PlantArray系統(tǒng)結(jié)合高光譜：測(cè)定日蒸騰速率和日反射率
本文介紹了一種用于監(jiān)測(cè)植物對(duì)非生物變化動(dòng)態(tài)響應(yīng)的新型高光譜生理系統(tǒng)。該系統(tǒng)將PlantArray（PA）3.0與一個(gè)定制的推掃式光譜成像系統(tǒng)相結(jié)合，在植物上方移動(dòng)，以高光譜和高空間分辨同時(shí)成像實(shí)驗(yàn)陣列中的幾十種植物。PA 3.0是一個(gè)完整的植物生理測(cè)量系統(tǒng)，因此采集的數(shù)據(jù)是通過平均植物光譜信號(hào)及其相應(yīng)的生理響應(yīng)進(jìn)行分析的。就已發(fā)表的文獻(xiàn)而言，這是首次嘗試使用移動(dòng)的高光譜相機(jī)、自然光和靜態(tài)植物（由生理測(cè)量系統(tǒng)（PA）連續(xù)監(jiān)測(cè)）進(jìn)行多個(gè)日間溫室測(cè)量。直接測(cè)量的性狀包括整個(gè)白天的瞬時(shí)蒸騰速率和每日蒸騰速率，以及每日和定期的植物減重和增重。該系統(tǒng)監(jiān)測(cè)和評(píng)估了辣椒植株對(duì)不同水平鉀肥的反應(yīng)。
該系統(tǒng)是在以色列雷霍沃特農(nóng)業(yè)食品和環(huán)境學(xué)院的一個(gè)半商業(yè)溫室中開發(fā)的。溫室的屋頂和側(cè)面板由透明的PVC材料制成，可以漫射進(jìn)入的自然光。為了將成本保持在最低水平，我們調(diào)整并安裝了一個(gè)移動(dòng)灌溉系統(tǒng)，安裝在位于溫室天花板的傳感器載體平臺(tái)上，以便以恒定速度將攝像機(jī)移動(dòng)到植株上方。使用一臺(tái)小型筆記本電腦控制相機(jī)并采集數(shù)據(jù)。由于相機(jī)和筆記本電腦位于溫室的天花板上，溫度和相對(duì)濕度可以達(dá)到45攝氏度和92%，為了解決這個(gè)問題，在計(jì)算機(jī)下面放置了一個(gè)額外的冷卻風(fēng)扇以及一個(gè)大的保護(hù)性聚苯乙烯板。另外，相機(jī)一直處于開啟狀態(tài)，以避免鏡頭內(nèi)部冷凝。該系統(tǒng)不會(huì)在植物上方投射陰影，不需要使用人工光源。白天（07:00–17:00）使用高光譜相機(jī)自動(dòng)拍攝植物圖像。該相機(jī)為推掃式傳感器，光譜范圍為400-1000nm，通常稱為VIS-NIR攝像機(jī)（可見光400-700 nm，近紅外700-1000 nm）。相機(jī)位于生長(zhǎng)臺(tái)上方2米處。72株辣椒幼苗在可控條件下播種，在發(fā)芽后約四周種植在盆中。
鉀被認(rèn)為是植物必需的大量營(yíng)養(yǎng)素。負(fù)責(zé)多種生理功能，如光合作用調(diào)節(jié)、酶激活、蛋白質(zhì)合成、滲透調(diào)節(jié)和氣孔調(diào)節(jié)。缺鉀影響保衛(wèi)細(xì)胞和氣孔關(guān)閉，這可能與較高的蒸騰作用有關(guān)。此外，鉀過�？梢源蟠鬁p少限制灌溉造成的谷物損失。然而，它在光譜的可見光和近紅外（VIS-NIR）部分缺乏直接吸收特性。使用PlantArray的計(jì)算機(jī)化灌溉管理系統(tǒng)，進(jìn)行了三種不同的鉀濃度處理：低鉀(L)、中鉀(M)和高鉀(H)。利用這兩個(gè)系統(tǒng)的連續(xù)監(jiān)測(cè)能力來跟蹤光譜的二次變化，并將光譜日變化與生理特征聯(lián)系起來。
通過追蹤不同濃度的鉀離子溶液處理引起的植物反射光譜曲線變化表明：測(cè)定時(shí)需要考慮數(shù)據(jù)融合和分析的最佳時(shí)間。盡管兩個(gè)處理組之間沒有發(fā)現(xiàn)每日蒸騰量差異，但缺鉀處理組的蒸騰速率在上午明顯較高，下午較小，而過量鉀僅在上午對(duì)蒸騰速率有顯著影響。
圖1 位于溫室中的稱重栽培花盆。使用四個(gè)滴頭提供水與營(yíng)養(yǎng)，通過塑料蓋限制水分蒸發(fā)。把花盆裝到一個(gè)綠色塑料容器中，收集預(yù)先確定的排水量。花盆和塑料容器放置在電子秤上，電子秤與PlantArray 3.0系統(tǒng)相連。
圖2 成像平臺(tái)在植株上方移動(dòng)時(shí)的視圖。該平臺(tái)由輕質(zhì)材料制成
圖3 溫室里生長(zhǎng)臺(tái)上72株辣椒的RGB圖像。相機(jī)從右向左移動(dòng)
表1 每日相機(jī)采樣數(shù)量
數(shù)據(jù)庫(kù)的3235個(gè)平均植物光譜來自13天內(nèi)拍攝的114幅圖像。低、中、高處理分別包括1061、849和1325個(gè)樣本。
圖4 圖像采集前后15分鐘由PlantArray計(jì)算平均蒸騰速率TR，圖像采集一共13天。蒸騰速率遵循每日模式，中午達(dá)到最大蒸騰速率。
圖5 7白天的平均蒸騰速率（顯著差異以不同大寫字母A、B、C表示）和不同處理組（高、中、低水平鉀肥，顯著差異以不同小寫字母a、b、c表示）。
圖6 三個(gè)處理組的平均反射率值：三天期間（上午-紅色、中午-綠色和下午-藍(lán)色）缺鉀（低，虛線）、中等（實(shí)線）和過剩（高，虛線）。（A1）整個(gè)反射區(qū)，（A2）可見光區(qū)反射率，（A3）近紅外區(qū)反射率，（B1）整個(gè)標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)變量（SNV）反射區(qū)（B2）可見區(qū)SNV，（B3）近紅外區(qū)SNV。
圖7 上午（n=2376）、中午（n=1970）和下午（n=3271）的標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)變量反射率和蒸騰速率之間的相關(guān)性系數(shù)。臨界相關(guān)值用紅色虛線標(biāo)記；選定的最大絕對(duì)相關(guān)波長(zhǎng)用紅色圓圈標(biāo)記。
相關(guān)產(chǎn)品：Plantarray植物高通量生理學(xué)特征監(jiān)測(cè)系統(tǒng)
該系統(tǒng)是在以色列雷霍沃特農(nóng)業(yè)食品和環(huán)境學(xué)院的一個(gè)半商業(yè)溫室中開發(fā)的。溫室的屋頂和側(cè)面板由透明的PVC材料制成，可以漫射進(jìn)入的自然光。為了將成本保持在最低水平，我們調(diào)整并安裝了一個(gè)移動(dòng)灌溉系統(tǒng)，安裝在位于溫室天花板的傳感器載體平臺(tái)上，以便以恒定速度將攝像機(jī)移動(dòng)到植株上方。使用一臺(tái)小型筆記本電腦控制相機(jī)并采集數(shù)據(jù)。由于相機(jī)和筆記本電腦位于溫室的天花板上，溫度和相對(duì)濕度可以達(dá)到45攝氏度和92%，為了解決這個(gè)問題，在計(jì)算機(jī)下面放置了一個(gè)額外的冷卻風(fēng)扇以及一個(gè)大的保護(hù)性聚苯乙烯板。另外，相機(jī)一直處于開啟狀態(tài)，以避免鏡頭內(nèi)部冷凝。該系統(tǒng)不會(huì)在植物上方投射陰影，不需要使用人工光源。白天（07:00–17:00）使用高光譜相機(jī)自動(dòng)拍攝植物圖像。該相機(jī)為推掃式傳感器，光譜范圍為400-1000nm，通常稱為VIS-NIR攝像機(jī)（可見光400-700 nm，近紅外700-1000 nm）。相機(jī)位于生長(zhǎng)臺(tái)上方2米處。72株辣椒幼苗在可控條件下播種，在發(fā)芽后約四周種植在盆中。
鉀被認(rèn)為是植物必需的大量營(yíng)養(yǎng)素。負(fù)責(zé)多種生理功能，如光合作用調(diào)節(jié)、酶激活、蛋白質(zhì)合成、滲透調(diào)節(jié)和氣孔調(diào)節(jié)。缺鉀影響保衛(wèi)細(xì)胞和氣孔關(guān)閉，這可能與較高的蒸騰作用有關(guān)。此外，鉀過�？梢源蟠鬁p少限制灌溉造成的谷物損失。然而，它在光譜的可見光和近紅外（VIS-NIR）部分缺乏直接吸收特性。使用PlantArray的計(jì)算機(jī)化灌溉管理系統(tǒng)，進(jìn)行了三種不同的鉀濃度處理：低鉀(L)、中鉀(M)和高鉀(H)。利用這兩個(gè)系統(tǒng)的連續(xù)監(jiān)測(cè)能力來跟蹤光譜的二次變化，并將光譜日變化與生理特征聯(lián)系起來。
通過追蹤不同濃度的鉀離子溶液處理引起的植物反射光譜曲線變化表明：測(cè)定時(shí)需要考慮數(shù)據(jù)融合和分析的最佳時(shí)間。盡管兩個(gè)處理組之間沒有發(fā)現(xiàn)每日蒸騰量差異，但缺鉀處理組的蒸騰速率在上午明顯較高，下午較小，而過量鉀僅在上午對(duì)蒸騰速率有顯著影響。
圖1 位于溫室中的稱重栽培花盆。使用四個(gè)滴頭提供水與營(yíng)養(yǎng)，通過塑料蓋限制水分蒸發(fā)。把花盆裝到一個(gè)綠色塑料容器中，收集預(yù)先確定的排水量。花盆和塑料容器放置在電子秤上，電子秤與PlantArray 3.0系統(tǒng)相連。
圖2 成像平臺(tái)在植株上方移動(dòng)時(shí)的視圖。該平臺(tái)由輕質(zhì)材料制成
圖3 溫室里生長(zhǎng)臺(tái)上72株辣椒的RGB圖像。相機(jī)從右向左移動(dòng)
表1 每日相機(jī)采樣數(shù)量
數(shù)據(jù)庫(kù)的3235個(gè)平均植物光譜來自13天內(nèi)拍攝的114幅圖像。低、中、高處理分別包括1061、849和1325個(gè)樣本。
圖4 圖像采集前后15分鐘由PlantArray計(jì)算平均蒸騰速率TR，圖像采集一共13天。蒸騰速率遵循每日模式，中午達(dá)到最大蒸騰速率。
圖5 7白天的平均蒸騰速率（顯著差異以不同大寫字母A、B、C表示）和不同處理組（高、中、低水平鉀肥，顯著差異以不同小寫字母a、b、c表示）。
圖6 三個(gè)處理組的平均反射率值：三天期間（上午-紅色、中午-綠色和下午-藍(lán)色）缺鉀（低，虛線）、中等（實(shí)線）和過剩（高，虛線）。（A1）整個(gè)反射區(qū)，（A2）可見光區(qū)反射率，（A3）近紅外區(qū)反射率，（B1）整個(gè)標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)變量（SNV）反射區(qū)（B2）可見區(qū)SNV，（B3）近紅外區(qū)SNV。
圖7 上午（n=2376）、中午（n=1970）和下午（n=3271）的標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)變量反射率和蒸騰速率之間的相關(guān)性系數(shù)。臨界相關(guān)值用紅色虛線標(biāo)記；選定的最大絕對(duì)相關(guān)波長(zhǎng)用紅色圓圈標(biāo)記。
原文出處
Shahar Weksler, O_er Rozenstein, et al. A Hyperspectral-Physiological Phenomics System: Measuring Diurnal Transpiration Rates and Diurnal Reflectance. Remote Sens. 2020,12(9), 1493.
Shahar Weksler, O_er Rozenstein, et al. A Hyperspectral-Physiological Phenomics System: Measuring Diurnal Transpiration Rates and Diurnal Reflectance. Remote Sens. 2020,12(9), 1493.
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