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WIWAM植物表型分析平台—光照和植物几何形状对叶片反射光谱的影响
发表时间：2021-09-28 08:27:30点击：1096
WIWAM高通量植物表型成像系统由比利时SMO公司与Ghent大学VIB研究所研制生产，整合了LED植物智能培养、自动 化控制系统、叶绿素荧光成像测量分析、植物热成像分析、植物近红外成像分析、植物高光谱分析、植物多光谱分 析、植物CT断层扫描分析、自动条码识别管理、RGB真彩3D成像等多项先进技术，以较优化的方式实现大量植物样 品——从拟南芥、玉米到各种其它植物的生理生态与形态结构成像分析，用于高通量植物表型成像分析测量、植 物胁迫响应成像分析测量、植物生长分析测量、生态毒理学研究、性状识别及植物生理生态分析研究等。
近距离高光谱成像中光照和植物几何形状对叶片反射光谱的影响
虽然高光谱成像（HSI）已成功应用于植被的远程监测，但其在近距离环境中的应用仍不发达，在近距离环境中高光谱成像具有更高的空间和时间分辨率，用于测量植物的功能特性。不仅仅是远程，近距离叶片的反射光谱对植物几何形状和成像系统的特定排列非常敏感。尤其是每个植物像素的光谱在很大程度上取决于其与光源和传感器的距离和倾斜度。为了处理这些影响，本工作研究了照明和植物几何形状对特定室内设置（比利时根特VIB PHENOVISION）中记录的HSI的影响。基于简单的光学模型，使用多元线性回归对反射光谱进行建模，然后使用获得的模型系数校正光谱。最后提出了一种常用的散射校正方法，即标准正态变量（SNV）变换以消除光照和几何效应。
为了研究叶片高度对测量反射率的影响，在五种不同的提升高度（-100、0、250、350、450 mm）下拍摄了一株完全生长的玉米植株的图像。首先，使用归一化植被指数（NDVI）和阈值0.3对所有图像进行分割。在每幅图像中定义一个公共区域（见图1），以提取平均反射光谱。为了研究局部叶片倾斜的影响，使用了在海拔450 mm处采集的同一玉米植株的图像。为了提取光谱，考虑了描绘局部倾斜模式的完全生长的叶片。在手动确定的倾斜局部区域上，按顺序定义了六个小面片（6×6像素）（见图2），并提取其相应的平均反射光谱进行进一步分析。
图1.玉米植株在五个不同高度的RGB图像
图3（a）显示了从不同高度测量的选定叶片区域提取的平均反射光谱。该图显示当植物从最高海拔（450 mm）下降到最低海拔（-100 mm）时，反射率整体降低。反射率的降低是由植物离开光源时接收到的光强度降低引起的。图3（b）显示了从局部倾斜区域的六个面片序列中提取的平均反射光谱（见图2）。该图显示，反射率相对于局部倾斜有很大的变化。在面片R1处，叶片或多或少沿水平面定向。向面片R3移动时，与水平面的角度似乎增大，导致光谱反射率降低，从面片R4开始再次增大。
图2.在叶片区域选择六个具有局部倾斜模式的斑块（R1-R6）
这样，每个光谱通过减去一个项来补偿噪声和镜面反射，并通过缩放来补偿高度和倾斜的变化。a和b的值通过回归分析获得。图4（ab）显示了图3中光谱的光谱校正结果。
该策略的一个主要问题是需要参考光谱。因此，采用一种常见的散射校正方法，即标准正态变量（SNV）变换来校正这些影响，而无需任何建模。在SNV中，a和b对应于测量光谱的平均值和标准偏差。图4（c-d）显示了经SNV校正的光谱。可以观察到原始信号中的乘法和加法效应几乎完全消除。然而当使用建议的线性模型进行校正时，所得光谱保留其反射率值在0和1之间的特性，而使用SNV的情况并非如此。
图3.（左图）（a）在五个不同高度测量的选定区域的平均反射光谱，以及（b）在局部倾斜区域的六个面片序列中测量的平均反射光谱
图4.（右图）基于来自 (a) 仰角实验和 (b) 倾角实验的模型系数的校正光谱； 基于来自 (c) 仰角实验和 (d) 倾角实验的 SNV 的校正光谱
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