高通量作物表型监测：育种和精准农业发展的加速器

自主研发作物表型监测系统——Crop3D

室内固定监测平台

Crop 3D 作为国内首套高通量作物三维表型监测系统，2014 年由中国科学院植物研究所研发，包括室内固定平台、室外移动监测平台、无人机监测平台，以及在建的田间大型固定监测平台。室内平台集成了激光雷达、高分辨率相机、多光谱和热成像仪 4 种传感器，采用“sensor-to-plant”的工作方式 240 s 可完成框架内 20 m²面积的作物扫描（图 1a）。其中，激光雷达获取的点云数据能够提供毫米级精度的表型结构信息，在作物叶倾角、叶面积密度、叶面积指数、作物三维体积等三维结构参数提取方面有不可比拟的优势；高分影像提供了群体水平完整的冠层覆盖信息，为作物三维重建时提供了丰富的纹理信息；高光谱图像通过拼接、校正、匀色等处理，提供了高空间分辨率的植被指数，可应用于作物长势、作物生理状态评估；热成像仪提供了作物冠层温度的全天候监测，可实时地反映作物在生长胁迫下的生理状态。为了实现不同温室环境内的数据采集，研发的小型室内移动搭载平台将固定式搭载平台的传感器模块进行移植，可跨温室作业，更加灵活轻便（图 1b）。

为了便于多源数据分析，Crop 3D 软件模块集成了基于激光雷达点云数据的单株分割和枝叶分离算法，实现了群体到单株，单株到叶片多个水平表型结构参数的自动化、高通量提取（如冠层覆盖度、冠层高度模型、株高、叶倾角等）（图 2）。此外，软件模块还包括点云和影像数据融合、植被指数提取以及温度分析等功能，为植物表型和生理生态等研究提供了充分、全面的支持。