PlantArray系统结合高光谱：测定日蒸腾速率和日反射率
本文介绍了一种用于监测植物对非生物变化动态响应的新型高光谱生理系统。该系统将PlantArray（PA）3.0与一个定制的推扫式光谱成像系统相结合，在植物上方移动，以高光谱和高空间分辨同时成像实验阵列中的几十种植物。PA 3.0是一个完整的植物生理测量系统，因此采集的数据是通过平均植物光谱信号及其相应的生理响应进行分析的。就已发表的文献而言，这是首次尝试使用移动的高光谱相机、自然光和静态植物（由生理测量系统（PA）连续监测）进行多个日间温室测量。直接测量的性状包括整个白天的瞬时蒸腾速率和每日蒸腾速率，以及每日和定期的植物减重和增重。该系统监测和评估了辣椒植株对不同水平钾肥的反应。
该系统是在以色列雷霍沃特农业食品和环境学院的一个半商业温室中开发的。温室的屋顶和侧面板由透明的PVC材料制成，可以漫射进入的自然光。为了将成本保持在最低水平，我们调整并安装了一个移动灌溉系统，安装在位于温室天花板的传感器载体平台上，以便以恒定速度将摄像机移动到植株上方。使用一台小型笔记本电脑控制相机并采集数据。由于相机和笔记本电脑位于温室的天花板上，温度和相对湿度可以达到45摄氏度和92%，为了解决这个问题，在计算机下面放置了一个额外的冷却风扇以及一个大的保护性聚苯乙烯板。另外，相机一直处于开启状态，以避免镜头内部冷凝。该系统不会在植物上方投射阴影，不需要使用人工光源。白天（07:00–17:00）使用高光谱相机自动拍摄植物图像。该相机为推扫式传感器，光谱范围为400-1000nm，通常称为VIS-NIR摄像机（可见光400-700 nm，近红外700-1000 nm）。相机位于生长台上方2米处。72株辣椒幼苗在可控条件下播种，在发芽后约四周种植在盆中。
钾被认为是植物必需的大量营养素。负责多种生理功能，如光合作用调节、酶激活、蛋白质合成、渗透调节和气孔调节。缺钾影响保卫细胞和气孔关闭，这可能与较高的蒸腾作用有关。此外，钾过剩可以大大减少限制灌溉造成的谷物损失。然而，它在光谱的可见光和近红外（VIS-NIR）部分缺乏直接吸收特性。使用PlantArray的计算机化灌溉管理系统，进行了三种不同的钾浓度处理：低钾(L)、中钾(M)和高钾(H)。利用这两个系统的连续监测能力来跟踪光谱的二次变化，并将光谱日变化与生理特征联系起来。
通过追踪不同浓度的钾离子溶液处理引起的植物反射光谱曲线变化表明：测定时需要考虑数据融合和分析的最佳时间。尽管两个处理组之间没有发现每日蒸腾量差异，但缺钾处理组的蒸腾速率在上午明显较高，下午较小，而过量钾仅在上午对蒸腾速率有显著影响。
图1 位于温室中的称重栽培花盆。使用四个滴头提供水与营养，通过塑料盖限制水分蒸发。把花盆装到一个绿色塑料容器中，收集预先确定的排水量。花盆和塑料容器放置在电子秤上，电子秤与PlantArray 3.0系统相连。
图2 成像平台在植株上方移动时的视图。该平台由轻质材料制成
图3 温室里生长台上72株辣椒的RGB图像。相机从右向左移动
表1 每日相机采样数量
数据库的3235个平均植物光谱来自13天内拍摄的114幅图像。低、中、高处理分别包括1061、849和1325个样本。
图4 图像采集前后15分钟由PlantArray计算平均蒸腾速率TR，图像采集一共13天。蒸腾速率遵循每日模式，中午达到最大蒸腾速率。
图5 7白天的平均蒸腾速率（显著差异以不同大写字母A、B、C表示）和不同处理组（高、中、低水平钾肥，显著差异以不同小写字母a、b、c表示）。
图6 三个处理组的平均反射率值：三天期间（上午-红色、中午-绿色和下午-蓝色）缺钾（低，虚线）、中等（实线）和过剩（高，虚线）。（A1）整个反射区，（A2）可见光区反射率，（A3）近红外区反射率，（B1）整个标准正态变量（SNV）反射区（B2）可见区SNV，（B3）近红外区SNV。
图7 上午（n=2376）、中午（n=1970）和下午（n=3271）的标准正态变量反射率和蒸腾速率之间的相关性系数。临界相关值用红色虚线标记；选定的最大绝对相关波长用红色圆圈标记。
相关产品：Plantarray植物高通量生理学特征监测系统
该系统是在以色列雷霍沃特农业食品和环境学院的一个半商业温室中开发的。温室的屋顶和侧面板由透明的PVC材料制成，可以漫射进入的自然光。为了将成本保持在最低水平，我们调整并安装了一个移动灌溉系统，安装在位于温室天花板的传感器载体平台上，以便以恒定速度将摄像机移动到植株上方。使用一台小型笔记本电脑控制相机并采集数据。由于相机和笔记本电脑位于温室的天花板上，温度和相对湿度可以达到45摄氏度和92%，为了解决这个问题，在计算机下面放置了一个额外的冷却风扇以及一个大的保护性聚苯乙烯板。另外，相机一直处于开启状态，以避免镜头内部冷凝。该系统不会在植物上方投射阴影，不需要使用人工光源。白天（07:00–17:00）使用高光谱相机自动拍摄植物图像。该相机为推扫式传感器，光谱范围为400-1000nm，通常称为VIS-NIR摄像机（可见光400-700 nm，近红外700-1000 nm）。相机位于生长台上方2米处。72株辣椒幼苗在可控条件下播种，在发芽后约四周种植在盆中。
钾被认为是植物必需的大量营养素。负责多种生理功能，如光合作用调节、酶激活、蛋白质合成、渗透调节和气孔调节。缺钾影响保卫细胞和气孔关闭，这可能与较高的蒸腾作用有关。此外，钾过剩可以大大减少限制灌溉造成的谷物损失。然而，它在光谱的可见光和近红外（VIS-NIR）部分缺乏直接吸收特性。使用PlantArray的计算机化灌溉管理系统，进行了三种不同的钾浓度处理：低钾(L)、中钾(M)和高钾(H)。利用这两个系统的连续监测能力来跟踪光谱的二次变化，并将光谱日变化与生理特征联系起来。
通过追踪不同浓度的钾离子溶液处理引起的植物反射光谱曲线变化表明：测定时需要考虑数据融合和分析的最佳时间。尽管两个处理组之间没有发现每日蒸腾量差异，但缺钾处理组的蒸腾速率在上午明显较高，下午较小，而过量钾仅在上午对蒸腾速率有显著影响。
图1 位于温室中的称重栽培花盆。使用四个滴头提供水与营养，通过塑料盖限制水分蒸发。把花盆装到一个绿色塑料容器中，收集预先确定的排水量。花盆和塑料容器放置在电子秤上，电子秤与PlantArray 3.0系统相连。
图2 成像平台在植株上方移动时的视图。该平台由轻质材料制成
图3 温室里生长台上72株辣椒的RGB图像。相机从右向左移动
表1 每日相机采样数量
数据库的3235个平均植物光谱来自13天内拍摄的114幅图像。低、中、高处理分别包括1061、849和1325个样本。
图4 图像采集前后15分钟由PlantArray计算平均蒸腾速率TR，图像采集一共13天。蒸腾速率遵循每日模式，中午达到最大蒸腾速率。
图5 7白天的平均蒸腾速率（显著差异以不同大写字母A、B、C表示）和不同处理组（高、中、低水平钾肥，显著差异以不同小写字母a、b、c表示）。
图6 三个处理组的平均反射率值：三天期间（上午-红色、中午-绿色和下午-蓝色）缺钾（低，虚线）、中等（实线）和过剩（高，虚线）。（A1）整个反射区，（A2）可见光区反射率，（A3）近红外区反射率，（B1）整个标准正态变量（SNV）反射区（B2）可见区SNV，（B3）近红外区SNV。
图7 上午（n=2376）、中午（n=1970）和下午（n=3271）的标准正态变量反射率和蒸腾速率之间的相关性系数。临界相关值用红色虚线标记；选定的最大绝对相关波长用红色圆圈标记。
原文出处
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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