1 自動(dòng)化 FieldSystem 系統(tǒng)
Scanalyzer Field 是利用門式起重系統(tǒng)二設(shè)計(jì)和組建的3軸表型系統(tǒng)，X軸方向的運(yùn)動(dòng)是通過軌道系統(tǒng)進(jìn)入地面，以允許自然排水和無障礙運(yùn)行，如傳統(tǒng)的混凝土地基可以充當(dāng)流動(dòng)屏障，Y軸垂直于軌道，并且承擔(dān)攝像機(jī)設(shè)置的升降裝置，Z軸描述的是升降單元上下移動(dòng)的方向。
X軸運(yùn)動(dòng)單元是由兩個(gè)變頻有源電源和兩個(gè)無源單元，將被綁定在支撐梁上，Y軸包括門式框架（鋁），并將保護(hù)Z軸的運(yùn)動(dòng)，Scanalyzer Field 系統(tǒng)的推進(jìn)包括兩個(gè)電動(dòng)逆變器供電引擎，驅(qū)動(dòng)底部兩個(gè)齒輪傳輸，Y軸和Z軸同樣是由電動(dòng)逆變器和齒條一起供應(yīng)運(yùn)轉(zhuǎn)。
這樣的設(shè)置可以使系統(tǒng)精密的在X、Y和Z軸上運(yùn)動(dòng)。
Scanalyzer Field 系統(tǒng)上的運(yùn)行部件均來自其他手動(dòng)或自動(dòng)操作的系統(tǒng)，比如船舶和火車卸貨等，因此Scanalyzer Field 系統(tǒng)的零件具有更耐久性和靈活性。
圖1: ScanalyzerField系統(tǒng)示意圖
1.1 系統(tǒng)參數(shù)
1.2 系統(tǒng)操作注意事項(xiàng)
開始的時(shí)候，接受過培訓(xùn)的人員利用遠(yuǎn)程操作進(jìn)行系統(tǒng)的運(yùn)行；
每個(gè)試驗(yàn)地的開始和結(jié)束位置，本步驟在每一個(gè)試驗(yàn)開始前進(jìn)行，在播種前就要做好；
一旦實(shí)驗(yàn)設(shè)置被保存，用戶需要使用控制軟件選取接下來的參數(shù)，參數(shù)包括時(shí)間、頻率、地點(diǎn)等；
保證所有的圖像之間都有重復(fù)，保證每一個(gè)植株都會(huì)被測量到；
熒光測量時(shí)，如果是在晚上，要充分考慮到熒光對周圍植株的影響，不能緊接著進(jìn)行測量。
1.3 系統(tǒng)精確度
ScanalyzerField 系統(tǒng)的精度可以達(dá)到X軸<±50mm，Y軸<±5mm和Z軸<±5mm，除GPS定位外，每張照片都包含在ScanalyzerField系統(tǒng)三維空間的位置。
1.4 系統(tǒng)耐久性
因?yàn)樗械牟考疾捎霉I(yè)標(biāo)準(zhǔn)，加載的重量遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于設(shè)計(jì)時(shí)的承重能力，ScanalyzerField 系統(tǒng)可以持續(xù)使用5年以上的時(shí)間。
1.5 系統(tǒng)維護(hù)
盡管相機(jī)朝下且有保護(hù)附件，但是為了保證成像質(zhì)量，常規(guī)的清潔仍是必要的，如果下大雨，有必要清潔一下相機(jī)的外殼，清除殘余的水和殘?jiān)?/p>
在植物的生長季，如果ScanalyzerField 系統(tǒng)每天都要工作，那么每年進(jìn)行一次檢查和預(yù)防性維護(hù)是非常必要的。
維護(hù)包括檢查所有滑動(dòng)部件的潤滑性，也要對成像傳感器進(jìn)行檢測，在儀器運(yùn)行的前三年，不會(huì)跟換新的部件。
1.6 系統(tǒng)安全方案
1.6.1 ScanalyzerField系統(tǒng)常見風(fēng)險(xiǎn)
自動(dòng)模式：
系統(tǒng)自動(dòng)運(yùn)行時(shí)，人員不能站在ScanalyzerField系統(tǒng)軌道間的任何區(qū)域；
ScanalyzerField系統(tǒng)會(huì)按照編輯的程序沿軌道進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，任何站在系統(tǒng)上方或離軌道較近的人員，都會(huì)有與ScanalyzerField系統(tǒng)碰撞的危險(xiǎn)，系統(tǒng)自動(dòng)運(yùn)動(dòng)的速度可達(dá)60min/min；
自動(dòng)運(yùn)行模式下，圖像采集臂可以在2米以下高度移動(dòng)；
熒光成像技術(shù)使用短LED脈沖（1-2s），亮度相當(dāng)于太陽光的4-6倍；
高度掃描設(shè)備包括可見激光。
手動(dòng)模式：
手動(dòng)模式下，操作者就會(huì)在運(yùn)行系統(tǒng)的周邊，并且成像時(shí)，操作者需要與系統(tǒng)直接接觸；
系統(tǒng)不運(yùn)行的情況下，傳感器的蓋子被打開，所有的安全模塊開啟且顯示危險(xiǎn)警告。
1.6.2 ScanalyzerField系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)對
技術(shù)性
導(dǎo)軌放在土層以上，減少人員站在導(dǎo)軌上的風(fēng)險(xiǎn)；
ScanalyzerField系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生聲音和燈光信號，提醒周圍的工作人員；
ScanalyzerField系統(tǒng)的導(dǎo)軌如果碰到物體，不論在手動(dòng)狀態(tài)或自動(dòng)狀態(tài)，緊急開關(guān)會(huì)將ScanalyzerField系統(tǒng)緊急停止，
安全保險(xiǎn)不能使用，因此系統(tǒng)有大約1m左右的斷裂長度。
人工控制ScanalyzerField系統(tǒng)時(shí)，可以使用緊急暫停按鈕。
人工操作時(shí)，ScanalyzerField系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)的速度是有限制的。
當(dāng)人工操作系統(tǒng)時(shí)，激光和熒光的光源是停用的。
當(dāng)遇到惡劣環(huán)境時(shí)，自動(dòng)運(yùn)行模式不能維持，ScanalyzerField系統(tǒng)會(huì)進(jìn)入安全位置。
1.6.3 系統(tǒng)組織培訓(xùn)
ScanalyzerField系統(tǒng)的操作者會(huì)接受單獨(dú)培訓(xùn)。
系統(tǒng)維護(hù)人員需要較好掌握技術(shù)教育，并且接受ScanalyzerField系統(tǒng)的培訓(xùn)。
整個(gè)ScanalyzerField系統(tǒng)的外側(cè)都應(yīng)安裝有2m高的柵欄，并且進(jìn)入柵欄區(qū)域的應(yīng)該是接受過培訓(xùn)的人，入口處應(yīng)該粘貼安全條例。
2 傳感器平臺(tái)
圖 2: 傳感器平臺(tái)概念圖（最終版本可能有所不同）
每一種相機(jī)系統(tǒng)都單獨(dú)安裝在密封殼體內(nèi)，并綁定在靈活可調(diào)的成像盒中，照相機(jī)箱的總有效載荷可以達(dá)到500公斤，允許靈活的增加傳感器。
主要特點(diǎn)：
天氣保護(hù)平臺(tái)，單獨(dú)保護(hù)傳感器；
卷簾門在平臺(tái)下面的對面，充分保護(hù)不在使用的傳感器；
夜間使用的鹵素?zé)敉瑫r(shí)具有加熱元件，可以防止傳感器溫度過低而表面水分凝結(jié)。
大?。?/strong>
3m 寬
1.5m 高
1.5m 深度
載重：
500kg
2.1 FLIR 紅外相機(jī)
相機(jī)與樣品距離、大氣溫度、相對濕度等環(huán)境參數(shù)對測量結(jié)果影響很大，因此定期的重校準(zhǔn)很有必要。
結(jié)合前景/背景分離，可以提取出不同植物的精確溫度，溫度的高低將以假色圖像的形式表現(xiàn)出來，從而更容易觀察到顏色的變化，紅外傳感器所得到的數(shù)據(jù)可以以柱狀圖的形式表現(xiàn)出來，從而分析植物的溫度分布。
成像和光學(xué)參數(shù) 焦距 空間分辨率(IFOV) 鏡頭識(shí)別 焦距比數(shù) 熱敏度/NETD 像頻 (SC645) 像頻 (SC 665) 聚焦 | 24.5 mm (0.96 in.) 0.69 mrad 自動(dòng) 1.0 < 0.05°C ，+30°C下 (+86°F) / 50 mK 25 Hz 50 Hz (100/200 Hz 和開窗) 自動(dòng)或手動(dòng) (內(nèi)裝電動(dòng)機(jī)) |  |
2.2 RGB 相機(jī)
界面 分辨率 傳感器 傳感器類型 傳感器尺寸 電池尺寸 透鏡支架 A/D On-board FIFO | IEEE 802.3 1000baseT 3296 x 2472 Truesense KAI-08050 CCD 漸進(jìn) 4/3式 5.5 µm F-Mount 14 bit 128 MB |  |
2.3 高光譜傳感器
表1 ： 文獻(xiàn)中發(fā)表的高光譜指數(shù)
彩色條顯示的是某些指數(shù)所需要的光譜范圍，綠色和黃色條可以通過VNIR相機(jī)成像（380-1000nm），黃色和紅色條可以通過VNIR相機(jī)（550-1700nm），近紅外相機(jī)不包含900nm以下的范圍，對于SWIR相機(jī)，已知的參數(shù)主要在纖維素和木質(zhì)素相關(guān)的參數(shù)。
為了彌補(bǔ)不斷變化的現(xiàn)場光線，補(bǔ)償性設(shè)備會(huì)提供適量的光源，附加光源為鹵素?zé)?，并且范圍?00到2500納米。
圖3： 附加光源的亮度
2.4 激光掃描器
從上部觀察的高度掃描儀是Frauenhofer IIS研究機(jī)構(gòu)專門為Lemna Tec公司開發(fā)。
使用NIR激光掃描器可以避免影響植物的正常生理，使用非常高的分辨率和很小的時(shí)間間隔。
頂部視圖時(shí)，兩個(gè)單元將結(jié)合起來，詳見圖4.
兩個(gè)單元的交叉可以減少樹冠陰影面積的影響。
在側(cè)面掃描時(shí)，每個(gè)側(cè)視圖由四個(gè)單元組合成一個(gè)傳感器，光學(xué)元件和角度的選擇將根據(jù)臺(tái)架安裝的最終設(shè)計(jì)而改變。
每一個(gè)單元都包含傳感器頭和電腦，將傳感器信息結(jié)合到plc文件里。
圖4： 激光掃描設(shè)備從上部掃描植物冠層
2.5 用于PSII研究的熒光相機(jī)
熒光相機(jī)是使用直接熒光值，目前有一篇文獻(xiàn)（Strasser, R. J., A. Srivastava, and M. Tsimilli-Michael. "The fluorescence transient as a tool to characterize and screen photosynthetic samples." Probing photosynthesis: mechanisms, regulation and adaptation (2000): 445-483.）解釋為什么Lemna Tec會(huì)選擇直接熒光測定，或被稱為PAM直接熒光法：
目前使用的有兩種熒光技術(shù)，直接熒光和調(diào)制熒光技術(shù)，每一種技術(shù)都有優(yōu)勢和缺陷，隨著技術(shù)的發(fā)展，光電池和光電倍增管的低靈敏度要求高的激發(fā)光的強(qiáng)度，這樣使用直接熒光的方法是比較好的，但是有兩個(gè)缺點(diǎn)：（a）強(qiáng)大的激發(fā)光會(huì)引起一個(gè)快速的熒光上升；（b）快門開放的時(shí)間過長（大約1ms），F(xiàn)o值無法測定。敏感的光電池，光電二極管和高性能放大器的發(fā)展，使得熒光信號的測量具有非常低的激發(fā)光的強(qiáng)度，低強(qiáng)度調(diào)制光束激發(fā)衡量熒光，初始和熒光都可以進(jìn)行測量，并且精度很高，但是仍有兩個(gè)限制：（a）該時(shí)間分辨率由調(diào)制和解調(diào)頻率的限制；（b）一種低成本調(diào)制熒光計(jì)以10微秒的時(shí)間12位信號的分辨率不可以實(shí)現(xiàn)。如PEA熒光儀，它耗電少且成本低，高分辨率熒光上升允許人們觀察幾個(gè)步驟，F(xiàn)0，K，J，I，P，缺點(diǎn)是需要外界光源，目前，直接熒光法比調(diào)制熒光法有一些優(yōu)勢，如每次測量的信息更多、低功耗、高采樣檢測率、重量輕、多種環(huán)境下采集數(shù)據(jù)和成本低。
表2: 儀器可以測量的熒光參數(shù)
注：DA：測量暗適應(yīng)后的參數(shù)，在測量以前，ScanalyzerField系統(tǒng)會(huì)保留暗適應(yīng)的時(shí)間，在測量下一個(gè)植株之前，為避免前個(gè)植株的影響，這樣的測量要在晚上進(jìn)行。
LA：所有需要光適應(yīng)的參數(shù)都是在白天進(jìn)行，因?yàn)閮蓚€(gè)不同相片的光密度有可能不同，因此標(biāo)記LA的參數(shù)需要額外的處理，所有的數(shù)據(jù)才能夠進(jìn)行比較，同樣，可以利用激發(fā)光的10%作為光化光，用戶可以在測量前15分鐘調(diào)整光適應(yīng)。
DL：光-暗交替的參數(shù)只能是整個(gè)植株的平均值，這是因?yàn)橹参锏纳L和葉片位置改變所造成兩次測量差異。
2.6 NDVI/PRI 傳感器
NDVI傳感器運(yùn)行一次，便可以快速對田間進(jìn)行評價(jià)，NDVI傳感器同時(shí)可以測量PRI，這種傳感器適用于研究者研究整個(gè)田間的參數(shù)，而不是單一的植株。
NDVI 波段: 630±5 和 800±5 nm 峰值波長, 50納米和40納米的全寬度半值（FWHM）頻帶寬度。
PRI 波段: 531±3 和570±3 nm 峰值波長, 10納米全寬度半值（FWHM）頻帶寬度。
前部光學(xué)：
半球形：余弦校正聚四氟乙烯擴(kuò)散器，市場為半球形；
視場光闌：20°市場。
校準(zhǔn)：NIST可溯源校準(zhǔn)到已知的光譜福照度（W m-2 nm-1）或輻射率（W m-2 nm-1 sr-1 ）
精度： 光譜輻照度和輻射值在10%或更高
測量時(shí)間：< 300 ms
外形尺寸： 43 x 40 x 27mm
2.7 主動(dòng)反射傳感器
作物冠層傳感器Crop Circle ACS-430提供經(jīng)典的植物指數(shù)數(shù)據(jù)（NDVI和SRI等），以及來自植物冠層和土壤的基本反射信息。
與被動(dòng)傳感器不同，Crop Circle ACS-430不會(huì)受外界光強(qiáng)的限制，測量可以在白天或夜間進(jìn)行。
Crop Circle ACS-430傳感器可以安裝到各種類型的車輛上，并且進(jìn)行田間測量，緊湊的尺寸和低重量的設(shè)計(jì)使Crop Circle ACS-430可以很容易地適應(yīng)支桿安裝和手持式應(yīng)用。傳感器產(chǎn)生的信息可以被用于定量的營養(yǎng)物質(zhì)、水、疾病或其他生長條件對植物或作物的影響。
多通道光譜測量
ACS-430有三個(gè)可選的測量頻道，傳感器同時(shí)測量植物/土壤在670nm/730nm/780nm處的反射值，ACS-430傳感器的主要特點(diǎn)是測量時(shí)與高度無關(guān)，Hollａnd Scientific把這種反射測量稱作Pseudo Solar Reflectances (PSR)。因此光譜反射值會(huì)因?yàn)閭鞲衅鞯母叨榷淖?，因此不使用比例?jì)算，就可以獲得數(shù)十個(gè)參數(shù)。(來源于： -canopy -sensor/)
2.8 環(huán)境傳感器
2.8.1 天氣傳感器
CLIMA SENSOR US NHTFB（超聲波）傳感器可以實(shí)現(xiàn)免維護(hù)，且沒有可動(dòng)磨損部件，如或軸承等。
本系統(tǒng)可連接例如風(fēng)速、風(fēng)向、聲學(xué)虛擬溫度、空氣溫度、相對空氣濕度、亮度、空氣壓力、降雨量等傳感器，用于環(huán)境參數(shù)的收集。
2.9 常規(guī)傳感器
本系統(tǒng)可加載PAR傳感器、二氧化碳傳感器等。
德國IPK安裝的Rhizotrone根系分析系統(tǒng)，由德國LemnaTec設(shè)計(jì)、德國MK公司施工建設(shè)。相關(guān)視頻，請點(diǎn)擊：德國IPK安裝的Rhizotrone根系分析系統(tǒng)。
產(chǎn)地：德國LemnaTec
