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高光谱相机：温室盆栽高通量植物表型光谱成像研究

news 来源：原创 2025/9/2 14:05:27

传统植物表型测量依赖人工观察与手工记录，存在效率低、主观性强、无法获取多维数据（如生化成分、三维形态）等缺陷。例如，叶片氮含量需破坏性取样检测，根系表型需挖掘植株，导致数据不连续且难以规模化。此外，基因测序技术的快速发展（如全基因组关联分析GWAS）远超表型数据的获取能力，形成“基因型-表型数据鸿沟”，限制了作物育种的精准性。高光谱成像（400-2400nm）技术的成熟，使得非侵入性获取植物生化（如叶绿素、氮磷含量）、生理（如蒸腾作用、光合效率）及形态（株高、分蘖结构）参数成为可能。例如，高光谱技术可检测烟草花叶病毒感染48小时内的光谱特征变化，准确率达90%。

采用高光谱相机做表性研究的意义和作用

·提升植物表型研究的效率与精度

温室高通量系统（如PlantScreen、PhenoAIxpert HT）通过自动化传送、多模态成像（可见光、高光谱、荧光等）实现单日处理数百至数千株样本，数据采集速度提升数十倍。

·支持抗逆育种与胁迫响应研究

抗逆性筛选：通过光谱成像捕捉干旱、病虫害等胁迫下的生理响应（如冠层温度异常、水分分布变化），加速耐逆品种选育。例如，红外成像可量化叶片蒸腾作用，辅助节水抗旱稻品种开发。

精准管理：实时监测植物营养状态（氮磷含量）与生长动态，指导按需施肥灌溉。如近红外成像结合自动浇灌系统，可优化水肥利用率。

·优化栽培管理与智慧农业

高通量表型数据与基因组数据的整合，可解析基因功能及调控网络。例如，泰国学者利用高光谱数据关联水稻含磷性状的SNP位点，筛选出高效磷利用基因型。

·推动植物科学基础研究

气候变化：研究植物对高温、干旱等极端环境的适应性，为培育气候智能型作物提供依据。

农业智能化：通过表型大数据优化设施农业管理，例如3D成像指导株型调控，提升温室作物产量。

应用方案

可采用VIX-N220推扫式高光谱相机进行检测，其参数如下：

成像方式：推扫式

波长范围：400-1000nm

光谱分辨率：(3.5nm@V10)（2.8nm@V10E），逐行扫描

扫描速度：7s/cube 相对孔径：F/2.8 or F/2.4

通光效率: >50%

杂散光：<0.5%

像素数(空间×光谱)：1392 ×1040 or 1936×1456

像素尺寸(空间×光谱)：6.6 ×8.8mm

可测参数：光谱反演指标：多种植被指数NDVI、DVI、GVI、RVI、PVI，LAI、可溶性糖，pH，钠等矿物质等生理指标。

典型的研究案例

水稻抗逆性筛选：通过高光谱成像识别耐盐碱水稻品种的叶绿素荧光特征。

小麦白粉病检测：利用近红外光谱识别早期病害的叶片反射率异常。

番茄营养状态评估：基于RGB和多光谱图像预测果实糖分和维生素含量。

高通量植物表型研究有助于实现农业生产中的资源高效利用和环境保护。通过精准施肥、灌溉等管理措施，减少化肥和水资源的浪费，降低农业面源污染，促进农业的可持续发展。同时，为设施农业、精准农业等现代农业模式的发展提供技术支撑，提高农业生产的经济效益和生态效益。

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