WIWAM植物表型成像系統由比利時(shí)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、自動(dòng) 化控制系統、葉綠素熒光成像測量分析、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(dòng)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(shí)現大量植物樣 品——從擬南芥、玉米到各種其它植物的生理生態(tài)與形態(tài)結構成像分析，用于高通量植物表型成像分析測量、植 物脅迫響應成像分析測量、植物生長(cháng)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。

室內植物表型成像系統WIWAM Line

機器人技術(shù)在植物生態(tài)表型分析中的最新進(jìn)展和潛力

植物生態(tài)表型信息的自動(dòng)獲取可以作為精準農業(yè)管理的決策依據，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(cháng)狀況、病蟲(chóng)害管理、水肥管理的詳細信息。由于植物的微觀(guān)成分和宏觀(guān)形態(tài)會(huì )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(shí)現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合已成為新興的研究熱點(diǎn)。機器人平臺和自動(dòng)化系統是實(shí)現大規模篩查的表型監測傳感器的重要載體。通過(guò)多樣化的設計和靈活的系統，可以在一系列實(shí)驗和現場(chǎng)平臺上實(shí)現高效運行。機器人技術(shù)和植物表型監測工具的結合為新型人工智能 (AI) 方法提供了數據，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測場(chǎng)景，所使用的智能機器人技術(shù)、高效的自動(dòng)化平臺和*傳感器設備進(jìn)行了詳細的總結。我們進(jìn)一步討論了當前研究面臨的挑戰以及機器人技術(shù)和植物生態(tài)表型應用的未來(lái)發(fā)展趨勢。這些包括將收集的數據用于人工智能應用程序和高帶寬數據傳輸，以及植物科學(xué)和農業(yè)中結構良好的大型（元）數據存儲方法。

無(wú)論是微觀(guān)層面還是宏觀(guān)層面的植物表型信息都與生態(tài)環(huán)境有著(zhù)密不可分的關(guān)系。單個(gè)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實(shí)的檢查應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對變化的方式。表型變化是植物對環(huán)境反應的具體表型。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(yǔ)，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?。┖头巧镆蛩兀ü饬亢唾|(zhì)量、養分、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(kāi)展一系列生態(tài)表型設施建設計劃，如圖1所示。 精確描述環(huán)境信息的元數據信息對于連接觀(guān)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(gè)可視化模塊

表型監測傳感器及相關(guān)傳感技術(shù)是植物生態(tài)表型分析的重要基礎。近年來(lái)，隨著(zhù)地物光譜監測技術(shù)的發(fā)展，光譜監測設備在植物生態(tài)表型研究中得到了更多的應用，實(shí)現了實(shí)時(shí)、無(wú)損、快速、高效的植物表型監測。根據感知原理的不同，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(cháng)下的光譜反射率，計算一些植被指數，實(shí)現表型參數反演。自地面特征光譜儀的研究開(kāi)始以來(lái)，一些提供準確結果的商業(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(lèi)似于溫室級系統，涉及表型監測傳感器、自動(dòng)化技術(shù)和機器人技術(shù)。但它們的種植面積和監測規模不同。溫室級系統雖然覆蓋面積大，但往往無(wú)法準確控制大部分生態(tài)因素。室級系統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于高度和受控的環(huán)境條件而出現的植物生態(tài)表型特征。時(shí)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，如圖4所示。

圖4.WIWAM XY植物系統

傳感器技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展、農業(yè)耕作技術(shù)的改進(jìn)以及高集成度土壤傳感器的進(jìn)步，都促進(jìn)了高精度小體積系統的工程——所謂的微型根管機。通過(guò)在土壤中嵌入傳感器，研究人員可以更準確地監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(shí)現更高的監測效率和降低成本。Ecotrons 代表了另一種類(lèi)型的 Mesocosm 級平臺，它試圖模擬更大范圍的環(huán)境整合。Ecotrons 是指復制的封閉式實(shí)驗系統，旨在復制地上和地下的現實(shí)環(huán)境條件，同時(shí)還測量一系列生態(tài)系統過(guò)程。除了監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)系統參數的影響，當前研究中使用的Econtrons系統如圖5所示。

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