1  自動化 Field^System 系統(tǒng)

Scanalyzer Field 是利用門式起重系統(tǒng)二設計和組建的3軸表型系統(tǒng)，X軸方向的運動是通過軌道系統(tǒng)進入地面，以允許自然排水和無障礙運行，如傳統(tǒng)的混凝土地基可以充當流動屏障，Y軸垂直于軌道，并且承擔攝像機設置的升降裝置，Z軸描述的是升降單元上下移動的方向。

X軸運動單元是由兩個變頻有源電源和兩個無源單元，將被綁定在支撐梁上，Y軸包括門式框架（鋁），并將保護Z軸的運動，Scanalyzer Field 系統(tǒng)的推進包括兩個電動逆變器供電引擎，驅動底部兩個齒輪傳輸，Y軸和Z軸同樣是由電動逆變器和齒條一起供應運轉。

這樣的設置可以使系統(tǒng)精密的在X、Y和Z軸上運動。

Scanalyzer Field 系統(tǒng)上的運行部件均來自其他手動或自動操作的系統(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

開始的時候，接受過培訓的人員利用遠程操作進行系統(tǒng)的運行；

每個試驗地的開始和結束位置，本步驟在每一個試驗開始前進行，在播種前就要做好；

一旦實驗設置被保存，用戶需要使用控制軟件選取接下來的參數(shù)，參數(shù)包括時間、頻率、地點等；

保證所有的圖像之間都有重復，保證每一個植株都會被測量到；

熒光測量時，如果是在晚上，要充分考慮到熒光對周圍植株的影響，不能緊接著進行測量。

1.3  系統(tǒng)精確度

ScanalyzerField 系統(tǒng)的精度可以達到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

因為所有的部件都采用工業(yè)標準，加載的重量遠遠低于設計時的承重能力，ScanalyzerField 系統(tǒng)可以持續(xù)使用5年以上的時間。

1.5  系統(tǒng)維護

盡管相機朝下且有保護附件，但是為了保證成像質量，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的外殼，清除殘余的水和殘渣。

在植物的生長季，如果ScanalyzerField 系統(tǒng)每天都要工作，那么每年進行一次檢查和預防性維護是非常必要的。

維護包括檢查所有滑動部件的潤滑性，也要對成像傳感器進行檢測，在儀器運行的前三年，不會跟換新的部件。

1.6  系統(tǒng)安全方案

1.6.1  ScanalyzerField系統(tǒng)常見風險

自動模式：

系統(tǒng)自動運行時，人員不能站在ScanalyzerField系統(tǒng)軌道間的任何區(qū)域；

ScanalyzerField系統(tǒng)會按照編輯的程序沿軌道進行運動，任何站在系統(tǒng)上方或離軌道較近的人員，都會有與ScanalyzerField系統(tǒng)碰撞的危險，系統(tǒng)自動運動的速度可達60min/min；

自動運行模式下，圖像采集臂可以在2米以下高度移動；

熒光成像技術使用短LED脈沖（1-2s），亮度相當于太陽光的4-6倍；

高度掃描設備包括可見激光。

手動模式：

手動模式下，操作者就會在運行系統(tǒng)的周邊，并且成像時，操作者需要與系統(tǒng)直接接觸；

系統(tǒng)不運行的情況下，傳感器的蓋子被打開，所有的安全模塊開啟且顯示危險警告。

1.6.2  ScanalyzerField系統(tǒng)風險應對

技術性

導軌放在土層以上，減少人員站在導軌上的風險；

ScanalyzerField系統(tǒng)會產生聲音和燈光信號，提醒周圍的工作人員；

ScanalyzerField系統(tǒng)的導軌如果碰到物體，不論在手動狀態(tài)或自動狀態(tài)，緊急開關會將ScanalyzerField系統(tǒng)緊急停止，

安全保險不能使用，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，可以使用緊急暫停按鈕。

人工操作時，ScanalyzerField系統(tǒng)運行時的速度是有限制的。

當人工操作系統(tǒng)時，激光和熒光的光源是停用的。

當遇到惡劣環(huán)境時，自動運行模式不能維持，ScanalyzerField系統(tǒng)會進入安全位置。

1.6.3  系統(tǒng)組織培訓

ScanalyzerField系統(tǒng)的操作者會接受單獨培訓。

系統(tǒng)維護人員需要較好掌握技術教育，并且接受ScanalyzerField系統(tǒng)的培訓。

整個ScanalyzerField系統(tǒng)的外側都應安裝有2m高的柵欄，并且進入柵欄區(qū)域的應該是接受過培訓的人，入口處應該粘貼安全條例。

2  傳感器平臺

圖 2: 傳感器平臺概念圖（最終版本可能有所不同）

每一種相機系統(tǒng)都單獨安裝在密封殼體內，并綁定在靈活可調的成像盒中，照相機箱的總有效載荷可以達到500公斤，允許靈活的增加傳感器。

主要特點：

天氣保護平臺，單獨保護傳感器；

卷簾門在平臺下面的對面，充分保護不在使用的傳感器；

夜間使用的鹵素燈同時具有加熱元件，可以防止傳感器溫度過低而表面水分凝結。

大?。?/strong>

3m 寬

1.5m 高

1.5m 深度

載重：

500kg

2.1 FLIR 紅外相機

相機與樣品距離、大氣溫度、相對濕度等環(huán)境參數(shù)對測量結果影響很大，因此定期的重校準很有必要。

結合前景/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。

成像和光學參數(shù) 焦距                             空間分辨率(IFOV) 鏡頭識別 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 1.0 < 0.05°C ，+30°C下 (+86°F) / 50 mK 25 Hz 50 Hz (100/200 Hz 和開窗) 自動或手動 (內裝電動機)

2.2 RGB 相機 

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 4/3式 5.5 µm F-Mount 14 bit 128 MB

2.3 高光譜傳感器

表1 ： 文獻中發(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相機成像（380-1000nm），黃色和紅色條可以通過VNIR相機（550-1700nm），近紅外相機不包含900nm以下的范圍，對于SWIR相機，已知的參數(shù)主要在纖維素和木質素相關的參數(shù)。

為了彌補不斷變化的現(xiàn)場光線，補償性設備會提供適量的光源，附加光源為鹵素燈，并且范圍在500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研究機構專門為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間間隔。

頂部視圖時，兩個單元將結合起來，詳見圖4.

兩個單元的交叉可以減少樹冠陰影面積的影響。

在側面掃描時，每個側視圖由四個單元組合成一個傳感器，光學元件和角度的選擇將根據(jù)臺架安裝的最終設計而改變。

每一個單元都包含傳感器頭和電腦，將傳感器信息結合到plc文件里。

圖4： 激光掃描設備從上部掃描植物冠層

2.5  用于PSII研究的熒光相機

熒光相機是使用直接熒光值，目前有一篇文獻（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，直接熒光和調制熒光技術，每一種技術都有優(yōu)勢和缺陷，隨著技術的發(fā)展，光電池和光電倍增管的低靈敏度要求高的激發(fā)光的強度，這樣使用直接熒光的方法是比較好的，但是有兩個缺點：（a）強大的激發(fā)光會引起一個快速的熒光上升；（b）快門開放的時間過長（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)光的強度，低強度調制光束激發(fā)衡量熒光，初始和熒光都可以進行測量，并且精度很高，但是仍有兩個限制：（a）該時間分辨率由調制和解調頻率的限制；（b）一種低成本調制熒光計以10微秒的時間12位信號的分辨率不可以實現(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步驟，F(xiàn)0，K，J，I，P，缺點是需要外界光源，目前，直接熒光法比調制熒光法有一些優(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：測量暗適應后的參數(shù)，在測量以前，ScanalyzerField系統(tǒng)會保留暗適應的時間，在測量下一個植株之前，為避免前個植株的影響，這樣的測量要在晚上進行。

LA：所有需要光適應的參數(shù)都是在白天進行，因為兩個不同相片的光密度有可能不同，因此標記LA的參數(shù)需要額外的處理，所有的數(shù)據(jù)才能夠進行比較，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分鐘調整光適應。

DL：光-暗交替的參數(shù)只能是整個植株的平均值，這是因為植物的生長和葉片位置改變所造成兩次測量差異。

2.6  NDVI/PRI 傳感器

NDVI傳感器運行一次，便可以快速對田間進行評價，NDVI傳感器同時可以測量PRI，這種傳感器適用于研究者研究整個田間的參數(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：

半球形：余弦校正聚四氟乙烯擴散器，市場為半球形；

視場光闌：20°市場。

校準：NIST可溯源校準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

測量時間：< 300 ms

外形尺寸： 43 x 40 x 27mm

2.7  主動反射傳感器

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。

與被動傳感器不同，Crop Circle ACS-430不會受外界光強的限制，測量可以在白天或夜間進行。

Crop Circle ACS-430傳感器可以安裝到各種類型的車輛上，并且進行田間測量，緊湊的尺寸和低重量的設計使Crop Circle ACS-430可以很容易地適應支桿安裝和手持式應用。傳感器產生的信息可以被用于定量的營養(yǎng)物質、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有三個可選的測量頻道，傳感器同時測量植物/土壤在670nm/730nm/780nm處的反射值，ACS-430傳感器的主要特點是測量時與高度無關，Hollａnd Scientific把這種反射測量稱作Pseudo Solar Reflectances (PSR)。因此光譜反射值會因為傳感器的高度而改變，因此不使用比例計算，就可以獲得數(shù)十個參數(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）傳感器可以實現(xiàn)免維護，且沒有可動磨損部件，如或軸承等。

本系統(tǒng)可連接例如風速、風向、聲學虛擬溫度、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設計、德國MK公司施工建設。相關視頻，請點擊：德國IPK安裝的Rhizotrone根系分析系統(tǒng)。

產地：德國LemnaTec