高通量作物表型监测：育种和精准农业发展的加速器

室外表型监测平台

车载及背包式移动监测平台

作物的通量表型监测在控制条件下易于实现，在田间则面临着环境因素互作、高密度种植等难点。鉴于田间监控的尺度和精度问题，车载平台成为首选。在 Crop 3D平台系统中，以遥控的智能移动小车（unmanned ground vehicle，UGV）搭载激光雷达实现作物冠层三维数据的快速高效采集（图 1b）。该遥控移动平台以“一机多用、一专多能”为目标，具备多种传感器搭载能力，可根据实际需求选配传感器模块。同时，系统配备升降模块以便根据作物的生长高度自动化调节传感器平台高度，最终实现长距离、大范围的样地数据采集。

由于田间土壤分布异质化等特点，车载系统在行进过程中不可避免地存在颠簸和抖动。在这套车载系统中，移动激光雷达系统主要由激光测距单元、惯性测量单元（inertial measurement unit，IMU）和全球定位系统（GPS）、同步控制单元和数据存储单元等 4 个部分组成配合实时记录数据采集过程中传感器的轨迹和姿态信息，用于数据的后期结算。作物三维冠层点云数据的点云精度与传感器自身精度相关，点云密度则与车载平台行进速度相关。Crop 3D 车载系统的行进速度可根据需求自定义，范围在 0.1—2 m/s。总体上看，车载系统集成度高，机电及电子系统一体化。数据采集模块与载具平台可通过标准硬件接口实现对接关联，其可迁移性强，且灵活度高，除搭载于田间移动平台之外，还可挂载于无人机和飞艇等平台。

背包式移动监测平台是近些年出现的新型搭载平台，通过将传感器集成在简易的背负系统上可灵活轻便地完成目标区域的数据采集。目前，较为成熟的为背包式室内外一体化激光雷达扫描系统，该系统结合激光雷达和同步定位与地图构建技术，可实时获取周围环境的高精度三维点云数据，已成功应用于室内外一体化测量、林业资源普查、地下空间信息获取等领域（图3a）。借鉴于这一概念，将农业监测所需传感器，如相机、植物冠层仪等与之相集成，有望实现田间作物的冠层数据快速获取。

田间固定监测平台

针对长期固定的观测样地，固定的“龙门架”平台不失为一个好的选择。通过在田间搭建固定的支架，或者在既有的观测塔等平台上安装相应的传感器，从而达到对固定有效测区内作物的连续观测。种植模式决定了田间的表型数据获取只能采用“sensor-to-plant”的方式。因此，目前正在搭建的固定架平台通常以方正形为框架，传感器模块以步进式的循环移动完成覆盖区域内的扫描，总体上与室内固定平台（图 1a）的运行模式类似。这种平台模式的扫描适用于长期的样方监测以完成优质品种的田间筛选或胁迫相关表型的数量基因性状鉴定。但与室内平台相比，固定架平台由于暴露于自然环境下，需要持续关注和维护平台的整体性，因此需消耗一定成本（图 3c）。

无人机监测平台

由于采集速度和面积的限制，针对大范围的农田冠层数据采集，车载系统存在一定的时间不同步性，某种程度上会导致一些冠层参数的误差。过去 20 年中，无人机平台在大尺度的农业估产和受灾评估中得到了广泛的应用。与传统机载平台相比，无人机平台载荷受限和续航时间短等问题常成为其应用的局限。自主研发的 8 轴旋翼无人机平台有效载荷达到 5 kg，有效巡航半径 2 km，续航时间最高可达 30 min（载荷 4 kg 时）。以无人机激光雷达为例（图 3d），其测距精度在 10 mm，测距范围覆盖 3—920 m，采用近红外波段激光，最大有效果测量速率可达 500 000点/s。利用该平台可快速获取大面积的作物三维点云，除可计算与作物光合、产量相关的表型参数（叶面积指数、覆盖度、作物株高等）外，还可以获取厘米级的精细地形，从而为厘清地形因素的表型差异提供数据支持。