Ecograph 光谱生理生态监测系统

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一、应用:
采用高光谱成像技术识别生态因子,与地面监测系统同步观测,完成从点、到样方、样带、景观的尺度转换。与传统的多光谱扫描仪相比,高光谱成像能够得到上百个波段的连续图像,且每个图像像元都可以提取一条光谱曲线。这种“图谱合一”的特点,可用于生态因子的生理生态观测。
 
二、光谱采集方式:
 
1、叶片级自发光:通过测量叶片外施光源后的自发荧光,监测其发生、发展过程,研究植物的逆境生理。


主要植物胁迫类型及监测参数一览表
植物胁迫类型 监测参数
水分胁迫 C3植物:Y(II)(用于非常早期的水分胁迫)、Fs/Fo & Fs(用于中度水分胁迫)。
C4植物:Y(II)(用于非常早期的水分胁迫,与气体交换测量相关性很好)、ETR/A(恒定的比率,荧光仪和光合仪结合)
热胁迫 Y(II)(35oC以上中度热胁迫,两秒完成);
荧光淬灭(35oC以上中度热胁迫,用时较长);
Y(II)和A(碳同化)相结合(光合仪和荧光仪结合测量)
低温胁迫 ETR/CO2同化率;Yield;Fv/Fm;ETR;荧光淬灭及弛豫参数(NPQ, qN, qP, qL, qE, qT, qI,Y(NPQ), Y(NO).,光响应曲线。
光胁迫 荧光淬灭和淬灭弛豫Y(II), q L , Y(NPQ), Y(NO)(用于研究光保护机制)
光响应曲线(光强对Y(II)和ETR的影响,利用荧光仪可轻松测量)
Y(II)和Fv/Fm(与碳同化相关)
冻害胁迫 Yield;Fv/Fm;ETR;荧光淬灭及弛豫参数(NPQ, qN, qP, qL, qE, qT, qI,Y(NPQ), Y(NO).)
营养胁迫 氮胁迫:CCI(吸收-透射比指数,非荧光参数)、荧光比率(F735/F700)、K点荧光值(荧光仪中OJIP协议,对严重氮缺乏敏感)、qP(荧光淬灭参数,可指示严重氮缺乏)和Y(II)
硫胁迫:CCI、Fv/Fm
硼胁迫:Y(II)和ETR
钙胁迫:Fv/Fm
氯胁迫:Y(II) & ETR , Fv/Fm
铁胁迫:CCI、Y(II)、K(OJIP)
钴胁迫:Y(II)
铜胁迫:Y(II)和Fo/F 5min
镁胁迫:PI ABS 
锰胁迫:Fv/Fo
钼胁迫:CCI
镍胁迫:ETR
磷胁迫:Fv/Fm、PI ABS
钾胁迫:Y(II), NPO, 和 qP
 
2、反射成像光谱
 
反射成像光谱采集方式有两种,一种是便携式,一种是旋转式。光谱范围有三种可选:
400-1000nm; 950-1700nm 及 1000-2500nm。
 
2.1便携式高光谱成像仪
集高光谱数据采集、数据处理和处理结果可视化于一体, 同时在相机中直接集成了操作控制系统,通过相机自带的触摸屏就可实时实现基本数据的采集和分析过程,实现智能化操作,克服了市场上高光谱相机操作复杂、使用不便等缺点。
 
主要技术性能指标:
1)    机身小巧轻便,只有1.3kg,实现轻松手持操作;
2)    具备光谱和取景器双镜头
3)    一体式设计,内置自动推扫、数据采集处理、操作系统、触摸屏及操作键、GPS等
4)    现场实时快速检测、全自动智能分析、高质量光谱大数据
5)    波段范围400-1000nm,7nm光谱分辨率,204个波段
6)    图像分辨率512x512像素,像素大小17.58um
7)    视野31度,物距15cm至无穷远,1m视野55x55cm
8)    数据格式:Specim数据集,与ENVI等兼容
9)    32GB SD存储卡,可通过USB输出
10)  5200mAh锂电电池
11)  防护级别:IP5x,可选配防护外套
 
应用案例:
Specim公司与德国波恩大学等机构合作,利用Specim IQ高光谱成像仪,对作物病害与表型进行了研究分析,并发表论文“Specim IQ: Evaluation of a New, Miniaturized Handheld Hyperspectral Camera and Its Application for Plant Phenotyping and Disease Detection”(Sensor, 2018)
                   
2.2 旋转式高光谱成像系统:
将可见光近红外(VNIR或NIR)光谱与高分辨率成像相结合,采用推扫式(pushbroom)成像技术对运动的样品或在运动中对静止的样品进行逐线全波段光谱采集并同步生成图像。
获取样品化学成分的量化数据以及空间分布等详细信息,图像中每一像素都记录了其对应样品点的化学组成、质量、颜色等信息的光谱特征,用于对样品进行定性、定量分析。
特点:
1)    拥有GigE Vision和CameraLink两种接口选择,配置软件开发包,满足用户的多样化需求
2)    线阵推扫成像方式,在具有高速成像的同时,同一时间获得目标区域的所有光谱信息数据,保证每一个空间像素的光谱纯洁度,为客户提供更加真实准确的高光谱数据
3)    采用高透光率的光学设计(F/1.7),把相机的聚光能力提升到了一个崭新的标准,并且只需要一个线光源就可满足设备需求
4)    经过实验室统一进行波长标定,保障每台设备都可产生相同的可重复光谱数据,方便安装和替换,无需返厂再次标定
5)    高灵敏度快速光学结构,成像速度快,全谱段采集速度为330行/秒
6)    采集方式灵活,具备多区域选择功能(MRO),波段可选,既可选择采集全部220波段,也可选择感兴趣的任一波段
7)    结构紧凑小巧,操作简便
8)    高速成像、高信噪比
9)    可选配不同扫描平台对植物、种子等进行高光谱扫描成像分析,包括旋转式扫描支架、实验室扫描平台(有40x20cm和100x50cm两种规格)等
 
主要技术指标:
  AZ-10 AZ-17
波段范围 400-1000nm 950-1700nm
波段数量 224 224
光谱分辨率 FWHM 5.5nm 8nm
空间分辨率 1024像素 640像素
帧频 330 FPS 670 FPS
视野(FOV) 38度 38度
光圈 F/1.7 F/1.7
信噪比(SNR) 600:1 1000:1
端口 CameraLink/GigE CameraLink/GigE
尺寸规格 150x85x71mm 150x85x71
重量 1.26kg 1.56kg
 
 
植物光合生理遥测系统:由Specim公司与德国Juelich研究中心为欧洲太空局(ESA)地球探测项目(FLEX)研制的Hyplant传感器,是世界上第一款商业化高光谱叶绿素荧光成像仪。
采用夫琅和费线深度法,可以检测太阳辐射诱导叶绿素荧光(Sun-induced Fluorescence),用于陆空双基植物叶绿素荧光高光谱成像测量分析。
微弱的荧光信号在670-780nm这段特定光谱区间中的两个氧气吸收波谷处被探测出。通过运用SPECIM的高透光率(F/1.7)的成像光谱仪以及新型的摄像探测技术SCMOS,即使快速成像的飞行状态中,该系统在拥有超高的光谱采样精度(0.11nm)和极好的成像质量的同时,也具有低噪声,高动态采集范围以及优秀的信噪比的优点。
因此,这款高光谱成像仪可以在地面或空中对小到一片叶子大到整个生态系统进行光合作用活性探测,获取点、面,样地等不同尺度的植物荧光mapping。
 
主要技术指标:
1)    波段范围:670-780nm
2)    空间分辨率:384/768像素
3)    高透光率,F/1.7
4)    高信噪比,680:1
5)    帧频:65fps
6)    视野:32.3度,0.5m至无穷远
7)    sCMOS科研级检测器,快照模式,破耳贴制冷
8)    大小规格:588x227x160mm,14.2kg(未包括DPU)
 
短波红外高光谱成像系统:
整合了VNIR至SWIR高光谱成像、自动扫描技术,由高光谱成像仪、自动扫描台架和数据采集处理软件组成,用于植物表型分析、植物生理生态学研究、遗传育种、种子质量检测、中草药鉴定、食品检测、动物表型分析等领域。
技术指标:
  SWIR(nm)
波段范围 1000-2500
光谱分辨率(FWHM) 12nm
波段 288
空间分辨率(像素) 384
光圈 F/2.0
信噪比 1050:1
帧频(fps) 450
重量 >14kg
 
 
应用案例:
    Priscila S.R.Aries、Everaldo P. Medeiros等利用近红外sisuCHEMA高光谱成像分析系统(波段范围1000-2500nm),对棉花炭疽病等病原进行了研究,论文发表在2018年J.Spectral Imaging(Near infrared hyperspectral images and pattern recognition techniques used?to identify etiological agents of cotton anthracnose and ramulosis)

 
Maxleene Sandasi、Alvaro Viljoen等,利用sisuCHEMA高光谱成像分析技术,对不同品种人参进行了定性分析研究,认为是一种简单快速非损伤性鉴定检测技术。论文发表在2016年Molecules(The Application of Vibrational Spectroscopy Techniques in the Qualitative Assessment of Material Traded as Ginseng)
    
Paul J.Williams等利用sisuCHEMA高光谱成像技术,对镰刀霉属生长特性及其品种差异进行了研究,论文发表在2012年Anal Bioanal Chem.上(Near-infrared (NIR) hyperspectral imaging and multivariate image analysis to study growth characteristics and differences between species and strains of members of the genus Fusarium)。

 
 
 
 
 
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