安装 了超声波传感器 Honeywell和 Pepperl+ Fuchs、激光 雷达传感器 Lidarlite、扫描波束传感器LMS51l。试 验结果表明该传感器集成系统可以提供更精确的植 物株高,用于鉴定水分和营养缺乏引起的植物胁迫 图I1 Dinobot机器人表型平台 表型反应。 Fig. l1 Vinobot phenotyping robotics
了自动在田间行驶采集表型数据。结合天线、接收 器和转向控制器，可达到 ２ｃｍ的定位精度。一个可 旋转的平台连接在拖拉机前，用于支持立体摄像机 和调节摄像头到作物之间的距离，一次拍摄两排立 体图像，多幅图像进行拼接来实现作物表型信息的 全采集。 图 ８ 搭载在小型拖拉机上的表型平台 Ｆｉｇ．８ ＰｈｅｎｏｔｙｐｉｎｇｐｌａｔｆｏｒｍｍｏｕｎｔｅｄｏｎＪｏｈｎ Ｄｅｅｒｅ１０２６Ｒｓｕｂｃｏｍｐａｃｔｕｔｉｌｉｔｙｔｒａｃｔｏｒ 美国内布拉斯加大学林肯分校开发的田间高通 量表型分析平台（图 ９）用于大豆和小麦的田间数据 采集［４８］ ，搭载了超声波传感器、热红外辐射仪、植被 覆盖指数传感器、光谱测定仪和 ＲＧＢ相机，将这些 传感器按照模块固定在传感条上，并配有 ＧＰＳ定位 和温湿度环境条件采集等功能，能在野外田间进行 大范围的快速表型数据采集提取。 图 ９ 美国内布拉斯加大学林肯分校的田间 高通量表型分析平台 Ｆｉｇ．９ Ｐｌａｔｆｏｒｍｔｏｍｏｕｎｔｍｕｌｔｉｓｅｎｓｏｒｓｙｓｔｅｍ ｆｏｒｈｉｇｈｔｈｒｏｕｇｈｐｕｔｆｉｅｌｄｐｈｅｎｏｔｙｐｉｎｇ 美国农业部开发了搭载在高地隙拖拉机上的田 间高通量表型分析平台（图 １０），主要用于棉花等冠 层结构复杂、株型矮小植物的表型信息监测［４９］ 。有 ４个可调臂搭载在该高地隙拖拉机前臂上，集成安 装了多个可进行近距离拍摄的传感器同时采集数 据。传感器臂的高度可根据植物生长的时间进行调 节，安装了惯性测量单元（ＩＭＵ）和实时动态差分定 位系统（ＲＴＫ ＧＰＳ），前臂还采用阵列的形式安装 了超声波传感器 Ｈｏｎｅｙｗｅｌｌ和 Ｐｅｐｐｅｒｌ＋Ｆｕｃｈｓ、激光 雷达传感器 ＬｉｄａｒＬｉｔｅ、扫描波束传感器 ＬＭＳ５１１。试 验结果表明该传感器集成系统可以提供更精确的植 物株高，用于鉴定水分和营养缺乏引起的植物胁迫 表型反应。 图 １０ 搭载在高地隙拖拉机上的田间高通量 表型分析平台 Ｆｉｇ．１０ Ｈｉｇｈｃｌｅａｒａｎｃｅｔｒａｃｔｏｒｆｉｔｔｅｄｗｉｔｈｆｒｏｎｔ ｂｏｏｍｕｓｉｎｇｐｈｅｎｏｔｙｐｉｎｇｐｒｏｘｉｍａｌｓｅｎｓｏｒｓ １２２ 自走式植物表型平台 图 １１ Ｖｉｎｏｂｏｔ机器人表型平台 Ｆｉｇ．１１ Ｖｉｎｏｂｏｔｐｈｅｎｏｔｙｐｉｎｇｒｏｂｏｔｉｃｓ 自走式植物表型平台也称为机器人表型平台， 其自身可以提供驱动动力、行走动力，不需要其它动 力提供就能完成表型信息采集作业。在设计自走式 植物表型系统时，需要考虑 ４个主要的部分，即移动 平台、导航定位、仪器装备和数据管理。图 １１为美 国密苏里大学研制的 Ｖｉｎｏｂｏｔ机器人表型平台［５０］ 。 该平台搭载深度相机（获取深度信息）和环境传感 器（温度传感器和光强度传感器），按照预定导航线 路进行田间表型信息采集，从而减少人力，提高工作 效率。该平台适用于高粱、玉米等田间作物。机器 人表型平台的优势是设置好行走导航线路后就不需 ６ 农 业 机 械 学 报 ２０２０年
第3期 张慧春等:植物表型平台与图像分析技术研究进展与展望 要人工控制,可全天24h连续获取表型信息,且体 积较小。 图12为爱荷华州立大学开发的机器人表型平 台5。通过集成3D机器视觉,采集侧视图3D点 云作物行数据,建立的点云处理算法可估算预测植 物整个生长阶段的高度、叶角、植物朝向和茎干直径 等表型参数,机器人平台从连续深度帧中获得侧视 点云数据,并进行信息记录,在RTK-GPS传感器的 图13 Fieldsman门架式植物表型平台 作用下产生匹配精准定位的表型数据信息。 Fig 13 FieldScan gantry phenotyping platic (a)机器人数据采集系统b夜间作业的深度图像采集系统 图12基于3D机器视觉的表型信息自动采集机器人平台 图14 Field Scanalyzer门架式植物表型平台 Fig 12 Automated plant phenoty ping robot using Fig 14 Field Scanalyzer gantry phenoty ping platform 升降装置,Z轴是升降单元上下移动的方向。X轴 1.2.3门架式植物表型平台 田间环境条件复杂,不利于人工控制,比如从白运动单元是由两个变频电源组成,被绑定在支撑梁 上,Y轴包括门式框架,并保护Z轴的运动, Field 天到夜间的光照强度变化会影响成像技术的准确 Scanalyzer系统的推进包括两个电动逆变器供电引 性;另外,车载式平台可能会因路面不平导致设备抖擎,驱动底部两个齿轮传输,y轴和Z轴同样是由电 动,进而影响成像质量。为获得高精度表型信息,且动逆变器和齿条一起供应运转确保系统在X、YZ 对植物进行全天监测、不因设备抖动而影响成像质轴上的精密运动。门架式植物表型平台所搭载的照 量,门架式田间表型平台应运而生。门架式表型平明装置方便数据的收集,传感器包括多波长成像系 台是指在田间搭建固定轨道,利用电机驱动传感器统、测量叶绿素荧光传感器、三维可视化系统和测定 系统对植物进行监测的移动平台。该系统可在任何作物高度的激光系统。 环境下进行全天候测量,且不会由于机构抖动而影1.2.4悬索式植物表型平台 响成像质量,是采集高分辨率表型信息较为理想的 悬索式植物表型平台固定在某一个田间地 田间平台。 块,采集的表型数据来源于自然环境,可靠度高 比较有代表性的门架式植物表型平台有荷兰但它的缺点是采样地块固定,植物种植面积和品 leno Spex公司的 Fieldsman平台(图13)121,它采 种有限。 用植物激光三维扫描测量仪 PlantEye作为核心,并 瑞士联邦理工学院建立的田间高通量植物表型 集成了其它多种传感器来获取植物生长情况。通过平台是一个悬索式多传感器平台,用于自动化、精 3D的顶部成像,不仅能获得叶面积、叶倾角、冠层等确、高通量地进行植物表型数据采集。它位于瑞 参数,还可在任何环境条件下全天候测量,同时还能士苏黎世植物科学研究站,在1hm2的矩形田块内配 确保较高的精度和通量。 备4根24m高的塔柱(图15a),塔柱顶端的滑轮引 英国洛桑研究所使用的 Field Scanalyzer门架式导缆绳,缆绳由位于每根塔柱底部的绞车操作 植物表型平台(图14)是利用门架式起重系统设计(图15b)。配有多个成像装置的传感器头连接在电 和组建的3轴表型系统圓,可对10m×110m范围缆上(图15c),通过控制绞车调整缆绳的长度,从而 内的作物以高分辨率进行全天24h自动化监视。X调整传感器头的位置。每根绞车有2根缆绳,总质 轴方向的运动是通过轨道系统进入地面,以允许自量为90kg的传感器头由8根缆绳携带,不仅确保 然排水和无障碍运行,传统的混凝土地基可以充当传感器头不会在缆绳断裂的情况下坠毁,还起到了 流动屏障,Y轴垂直于轨道,并且承担摄像机设置的抗风、防倾的作用。传感器头在田间上方任何位置
要人工控制，可全天 ２４ｈ连续获取表型信息，且体 积较小。 图 １２为爱荷华州立大学开发的机器人表型平 台［５１］ 。通过集成 ３Ｄ机器视觉，采集侧视图 ３Ｄ点 云作物行数据，建立的点云处理算法可估算预测植 物整个生长阶段的高度、叶角、植物朝向和茎干直径 等表型参数，机器人平台从连续深度帧中获得侧视 点云数据，并进行信息记录，在 ＲＴＫ ＧＰＳ传感器的 作用下产生匹配精准定位的表型数据信息。 图 １２ 基于 ３Ｄ机器视觉的表型信息自动采集机器人平台 Ｆｉｇ．１２ Ａｕｔｏｍａｔｅｄｐｌａｎｔｐｈｅｎｏｔｙｐｉｎｇｒｏｂｏｔｕｓｉｎｇ ３Ｄｍａｃｈｉｎｅｖｉｓｉｏｎ １２３ 门架式植物表型平台 田间环境条件复杂，不利于人工控制，比如从白 天到夜间的光照强度变化会影响成像技术的准确 性；另外，车载式平台可能会因路面不平导致设备抖 动，进而影响成像质量。为获得高精度表型信息，且 对植物进行全天监测、不因设备抖动而影响成像质 量，门架式田间表型平台应运而生。门架式表型平 台是指在田间搭建固定轨道，利用电机驱动传感器 系统对植物进行监测的移动平台。该系统可在任何 环境下进行全天候测量，且不会由于机构抖动而影 响成像质量，是采集高分辨率表型信息较为理想的 田间平台。 比较有代表性的门架式植物表型平台有荷兰 ＰｈｅｎｏＳｐｅｘ公司的 ＦｉｅｌｄＳｃａｎ平台（图 １３）［５２］ ，它采 用植物激光三维扫描测量仪 ＰｌａｎｔＥｙｅ作为核心，并 集成了其它多种传感器来获取植物生长情况。通过 ３Ｄ的顶部成像，不仅能获得叶面积、叶倾角、冠层等 参数，还可在任何环境条件下全天候测量，同时还能 确保较高的精度和通量。 英国洛桑研究所使用的 ＦｉｅｌｄＳｃａｎａｌｙｚｅｒ门架式 植物表型平台（图 １４）是利用门架式起重系统设计 和组建的 ３轴表型系统［５３］ ，可对 １０ｍ×１１０ｍ范围 内的作物以高分辨率进行全天 ２４ｈ自动化监视。Ｘ 轴方向的运动是通过轨道系统进入地面，以允许自 然排水和无障碍运行，传统的混凝土地基可以充当 流动屏障，Ｙ轴垂直于轨道，并且承担摄像机设置的 图 １３ ＦｉｅｌｄＳｃａｎ门架式植物表型平台 Ｆｉｇ．１３ ＦｉｅｌｄＳｃａｎｇａｎｔｒｙｐｈｅｎｏｔｙｐｉｎｇｐｌａｔｆｏｒｍ 图 １４ ＦｉｅｌｄＳｃａｎａｌｙｚｅｒ门架式植物表型平台 Ｆｉｇ．１４ ＦｉｅｌｄＳｃａｎａｌｙｚｅｒｇａｎｔｒｙｐｈｅｎｏｔｙｐｉｎｇｐｌａｔｆｏｒｍ 升降装置，Ｚ轴是升降单元上下移动的方向。Ｘ轴 运动单元是由两个变频电源组成，被绑定在支撑梁 上，Ｙ轴 包 括 门 式 框 架，并 保 护 Ｚ轴 的 运 动，Ｆｉｅｌｄ Ｓｃａｎａｌｙｚｅｒ系统的推进包括两个电动逆变器供电引 擎，驱动底部两个齿轮传输，Ｙ轴和 Ｚ轴同样是由电 动逆变器和齿条一起供应运转，确保系统在 Ｘ、Ｙ、Ｚ 轴上的精密运动。门架式植物表型平台所搭载的照 明装置方便数据的收集，传感器包括多波长成像系 统、测量叶绿素荧光传感器、三维可视化系统和测定 作物高度的激光系统。 １２４ 悬索式植物表型平台 悬索式 植 物 表 型 平 台 固 定 在 某 一 个 田 间 地 块，采集的 表 型 数 据 来 源 于 自 然 环 境，可 靠 度 高， 但它的缺点 是 采 样 地 块 固 定，植 物 种 植 面 积 和 品 种有限。 瑞士联邦理工学院建立的田间高通量植物表型 平台是一个悬索式多传感器平台，用于自动化、精 确、高通量地进行植物表型数据采集［５４］ 。它位于瑞 士苏黎世植物科学研究站，在 １ｈｍ２ 的矩形田块内配 备 ４根 ２４ｍ高的塔柱（图 １５ａ），塔柱顶端的滑轮引 导 缆 绳，缆 绳 由 位 于 每 根 塔 柱 底 部 的 绞 车 操 作 （图 １５ｂ）。配有多个成像装置的传感器头连接在电 缆上（图 １５ｃ），通过控制绞车调整缆绳的长度，从而 调整传感器头的位置。每根绞车有 ２根缆绳，总质 量为 ９０ｋｇ的传感器头由 ８根缆绳携带，不仅确保 传感器头不会在缆绳断裂的情况下坠毁，还起到了 抗风、防倾的作用。传感器头在田间上方任何位置 第 ３期 张慧春 等：植物表型平台与图像分析技术研究进展与展望 ７