WIWAM植物表型分析平臺(tái)—光照和植物幾何形狀對(duì)葉片反射光譜的影響

更新時(shí)間：2022-05-25　點(diǎn)擊量：1974

WIWAM高通量植物表型成像系統(tǒng)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(yǎng)、自動(dòng) 化控制系統(tǒng)、葉綠素?zé)晒獬上駵y(cè)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(shí)別管理、RGB真彩3D成像等多項(xiàng)*技術(shù)，以較優(yōu)化的方式實(shí)現(xiàn)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(jié)構(gòu)成像分析，用于高通量植物表型成像分析測(cè)量、植物脅迫響應(yīng)成像分析測(cè)量、植物生長(zhǎng)分析測(cè)量、生態(tài)毒理學(xué)研究、性狀識(shí)別及植物生理生態(tài)分析研究等。

室內(nèi)植物表型成像系統(tǒng)WIWAM Line

近距離高光譜成像中光照和植物幾何形狀對(duì)葉片反射光譜的影響

雖然高光譜成像（HSI）已成功應(yīng)用于植被的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)，但其在近距離環(huán)境中的應(yīng)用仍不發(fā)達(dá)，在近距離環(huán)境中高光譜成像具有更高的空間和時(shí)間分辨率，用于測(cè)量植物的功能特性。不僅僅是遠(yuǎn)程，近距離葉片的反射光譜對(duì)植物幾何形狀和成像系統(tǒng)的特定排列非常敏感。尤其是每個(gè)植物像素的光譜在很大程度上取決于其與光源和傳感器的距離和傾斜度。為了處理這些影響，本工作研究了照明和植物幾何形狀對(duì)特定室內(nèi)設(shè)置（比利時(shí)根特VIB PHENOVISION）中記錄的HSI的影響。基于簡(jiǎn)單的光學(xué)模型，使用多元線性回歸對(duì)反射光譜進(jìn)行建模，然后使用獲得的模型系數(shù)校正光譜。最后提出了一種常用的散射校正方法，即標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)變量（SNV）變換以消除光照和幾何效應(yīng)。

為了研究葉片高度對(duì)測(cè)量反射率的影響，在五種不同的提升高度（-100、0、250、350、450 mm）下拍攝了一株*生長(zhǎng)的玉米植株的圖像。首先，使用歸一化植被指數(shù)（NDVI）和閾值0.3對(duì)所有圖像進(jìn)行分割。在每幅圖像中定義一個(gè)公共區(qū)域（見(jiàn)圖1），以提取平均反射光譜。為了研究局部葉片傾斜的影響，使用了在海拔450 mm處采集的同一玉米植株的圖像。為了提取光譜，考慮了描繪局部?jī)A斜模式的*生長(zhǎng)的葉片。在手動(dòng)確定的傾斜局部區(qū)域上，按順序定義了六個(gè)小面片（6×6像素）（見(jiàn)圖2），并提取其相應(yīng)的平均反射光譜進(jìn)行進(jìn)一步分析。

圖1.玉米植株在五個(gè)不同高度的RGB圖像

圖3（a）顯示了從不同高度測(cè)量的選定葉片區(qū)域提取的平均反射光譜。該圖顯示當(dāng)植物從最高海拔（450 mm）下降到低海拔（-100 mm）時(shí)，反射率整體降低。反射率的降低是由植物離開(kāi)光源時(shí)接收到的光強(qiáng)度降低引起的。圖3（b）顯示了從局部?jī)A斜區(qū)域的六個(gè)面片序列中提取的平均反射光譜（見(jiàn)圖2）。該圖顯示，反射率相對(duì)于局部?jī)A斜有很大的變化。在面片R1處，葉片或多或少沿水平面定向。向面片R3移動(dòng)時(shí)，與水平面的角度似乎增大，導(dǎo)致光譜反射率降低，從面片R4開(kāi)始再次增大。

圖2.在葉片區(qū)域選擇六個(gè)具有局部?jī)A斜模式的斑塊（R1-R6）

這樣，每個(gè)光譜通過(guò)減去一個(gè)項(xiàng)來(lái)補(bǔ)償噪聲和鏡面反射，并通過(guò)縮放來(lái)補(bǔ)償高度和傾斜的變化。a和b的值通過(guò)回歸分析獲得。圖4（ab）顯示了圖3中光譜的光譜校正結(jié)果。

該策略的一個(gè)主要問(wèn)題是需要參考光譜。因此，采用一種常見(jiàn)的散射校正方法，即標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)變量（SNV）變換來(lái)校正這些影響，而無(wú)需任何建模。在SNV中，a和b對(duì)應(yīng)于測(cè)量光譜的平均值和標(biāo)準(zhǔn)偏差。圖4（c-d）顯示了經(jīng)SNV校正的光譜。可以觀察到原始信號(hào)中的乘法和加法效應(yīng)幾乎*消除。然而當(dāng)使用建議的線性模型進(jìn)行校正時(shí)，所得光譜保留其反射率值在0和1之間的特性，而使用SNV的情況并非如此。