1 自動化 FieldSystem 系統
Scanalyzer Field 是(shi)利用(yong)門式起重系統二(er)設計和組建的(de)3軸(zhou)表型系統，X軸(zhou)方向(xiang)的(de)運動是(shi)通過軌道系統進入地面，以允許(xu)自然排水和無障(zhang)礙運行，如傳統的(de)混(hun)凝土地基可以充當(dang)流動屏障(zhang)，Y軸(zhou)垂(chui)直(zhi)于軌道，并且承擔攝(she)像機設置的(de)升降(jiang)裝置，Z軸(zhou)描述的(de)是(shi)升降(jiang)單元(yuan)上(shang)下移動的(de)方向(xiang)。
X軸(zhou)運動(dong)單元(yuan)(yuan)是由(you)兩個變(bian)頻有源電(dian)(dian)源和(he)(he)(he)兩個無源單元(yuan)(yuan)，將被綁定在支撐梁上，Y軸(zhou)包(bao)括門式(shi)框架（鋁），并(bing)將保護Z軸(zhou)的運動(dong)，Scanalyzer Field 系統的推進包(bao)括兩個電(dian)(dian)動(dong)逆(ni)變(bian)器(qi)(qi)供電(dian)(dian)引擎(qing)，驅動(dong)底部兩個齒輪傳輸，Y軸(zhou)和(he)(he)(he)Z軸(zhou)同樣是由(you)電(dian)(dian)動(dong)逆(ni)變(bian)器(qi)(qi)和(he)(he)(he)齒條(tiao)一起供應運轉。
這樣的設(she)置可以使系(xi)統精密的在X、Y和Z軸(zhou)上運動。
Scanalyzer Field 系(xi)統(tong)上(shang)的運行部件均(jun)來自(zi)其他手動(dong)或自(zi)動(dong)操作(zuo)的系(xi)統(tong)，比如船舶和(he)火車卸貨等，因此Scanalyzer Field 系(xi)統(tong)的零件具有更耐久性和(he)靈活性。
圖(tu)1: ScanalyzerField系(xi)統示(shi)意圖(tu)
1.1 系統參數
1.2 系統操作注意事項
開(kai)始的時候，接(jie)受過培訓的人員利(li)用(yong)遠程操(cao)作進行系統的運行；
每(mei)個試驗(yan)地的開(kai)始(shi)和結束位置，本(ben)步驟在每(mei)一個試驗(yan)開(kai)始(shi)前進(jin)行，在播種前就要做(zuo)好(hao)；
一旦實驗設(she)置被保存，用戶需要(yao)使用控制軟件選取接下來的參數(shu)，參數(shu)包括時間(jian)、頻率、地點等(deng)；
保(bao)證所有的圖像(xiang)之間都(dou)有重復，保(bao)證每一個植(zhi)株都(dou)會(hui)被測量到；
熒光測量時，如果是在晚上，要充分考慮到熒光對周(zhou)圍植株(zhu)的影響，不能緊接(jie)著進行測量。
1.3 系統精確度
ScanalyzerField 系(xi)統的精(jing)度可(ke)以達到X軸<±50mm，Y軸<±5mm和Z軸<±5mm，除GPS定位外，每張照(zhao)片都(dou)包含在ScanalyzerField系(xi)統三維空間的位置。
1.4 系統耐久性
因為所有的(de)部(bu)件都采用(yong)工業(ye)標準，加載的(de)重量遠遠低(di)于設(she)計時的(de)承(cheng)重能力，ScanalyzerField 系統可以(yi)持續使用(yong)5年以(yi)上(shang)的(de)時間。
1.5 系統維護
盡管相機(ji)朝下且有保護附件，但是(shi)為了保證(zheng)成(cheng)像質量(liang)，常規(gui)的清(qing)潔仍(reng)是(shi)必要的，如(ru)果下大雨，有必要清(qing)潔一下相機(ji)的外殼(ke)，清(qing)除(chu)殘余的水和殘渣。
在植(zhi)物的生長季，如果ScanalyzerField 系(xi)統(tong)每天都要(yao)工作，那么每年進(jin)行一次(ci)檢查(cha)和預(yu)防性維(wei)護是非常必(bi)要(yao)的。
維(wei)護(hu)包括檢查所有滑動部(bu)件的潤滑性(xing)，也要(yao)對成像傳感器進(jin)行(xing)檢測，在儀器運行(xing)的前三年，不會跟換新的部(bu)件。
1.6 系統安全方案
1.6.1 ScanalyzerField系統常見風險
自動模式：
系(xi)統(tong)(tong)自(zi)動運行時(shi)，人員(yuan)不能站在ScanalyzerField系(xi)統(tong)(tong)軌道(dao)間的任何區域；
ScanalyzerField系統(tong)會按(an)照編輯的(de)程序沿軌(gui)道進行(xing)運(yun)動(dong)，任何站在系統(tong)上方或離軌(gui)道較近的(de)人員，都會有(you)與ScanalyzerField系統(tong)碰(peng)撞的(de)危險，系統(tong)自動(dong)運(yun)動(dong)的(de)速度(du)最大可達60min/min；
自動(dong)(dong)運行(xing)模式下，圖像采集臂可以在(zai)2米以下高度移動(dong)(dong)；
熒光成(cheng)像技術(shu)使用(yong)短(duan)LED脈(mo)沖（1-2s），亮(liang)度相當于太陽光的4-6倍；
高度掃(sao)描設備包括可見激光(guang)。
手動模式：
手(shou)動模式(shi)下(xia)，操作者就會在運行系統的周(zhou)邊，并(bing)且成像時，操作者需要與系統直接(jie)(jie)接(jie)(jie)觸(chu)；
系統不運(yun)行的(de)情況下(xia)，傳感器的(de)蓋子(zi)被打開(kai)(kai)，所有的(de)安全模塊開(kai)(kai)啟且顯示危險警(jing)告。
1.6.2 ScanalyzerField系統風險應對
技術性
導軌放在(zai)土層以上，減少人員站在(zai)導軌上的風險；
ScanalyzerField系(xi)統會產生聲音和燈光信號，提醒周圍的工作人員(yuan)；
ScanalyzerField系(xi)統的導軌如(ru)果碰到(dao)物體，不論在手動(dong)狀態(tai)或自(zi)動(dong)狀態(tai)，緊急開關會將ScanalyzerField系(xi)統緊急停(ting)止，
安全(quan)保險不能使用，因(yin)此(ci)系統有大約1m左右的斷裂長(chang)度。
人工控(kong)制ScanalyzerField系統時，可以使用緊急暫停按鈕。
人工操作時(shi)，ScanalyzerField系統運行時(shi)的(de)速度是(shi)有限制的(de)。
當(dang)人(ren)工(gong)操作系統時，激(ji)光和熒光的光源是停用(yong)的。
當遇到極端(duan)惡劣環境(jing)時(shi)，自(zi)動運行模式不能維持，ScanalyzerField系統會進入安全位置。
1.6.3 系統組織培訓
ScanalyzerField系統(tong)的操作者(zhe)會接(jie)受單獨培訓。
系統維護人員需要(yao)較好掌握技(ji)術教育，并且接受ScanalyzerField系統的培訓。
整個ScanalyzerField系(xi)統(tong)的(de)外側都應(ying)安(an)(an)裝有2m高的(de)柵欄，并且(qie)進入柵欄區域的(de)應(ying)該是接受過培訓的(de)人，入口處應(ying)該粘貼安(an)(an)全條(tiao)例。
2 傳感器平臺
圖 2: 傳感(gan)器平臺概念圖（最終(zhong)版本可能有所不同）
每一種(zhong)相(xiang)機系統(tong)都單獨安裝在(zai)密(mi)封殼體內，并(bing)綁定(ding)在(zai)靈活(huo)可(ke)調的(de)成像盒中，照相(xiang)機箱的(de)總有效載荷(he)可(ke)以達到500公斤，允許靈活(huo)的(de)增加傳感器。
主要特點：
天氣保護平臺(tai)，單(dan)獨保護傳(chuan)感器；
卷簾門在平臺下面的對面，充分保護(hu)不(bu)在使用(yong)的傳感器；
夜間使用的(de)鹵素燈同時(shi)具(ju)有加熱元件，可以防止(zhi)傳(chuan)感器溫度(du)過低而表面水分凝(ning)結。
大小：
3m 寬
1.5m 高
1.5m 深度
載重：
500kg
2.1 FLIR 紅外相機
相機與樣(yang)品距離、大氣溫度、相對濕度等環境參數對測量結(jie)果(guo)影響(xiang)很(hen)大，因此(ci)定期的(de)重校準很(hen)有必要。
結合前(qian)景/背景分(fen)離(li)，可以(yi)提取(qu)出不(bu)同植(zhi)物(wu)的(de)精確(que)溫(wen)(wen)度，溫(wen)(wen)度的(de)高低將(jiang)以(yi)假色圖像(xiang)的(de)形(xing)式表現出來(lai)，從(cong)而更(geng)容易(yi)觀察(cha)到(dao)(dao)顏色的(de)變(bian)化，紅(hong)外傳感器所得到(dao)(dao)的(de)數據可以(yi)以(yi)柱狀(zhuang)圖的(de)形(xing)式表現出來(lai)，從(cong)而分(fen)析植(zhi)物(wu)的(de)溫(wen)(wen)度分(fen)布。
成像和光學參數 焦距 空(kong)間分辨(bian)率(IFOV) 鏡頭識別 焦距比數 熱敏度/NETD 像頻(pin) (SC645) 像(xiang)頻 (SC 665) 聚焦(jiao) ; | 24.5 mm (0.96 in.) 0.69 mrad 自動 1.0 < 0.05°C ，+30°C下 (+86°F) / 50 mK 25 Hz 50 Hz (100/200 Hz 和開窗) 自動或(huo)手動 (內裝電(dian)動機) |  |
2.2 RGB 相機
界面 分辨率 傳感器 傳感器類型 傳感器尺寸 電池尺寸 透鏡支架 A/D On-board FIFO | IEEE 802.3 1000baseT 3296 x 2472 Truesense KAI-08050 CCD 漸進 4/3式 5.5 μm F-Mount 14 bit 128 MB |  |
2.3 高光譜傳感器
表1 ： 文獻中(zhong)發表的高光(guang)譜指數
彩色(se)條(tiao)顯示(shi)的(de)是某(mou)些指數(shu)所需要(yao)的(de)光譜范(fan)圍，綠色(se)和黃(huang)色(se)條(tiao)可以通(tong)過VNIR相機成像（380-1000nm），黃(huang)色(se)和紅色(se)條(tiao)可以通(tong)過VNIR相機（550-1700nm），近紅外相機不包含(han)900nm以下的(de)范(fan)圍，對于SWIR相機，已知的(de)參數(shu)主要(yao)在纖維(wei)素和木質素相關的(de)參數(shu)。
為了彌補(bu)不斷變(bian)化(hua)的現場光線(xian)，補(bu)償(chang)性設備會提供適量的光源(yuan)，附(fu)加光源(yuan)為鹵(lu)素燈，并(bing)且范圍在500到2500納(na)米。
圖3： 附加(jia)光(guang)源的(de)亮度(du)
2.4 激(ji)光(guang)掃描器
從(cong)上部觀察的(de)高度掃描儀(yi)是Frauenhofer IIS研究機構專門為Lemna Tec公司開發。
使用NIR激光掃描(miao)器可以(yi)避免影響植物的(de)正常生(sheng)理，使用非常高(gao)的(de)分辨率(lv)和很小的(de)時間間隔(ge)。
頂(ding)部(bu)視圖時(shi)，兩個單(dan)元將結合起來，詳(xiang)見(jian)圖4.
兩個單元的(de)交(jiao)叉(cha)可以減少(shao)樹冠(guan)陰影面積的(de)影響(xiang)。
在側面掃描時，每個(ge)側視(shi)圖(tu)由四(si)個(ge)單元(yuan)組合(he)成一個(ge)傳感器(qi)，光(guang)學元(yuan)件(jian)和角度的選擇將根據臺架安(an)裝(zhuang)的設計而改(gai)變。
每(mei)一個單元都包含(han)傳感器(qi)頭和電(dian)腦(nao)，將傳感器(qi)信息結合到plc文件(jian)里(li)。
圖4： 激光掃描(miao)設(she)備從(cong)上部掃描(miao)植物冠(guan)層
2.5 用于PSII研究的熒光相機
熒(ying)(ying)光相機是使用(yong)直接熒(ying)(ying)光值，目前(qian)有一篇文獻（Strasser, R. J., A. Srivastava, and M. Tsimilli-Michael. "The fluorescence transient as a tool to characterize and screen photosynthetic samples." Probing photosynthesis: mechanisms, regulation and adaptation (2000): 445-483.）解釋為(wei)什么Lemna Tec會選擇直接熒(ying)(ying)光測(ce)定，或被稱為(wei)PAM直接熒(ying)(ying)光法(fa)：
目前(qian)使用的(de)(de)(de)(de)有兩種(zhong)熒(ying)(ying)(ying)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)技術，直接熒(ying)(ying)(ying)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)和(he)(he)調(diao)(diao)(diao)制(zhi)(zhi)熒(ying)(ying)(ying)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)技術，每一種(zhong)技術都有優勢和(he)(he)缺(que)陷，隨著技術的(de)(de)(de)(de)發展，光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)電池和(he)(he)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)電倍增(zeng)管的(de)(de)(de)(de)低(di)(di)靈敏(min)度(du)要求高(gao)的(de)(de)(de)(de)激(ji)發光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)的(de)(de)(de)(de)強度(du)，這樣使用直接熒(ying)(ying)(ying)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)的(de)(de)(de)(de)方法(fa)是比較好的(de)(de)(de)(de)，但是有兩個缺(que)點(dian)：（a）強大(da)(da)的(de)(de)(de)(de)激(ji)發光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)會引起一個快速的(de)(de)(de)(de)熒(ying)(ying)(ying)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)上升(sheng)；（b）快門開放(fang)的(de)(de)(de)(de)時(shi)間(jian)過長（大(da)(da)約1ms），Fo值無法(fa)測(ce)定。敏(min)感(gan)的(de)(de)(de)(de)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)電池，光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)電二極管和(he)(he)高(gao)性能放(fang)大(da)(da)器的(de)(de)(de)(de)發展，使得(de)熒(ying)(ying)(ying)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)信號的(de)(de)(de)(de)測(ce)量具有非(fei)常低(di)(di)的(de)(de)(de)(de)激(ji)發光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)的(de)(de)(de)(de)強度(du)，低(di)(di)強度(du)調(diao)(diao)(diao)制(zhi)(zhi)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)束(shu)激(ji)發衡(heng)量熒(ying)(ying)(ying)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)，初始和(he)(he)最大(da)(da)熒(ying)(ying)(ying)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)都可以(yi)進行(xing)測(ce)量，并且(qie)精(jing)度(du)很高(gao)，但是仍(reng)有兩個限制(zhi)(zhi)：（a）該(gai)時(shi)間(jian)分(fen)辨率(lv)由(you)調(diao)(diao)(diao)制(zhi)(zhi)和(he)(he)解調(diao)(diao)(diao)頻(pin)率(lv)的(de)(de)(de)(de)限制(zhi)(zhi)；（b）一種(zhong)低(di)(di)成(cheng)本(ben)調(diao)(diao)(diao)制(zhi)(zhi)熒(ying)(ying)(ying)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)計以(yi)10微秒的(de)(de)(de)(de)時(shi)間(jian)12位信號的(de)(de)(de)(de)分(fen)辨率(lv)不可以(yi)實現。如PEA熒(ying)(ying)(ying)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)儀，它耗電少且(qie)成(cheng)本(ben)低(di)(di)，高(gao)分(fen)辨率(lv)熒(ying)(ying)(ying)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)上升(sheng)允許人們(men)觀察幾個步驟，F0，K，J，I，P，缺(que)點(dian)是需要外界光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)源，目前(qian)，直接熒(ying)(ying)(ying)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)法(fa)比調(diao)(diao)(diao)制(zhi)(zhi)熒(ying)(ying)(ying)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)法(fa)有一些(xie)優勢，如每次測(ce)量的(de)(de)(de)(de)信息更(geng)多、低(di)(di)功(gong)耗、高(gao)采樣檢測(ce)率(lv)、重量輕、多種(zhong)環境下采集(ji)數據和(he)(he)成(cheng)本(ben)低(di)(di)。
表2: 儀器可(ke)以測量的熒光參數
注(zhu)：DA：測量暗適應后的參數，在(zai)測量以前(qian)，ScanalyzerField系統會保留暗適應的時間，在(zai)測量下一個(ge)植株之前(qian)，為避免前(qian)個(ge)植株的影響，這樣的測量要在(zai)晚上(shang)進行。
LA：所(suo)有(you)(you)需要(yao)光(guang)(guang)適應的參數都是在白天進(jin)行(xing)，因(yin)(yin)為(wei)兩個不(bu)同相片的光(guang)(guang)密度有(you)(you)可能不(bu)同，因(yin)(yin)此標記LA的參數需要(yao)額外(wai)的處(chu)理(li)，所(suo)有(you)(you)的數據才(cai)能夠進(jin)行(xing)比較，同樣，可以(yi)利用激發(fa)光(guang)(guang)的10%作(zuo)為(wei)光(guang)(guang)化光(guang)(guang)，用戶可以(yi)在測量前15分鐘調(diao)整光(guang)(guang)適應。
DL：光-暗交替的(de)參數只能是(shi)整個植株的(de)平均值，這(zhe)是(shi)因為植物(wu)的(de)生長和葉片位(wei)置改變所造成(cheng)兩次測量(liang)差異。
2.6 NDVI/PRI 傳感器
NDVI傳感(gan)器運行(xing)一次，便(bian)可(ke)以(yi)快(kuai)速對田間進(jin)行(xing)評(ping)價，NDVI傳感(gan)器同(tong)時可(ke)以(yi)測(ce)量PRI，這種傳感(gan)器適用(yong)于(yu)研(yan)究(jiu)者研(yan)究(jiu)整個田間的參數，而(er)不是單(dan)一的植株。
NDVI 波(bo)段(duan): 630±5 和 800±5 nm 峰值(zhi)波(bo)長, 50納(na)米和40納(na)米的(de)全寬度半最大值(zhi)（FWHM）頻帶寬度。
PRI 波(bo)段: 531±3 和570±3 nm 峰值波(bo)長, 10納米全寬度(du)半最大值（FWHM）頻帶(dai)寬度(du)。
前部光學：
半(ban)球形：余弦校(xiao)正聚四氟乙烯擴散器，市(shi)場(chang)為半(ban)球形；
視場光闌(lan)：20°市(shi)場。
校(xiao)準：NIST可溯源校(xiao)準到已知的光譜(pu)福照度（W m-2 nm-1）或(huo)輻射率（W m-2 nm-1 sr-1 ）
精度： 光譜輻照度和輻射值在10%或(huo)更高(gao)
測量時間：< 300 ms
外(wai)形尺寸： 43 x 40 x 27mm
2.7 主動反射傳(chuan)感器
作(zuo)物(wu)冠層傳(chuan)感器Crop Circle ACS-430提供(gong)經典的(de)植物(wu)指數數據(ju)（NDVI和(he)SRI等），以及來自植物(wu)冠層和(he)土壤的(de)基本反射(she)信息(xi)。
與(yu)被(bei)動傳感器不同，Crop Circle ACS-430不會受外界光(guang)強(qiang)的(de)限制，測量可以在白天或夜間(jian)進行。
Crop Circle ACS-430傳感器(qi)可以(yi)安裝(zhuang)到各種類型的車輛上，并且進行(xing)田間測量，緊湊的尺(chi)寸和低重量的設(she)計使Crop Circle ACS-430可以(yi)很容(rong)易地適應支桿安裝(zhuang)和手持式應用(yong)。傳感器(qi)產生的信(xin)息可以(yi)被(bei)用(yong)于定(ding)量的營養物質、水、疾病或其他生長條(tiao)件對植物或作(zuo)物的影響(xiang)。
多通道光譜測量
ACS-430有(you)三個可選的(de)測量(liang)頻道，傳(chuan)(chuan)感器同(tong)時(shi)測量(liang)植物/土壤(rang)在670nm/730nm/780nm處的(de)反射(she)值(zhi)，ACS-430傳(chuan)(chuan)感器的(de)主要特點是(shi)測量(liang)時(shi)與(yu)高度(du)(du)無(wu)關，Holland Scientific把這種反射(she)測量(liang)稱作Pseudo Solar Reflectances (PSR)。因(yin)此光譜反射(she)值(zhi)會因(yin)為(wei)傳(chuan)(chuan)感器的(de)高度(du)(du)而改(gai)變，因(yin)此不使用(yong)比例計算(suan)，就可以獲得數(shu)十個參數(shu)。(來源(yuan)于： //hollandscientific.com/product/crop-circle-acs-430-active-crop -canopy -sensor/)
2.8 環境傳感器
2.8.1 天氣傳感器
CLIMA SENSOR US NHTFB（超聲波）傳感器可以實現完全免維護，且(qie)沒有(you)可動磨損部件，如呼吸機或軸(zhou)承等。
本(ben)系(xi)統可連(lian)接例如風(feng)速、風(feng)向(xiang)、聲學(xue)虛擬(ni)溫度(du)、空(kong)氣溫度(du)、相(xiang)對空(kong)氣濕度(du)、亮度(du)、空(kong)氣壓力、降雨量等(deng)傳感器，用于環(huan)境參數(shu)的收集。
2.9 常(chang)規(gui)傳感(gan)器
本系統可加載PAR傳感器(qi)、二氧(yang)化碳傳感器(qi)等。
德(de)國IPK安裝的Rhizotrone根(gen)系分析系統，由德(de)國LemnaTec設(she)計(ji)、德(de)國MK公司施工建設(she)。相關(guan)視頻，請點擊：。
產地：德國LemnaTec
