室外表型監(jiān)測(cè)平臺(tái)

車載及背包式移動(dòng)監(jiān)測(cè)平臺(tái)

作物的通量表型監(jiān)測(cè)在控制條件下易于實(shí)現(xiàn)，在田間則面臨著環(huán)境因素互作、高密度種植等難點(diǎn)。鑒于田間監(jiān)控的尺度和精度問(wèn)題，車載平臺(tái)成為首選。在?Crop 3D平臺(tái)系統(tǒng)中，以遙控的智能移動(dòng)小車（unmanned ground vehicle，UGV）搭載激光雷達(dá)實(shí)現(xiàn)作物冠層三維數(shù)據(jù)的快速高效采集（圖?1b）。該遙控移動(dòng)平臺(tái)以“一機(jī)多用、一專多能”為目標(biāo)，具備多種傳感器搭載能力，可根據(jù)實(shí)際需求選配傳感器模塊。同時(shí)，系統(tǒng)配備升降模塊以便根據(jù)作物的生長(zhǎng)高度自動(dòng)化調(diào)節(jié)傳感器平臺(tái)高度，最終實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離、大范圍的樣地?cái)?shù)據(jù)采集。

由于田間土壤分布異質(zhì)化等特點(diǎn)，車載系統(tǒng)在行進(jìn)過(guò)程中不可避免地存在顛簸和抖動(dòng)。在這套車載系統(tǒng)中，移動(dòng)激光雷達(dá)系統(tǒng)主要由激光測(cè)距單元、慣性測(cè)量單元（inertial measurement unit，IMU）和全球定位系統(tǒng)（GPS）、同步控制單元和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元等?4?個(gè)部分組成配合實(shí)時(shí)記錄數(shù)據(jù)采集過(guò)程中傳感器的軌跡和姿態(tài)信息，用于數(shù)據(jù)的后期結(jié)算。作物三維冠層點(diǎn)云數(shù)據(jù)的點(diǎn)云精度與傳感器自身精度相關(guān)，點(diǎn)云密度則與車載平臺(tái)行進(jìn)速度相關(guān)。Crop 3D?車載系統(tǒng)的行進(jìn)速度可根據(jù)需求自定義，范圍在?0.1—2?m/s。總體上看，車載系統(tǒng)集成度高，機(jī)電及電子系統(tǒng)一體化。數(shù)據(jù)采集模塊與載具平臺(tái)可通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)硬件接口實(shí)現(xiàn)對(duì)接關(guān)聯(lián)，其可遷移性強(qiáng)，且靈活度高，除搭載于田間移動(dòng)平臺(tái)之外，還可掛載于無(wú)人機(jī)和飛艇等平臺(tái)。

背包式移動(dòng)監(jiān)測(cè)平臺(tái)是近些年出現(xiàn)的新型搭載平臺(tái)，通過(guò)將傳感器集成在簡(jiǎn)易的背負(fù)系統(tǒng)上可靈活輕便地完成目標(biāo)區(qū)域的數(shù)據(jù)采集。目前，較為成熟的為背包式室內(nèi)外一體化激光雷達(dá)掃描系統(tǒng)，該系統(tǒng)結(jié)合激光雷達(dá)和同步定位與地圖構(gòu)建技術(shù)，可實(shí)時(shí)獲取周圍環(huán)境的高精度三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，已成功應(yīng)用于室內(nèi)外一體化測(cè)量、林業(yè)資源普查、地下空間信息獲取等領(lǐng)域（圖3a）。借鑒于這一概念，將農(nóng)業(yè)監(jiān)測(cè)所需傳感器，如相機(jī)、植物冠層儀等與之相集成，有望實(shí)現(xiàn)田間作物的冠層數(shù)據(jù)快速獲取。

田間固定監(jiān)測(cè)平臺(tái)

針對(duì)長(zhǎng)期固定的觀測(cè)樣地，固定的“龍門架”平臺(tái)不失為一個(gè)好的選擇。通過(guò)在田間搭建固定的支架，或者在既有的觀測(cè)塔等平臺(tái)上安裝相應(yīng)的傳感器，從而達(dá)到對(duì)固定有效測(cè)區(qū)內(nèi)作物的連續(xù)觀測(cè)。種植模式?jīng)Q定了田間的表型數(shù)據(jù)獲取只能采用“sensor-to-plant”的方式。因此，目前正在搭建的固定架平臺(tái)通常以方正形為框架，傳感器模塊以步進(jìn)式的循環(huán)移動(dòng)完成覆蓋區(qū)域內(nèi)的掃描，總體上與室內(nèi)固定平臺(tái)（圖?1a）的運(yùn)行模式類似。這種平臺(tái)模式的掃描適用于長(zhǎng)期的樣方監(jiān)測(cè)以完成優(yōu)質(zhì)品種的田間篩選或脅迫相關(guān)表型的數(shù)量基因性狀鑒定。但與室內(nèi)平臺(tái)相比，固定架平臺(tái)由于暴露于自然環(huán)境下，需要持續(xù)關(guān)注和維護(hù)平臺(tái)的整體性，因此需消耗一定成本（圖?3c）。

無(wú)人機(jī)監(jiān)測(cè)平臺(tái)

由于采集速度和面積的限制，針對(duì)大范圍的農(nóng)田冠層數(shù)據(jù)采集，車載系統(tǒng)存在一定的時(shí)間不同步性，某種程度上會(huì)導(dǎo)致一些冠層參數(shù)的誤差。過(guò)去?20?年中，無(wú)人機(jī)平臺(tái)在大尺度的農(nóng)業(yè)估產(chǎn)和受災(zāi)評(píng)估中得到了廣泛的應(yīng)用。與傳統(tǒng)機(jī)載平臺(tái)相比，無(wú)人機(jī)平臺(tái)載荷受限和續(xù)航時(shí)間短等問(wèn)題常成為其應(yīng)用的局限。自主研發(fā)的?8?軸旋翼無(wú)人機(jī)平臺(tái)有效載荷達(dá)到?5?kg，有效巡航半徑?2?km，續(xù)航時(shí)間最高可達(dá)?30?min（載荷?4?kg?時(shí)）。以無(wú)人機(jī)激光雷達(dá)為例（圖?3d），其測(cè)距精度在?10?mm，測(cè)距范圍覆蓋?3—920?m，采用近紅外波段激光，最大有效果測(cè)量速率可達(dá)?500?000點(diǎn)/s。利用該平臺(tái)可快速獲取大面積的作物三維點(diǎn)云，除可計(jì)算與作物光合、產(chǎn)量相關(guān)的表型參數(shù)（葉面積指數(shù)、覆蓋度、作物株高等）外，還可以獲取厘米級(jí)的精細(xì)地形，從而為厘清地形因素的表型差異提供數(shù)據(jù)支持。