WIWAM植物表型平臺:機器人技術(shù)在表型研究中的應(yīng)用

WIWAM植物表型成像系統(tǒng)由比利時SMO公司與Ghent大學(xué)VIB研究所研制生產(chǎn)，整合了LED植物智能培養(yǎng)、自動 化控制系統(tǒng)、葉綠素?zé)晒獬上駵y量分析、植物熱成像分析、植物近紅外成像分析、植物高光譜分析、植物多光譜分 析、植物CT斷層掃描分析、自動條碼識別管理、RGB真彩3D成像等多項*技術(shù)，以較優(yōu)化的方式實現(xiàn)大量植物樣 品——從擬南芥、玉米到各種其它植物的生理生態(tài)與形態(tài)結(jié)構(gòu)成像分析，用于高通量植物表型成像分析測量、植 物脅迫響應(yīng)成像分析測量、植物生長分析測量、生態(tài)毒理學(xué)研究、性狀識別及植物生理生態(tài)分析研究等。

室內(nèi)植物表型成像系統(tǒng)WIWAM Line

機器人技術(shù)在植物生態(tài)表型分析中的最新進展和潛力

植物生態(tài)表型信息的自動獲取可以作為精準農(nóng)業(yè)管理的決策依據(jù)，也可以為植物育種者和植物生理學(xué)家提供有關(guān)植物生長狀況、病蟲害管理、水肥管理的詳細信息。由于植物的微觀成分和宏觀形態(tài)會受到生態(tài)環(huán)境的影響，因此植物生態(tài)表型的研究比單一植物表型的研究更有意義。為了實現(xiàn)表型信息的高通量獲取，高精度傳感器與智能機器人平臺的結(jié)合已成為新興的研究熱點。機器人平臺和自動化系統(tǒng)是實現(xiàn)大規(guī)模篩查的表型監(jiān)測傳感器的重要載體。通過多樣化的設(shè)計和靈活的系統(tǒng)，可以在一系列實驗和現(xiàn)場平臺上實現(xiàn)高效運行。機器人技術(shù)和植物表型監(jiān)測工具的結(jié)合為新型人工智能 (AI) 方法提供了數(shù)據(jù)，這些方法將為新的研究突破提供墊腳石。因此，本文介紹了機器人技術(shù)和生態(tài)表型，并研究了對植物生態(tài)表型這一新領(lǐng)域具有重要意義的研究。鑒于不同尺度表型信息的監(jiān)測場景，所使用的智能機器人技術(shù)、高效的自動化平臺和*傳感器設(shè)備進行了詳細的總結(jié)。我們進一步討論了當(dāng)前研究面臨的挑戰(zhàn)以及機器人技術(shù)和植物生態(tài)表型應(yīng)用的未來發(fā)展趨勢。這些包括將收集的數(shù)據(jù)用于人工智能應(yīng)用程序和高帶寬數(shù)據(jù)傳輸，以及植物科學(xué)和農(nóng)業(yè)中結(jié)構(gòu)良好的大型（元）數(shù)據(jù)存儲方法。

無論是微觀層面還是宏觀層面的植物表型信息都與生態(tài)環(huán)境有著密不可分的關(guān)系。單個植物的發(fā)育也受到與（相鄰）植物、微生物、其他生物的相互作用的影響，因此對植物性能的更現(xiàn)實的檢查應(yīng)該包括生物相互作用對植物表型的影響。例子包括研究植物微生物組的作用；在地上和地下定殖植物的細菌和真菌種群。生態(tài)環(huán)境中的植物有多種應(yīng)對變化的方式。表型變化是植物對環(huán)境反應(yīng)的具體表型。為了加深表型信息與生態(tài)環(huán)境的關(guān)系，使其更具針對性，荷蘭植物生態(tài)表型中心（NPEC）的研究人員首先提出了生態(tài)表型這一術(shù)語，并將其定義為生態(tài)相關(guān)條件下的植物表型。生態(tài)條件主要包括生物因素（微生物組相互作用、競爭、疾病）和非生物因素（光量和質(zhì)量、養(yǎng)分、溫度、水分、土壤 pH 值和大氣 CO2 水平）。針對生態(tài)表型的概念，他們也正在開展一系列生態(tài)表型設(shè)施建設(shè)計劃，如圖1所示。 精確描述環(huán)境信息的元數(shù)據(jù)信息對于連接觀察到的表型變異和基因型變異與環(huán)境差異。

圖1.荷蘭植物生態(tài)表型中心六個可視化模塊

表型監(jiān)測傳感器及相關(guān)傳感技術(shù)是植物生態(tài)表型分析的重要基礎(chǔ)。近年來，隨著地物光譜監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展，光譜監(jiān)測設(shè)備在植物生態(tài)表型研究中得到了更多的應(yīng)用，實現(xiàn)了實時、無損、快速、高效的植物表型監(jiān)測。根據(jù)感知原理的不同，這些傳感器主要有地物光譜儀、光譜成像傳感器和其他成像光譜儀，如圖2所示。

圖2.用于植物生態(tài)表型分析的機器人平臺、表型傳感器和表型參數(shù)圖

地物光譜儀可以利用光電二極管、光纖等光電傳感裝置，采集作物冠層在特定波長下的光譜反射率，計算一些植被指數(shù)，實現(xiàn)表型參數(shù)反演。自地面特征光譜儀的研究開始以來，一些提供準確結(jié)果的商業(yè)儀器已被廣泛使用。光譜成像傳感器可用于獲取比地面特征光譜儀包含更多信息的特定波段的光譜圖像，基于成像傳感器的植物表型分析的基本工作流程如圖3所示。 根據(jù)獲取的光譜波段的差異圖像，光譜成像傳感器包括RGB相機、多光譜相機、高光譜相機、熒光相機、熱成像相機等。

圖3.基于成像傳感器的植物表型分析的基本工作流程

室級生態(tài)表型類似于溫室級系統(tǒng)，涉及表型監(jiān)測傳感器、自動化技術(shù)和機器人技術(shù)。但它們的種植面積和監(jiān)測規(guī)模不同。溫室級系統(tǒng)雖然覆蓋面積大，但往往無法準確控制大部分生態(tài)因素。室級系統(tǒng)使用相對較小的房間，可以準確控制溫度、水、二氧化碳、光照條件、疾病感染以及其他生物和非生物壓力。這允許更準確地量化響應(yīng)于高度和受控的環(huán)境條件而出現(xiàn)的植物生態(tài)表型特征。時至今日，已經(jīng)有許多基于高精度和高通量機器人平臺的利用室級植物生態(tài)表型的成功項目，例如WIWAM XY植物表型系統(tǒng)，如圖4所示。

圖4.WIWAM XY植物系統(tǒng)

傳感器技術(shù)的進一步發(fā)展、農(nóng)業(yè)耕作技術(shù)的改進以及高集成度土壤傳感器的進步，都促進了高精度小體積系統(tǒng)的工程——所謂的微型根管機。通過在土壤中嵌入傳感器，研究人員可以更準確地監(jiān)測根系表型和土壤信息。得益于*傳感器技術(shù)，研究人員可以實現(xiàn)更高的監(jiān)測效率和降低成本。Ecotrons 代表了另一種類型的 Mesocosm 級平臺，它試圖模擬更大范圍的環(huán)境整合。Ecotrons 是指復(fù)制的封閉式實驗系統(tǒng)，旨在復(fù)制地上和地下的現(xiàn)實環(huán)境條件，同時還測量一系列生態(tài)系統(tǒng)過程。除了監(jiān)測土壤和植物根系表型外，Ecotrons 還可以模擬各種自然環(huán)境條件，不僅可以更好地監(jiān)測不同生態(tài)環(huán)境因素對植物表型信息的影響，還可以跟蹤這些因素對一系列生態(tài)系統(tǒng)參數(shù)的影響，當(dāng)前研究中使用的Econtrons系統(tǒng)如圖5所示。

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