博普特田间植物表型产品和解决方案在精准农业方向的应用

​        随着气候变化、人口增长，对育种和农学研究人员提出了巨大挑战，随着自动化技术、机器视觉技术、生物信息技术等的发展，对野外生长植物进行迅速、准确、高通量无损伤的进行多源、多尺度、多性状表型分析，变的尤为迫切。除了传感器技术，传感器获取数据的解读更加重要，法国Hiphen团队源自法国农业科学院以及法国Arvalis植物研究院等，团队首席科学家是Fred Baret教授，世界遥感和田间表型先进专家，也是将遥感技术应用于植物表型研究领域，Hiphen室外高通量植物表型成像一站式解决方案对遗传学、生物技术、作物育种，及作物对气候变化、土壤、耕作管理的响应研究监测等。

功能特点：

博普特代理的高通量植物表型成像一站式解决方案是多源功能成像平台，集成了多光谱成像、RGB成像、红外热成像、激光雷达LiDAR、高光谱成像等各种先进先进传感设备，全面分析：

    1.结构性状表型分析（RGB成像及LiDAR）
    2.功能表型分析（多光谱荧光成像）
    3.性状与生长评估（RGB成像及LiDAR）
    4.光合作用表现（新型多光谱荧光成像、传统叶绿素荧光成像）
    5.生物胁迫与非生物胁迫响应（多光谱成像、高光谱成像、红外热成像、叶绿素荧光成像）
    6.生理生态表现包括光合生理、气孔动态、生化代谢指标等等（多光谱成像、高光谱成像、红外热成像、全植物表型生理测量系统）。

 

地面维度：移动植物表型设备

Phenomobile野外表型成像车采用全自动无人驾驶技术，进行移动式自动成像分析，是一款全植株表型分析平台，搭载多光谱、Lidar、RGB等相机，由于采用开放式框架设计，易于整合任意新型传感器。
田间IoT： 田间IoT系统可搭载土壤气象监测站以及多光谱相机，利用自带插件和云数据库，全面分析环境条件与表型性状的关系

便携式多光谱表型成像：采用多源遥感技术，除了标配多光谱相机，还可同步红外和ＲＧＢ相机，真正经济款野外便携式表型成像设备，处理植株高度可达3m，是便携式植物表型研究的历史性突破。。
数据分析系统：Cloverfield物联网表型分析大数据与平台，包括系统控制、数据采集、数据处理分析与可视化在线显示、数据库等。

空中维度：移动植物成像系统

空中：无人机搭载高通量植物表型冠层测量系统可搭载无人机，实现从近地遥感表型分析
田间表型是指植物经历的野外真实条件下的表型评估。田间表型分析要选择正确的性状特征、表型分析工具、评估平台或基本的数据管理方法，也要兼顾环境融入，也即生境。植物表型分析既要有效利用资源，也要结合适当的试验管理、空间变异处理，根据定义目标环境中普遍存在的关键约束条件开发更全面的数据管理模式，包括作物建模。法国农业科学院的科研进展为为表型研究者提供一个广泛的视野，指导研究人员如何较好地实施田间表型分析，找到有效的方式弥合育种者和“表型育种者”之间的差距。

高通量的表型分析直接影响三个方面：更精确的遗传筛选、鉴定新的遗传变异以及改进对目标群体环境因子的筛选，进而较好做遗传决策。植物田间高通量表型分析也间接影响育种规模以及育种周期。下图是法国农业科学院Fred教授提出的田间表型研究不同遥感传感器的总结，实际上在科研中，田间多种传感器结合也得到了深度应用和开发，并发表了系列高品质文章；研究中也多次使用Hiphen开发出的多光谱表型传感器Airphen，该多光谱表型研究传感器可以从地面和空中等多个维度进行田间表型研究，具有非常灵活的集成特性。

评估大田作物苗期特征的常见遥感传感器

利用红、绿、蓝RGB成像进行田间表型研究的应用实例

作者利用相机获取的图像，进一步分析，获得了田间玉米不同类别的特征：作物特征的计数、植物/作物生长的监测和发育以及三维重建。

多维度田间植物表型平台

这些多维度植物表型平台使用了基于不同光谱范围的遥感工具，包括RGB相机（VIS）、多光谱、高光谱传感器和相机、激光雷达（LiDAR）传感器、热传感器（TIR / LWIR）、激光雷达多光谱传感器。
 

随着表型分析和作物生长模型的不断演化，育种者能够获取有关植物适应性的生理决定因素的信息，从而精确选择适合目标环境的品种。大数据将有助于在不同层面来完善新品种的对生长环境的需求，来诠释基因分型×环境×管理（G×E×M）互作。
 
法国Hiphen公司室外多维度植物表型成像平台

Hiphen是专注于在植物育种以及精准农业领域提供高通量测量系统和服务的公司，主要技术来自ARVALIS植物研究所, ITB和INRA法国农业科学院，公司又在此基础独立开发出了相关系统和方法。Hiphen公司也向植物育种育种公司、作物生产和研究团体以及其它客户提供基于独特传感器以及云数据技术服务，服务分为3个层次，相机模块以及配套软件、基于云数据的计算以及客户特点需求解决方案。Hiphen公司集中研发了相关获取田间植物特征系统和方法，技术早期来源于UMR EMMAH 和UMT CAPTE项目，目前Hiphen公司已经拥有一个庞大的技术团队，进行系统和方法的深度开发。
田间植物表型组学通过集成了自动化平台装备和信息化技术手段，用来获取多尺度、多生境、多源异构植物表型学大数据，结合其它组学，从植物表型组学高度系统深入地挖掘“基因型-表型-环境型”内在关系、全面揭示特定生物性状的形成机制，将极大地促进功能基因组学、作物分子育种与有效栽培的进程。Hiphen公司研发了多个不同的产品，Airphen不仅是一台多光谱相机，还是一款多功能科学系统，目前推向市场的有：
 
地面维度：Airphen LITERAL便携式植物表型系统

该便携式有效率植物表型成像系统集成有多个表型传感器，重量轻、系统功能强大，可快捷、便携进行植物田间表型研究，这组传感器提供了广泛的传感配置，系统标配RGB可见光和多光谱数据，以适应农作物的特异性。配置灵活光照系统，多项参数输出，多种植被指数、LAI计算、叶绿素含量计算、植物计数、器官计数等，系统配有自动设置，备选2种地理信息设置，数据获取界面友好，从而进行有效表型数据处理。该系统标配高分辨率RGB成像模块以及多光谱表型成像模块，通过配置的可调支撑杆，植株测量高度可达3m。系统配有肩背电池，系统工作时间可达10个小时。系统还可添加RTK定位系统，测量规划科通过平板或计算机界面进行设置，所有的传感器都连接在一个采集盒上，这个采集盒可以触发摄像头，存储数据，并与平板电脑进行通信。平板电脑可以通过用户友好的图形界面定义测量场景。测量场景描述每个传感器的配置、试验计划和每个小区中的测量数量。这样可以在现场轻松使用，并确保正确引用每个获取的图像和元数据。 单个电池为所有摄像机和采集盒供电，从而保证了全天疾病检测的电源。所有采集数据与高通量表型采集设备获取数据兼容，可用于云数据平台如cloverfield的数据分析。

地面维度：温室多光谱表型系统（带闪光灯）
 

Airphen 相机同时可配备闪光灯，专用于温室应用。Airphen相机可以完全同步控制闪光灯。该特征能提供稳定光照条件（无阴影），进行长期值守和无间断测量（日以继夜）。所获得数据可直接由CLOVERFIELD进行处理。

地面维度：植物表型机器人平台

Airphen相机可以集成在任意植物表型机器人上。可依据客户需求，通过备选以太网端口进行控制。数据也可在CLOVERFIELD上进行处理。

Phénomobile:表型机器人，装备了系列传感器(RGB相机，Lidar，光谱仪)，可自动观测植物表型情况。ARVALIS和INRA开发的用于小型植物的原型已经在实践中应用。在Phenome项目下，适合宽范围作物的升级版正在研发中(玉米、向日葵、 油菜等) 。因成本较高，因此Hiphen将结合集成服务的形式提供一体化解决方案。

地面维度：根系多光谱成像系统

丹麦Videometer公司开发的根系多光谱原位监测系统，是做根系研究的革新性专业装备，无论对于浅根系蔬菜还是浅根系乔木，都具有现实性研究意义。目前在根系研究领域中，对于玉米根系和小麦根系所作的研究比较多，但大多还采用传统不可重复的挖掘方法。植物根系原位监测仪的出现，改变了这种情况，使得植物研究人员在对根系进行研究的过程中，可以使用原位的方式，无损伤的进行监测。

 
根系是植物主要吸水、营养物等器官，通过对根系监测和研究，能优化水肥方案，促进农作物、林业等产业增产增效，有利于土地荒漠化治理、土壤修复等。但长期以来，对根系研究主要是采用挖掘法、土钻法、土柱法、容器法、剖面法等传统方法，采样破坏性大、工作量大，严重阻碍了根系研究的深入开展。《科学》杂志曾出版专辑认为，“人类对自己脚下土壤的了解远远不及对宇宙的了解”，更是佐证了地下生态学研究难度之大。因此，对根系研究方法的选择和改进，对科研结果影响巨大。

丹麦根本哈根大学科学家等利用多光谱成像系统对植物植株、根系进行成像研究，取得了前瞻性的成果。

该研究以深根系大麦为研究对象，将大麦下方埋了有3m长的微根管，使用Videometer公司的Videometer MR多光谱成像系统，定期通过根窗透明面对根系成像分析。原始光谱图像经过Videometer自带软件一系列算法处理后得到目标根系图像，随后进行阈值分割、模糊聚类等模型分析，得到根系的形态学数据。
 

传统的RGB可见光成像技术是利用颜色识别根系，前提是根系和土壤之间要有比较明显的色差，但实际根系生长在土壤中，颜色差异并不明显，这样根系识别可能会造成比较大的误差，RGB可见光成像技术使用就会受限。歌本哈根将多光谱成像技术和传统的RGB成像技术进行了对比，显示多光谱成像技术基于光谱特征在根系识别上的明显优势，并且对多光谱成像另一项功能进行了初步探讨——即光谱特征对于根系生化特性的识别（例如细根发生、成熟、衰老、死亡的周转过程；例如根际分泌物成分的变化等），显示了多光谱成像技术在根系植物表型研究领域的巨大潜力。
 

空中维度：Airphen移动搭载多光谱相机

AIRPHEN 是HI-PHEN开发出的一款无人机多光谱相机系统，在UAV领域搭载进行移动光谱生长指数测量。相机设计来源于科研领域，轻便、紧凑、可配置功能强大(波段、视野）。可进行无线操作并与相辅助的热成像IR相机和高分辨率RGB相机结合使用。搭载AIRPHEN是一款多光谱相机系统是目前世界测量波段较多、速度较快、较轻便、功能较强大无人机多光谱相机系统，非常适合大面积林业、农业、生态调查勘测使用以及植物田间表型成像研究。

目前，Hiphen作为植物育种、生态环境和精准农业技术服务供应商，将提供配套搭载 Airphen相机和其它传感器的各种工具。就长期而言，Hiphen将会提供即用系统，客户能直接进行操作，包括各种搭载工具传感器以及相关处理过程。Hiphen的目标市场首先是育种领域的育种公司、生产集团以及其它客户，另外领域重点客户来自精准农业领域。实际上，从长期而言，表型环境下获取的指数，可用于决策支持，在对不同栽培种的特征方法校准后，可设计算法探索分析来自无人机、轻型飞机或卫星的图片。

北京博普特科技有限公司作为公司Hiphen和Videometer公司中国区独家总代理，全面负责其系列产品在中国市场的市场推广、销售和售后服务，从信息的披露到产品的细节，作为总代的博普特具有非常大的优势，请广大经销商和客户注意甄别，以免上当。