A Hyperspectral-Physiological Phenomics System: Measuring Diurnal Transpiration Rates and Diurnal Reflectance

高光譜生理表型組學(xué)系統(tǒng)：測(cè)量晝夜蒸騰速率和晝夜反射率

本研究開發(fā)了一種用于監(jiān)測(cè)植物對(duì)非生物變化動(dòng)態(tài)響應(yīng)的新型高光譜生理系統(tǒng)。該系統(tǒng)是一個(gè)傳感器連接到植物的平臺(tái)，可以確定一天中的最佳時(shí)間，在此期間可以通過(guò)光譜方法成功識(shí)別生理特征。直接測(cè)量的性狀包括整個(gè)白天的瞬時(shí)和每日蒸騰速率以及每日和周期性的植物減重和增重。該系統(tǒng)監(jiān)測(cè)和評(píng)估辣椒植物對(duì)不同水平的鉀肥的反應(yīng)。在07:00–10:00和14:00–17:00期間，不同處理之間發(fā)現(xiàn)了顯著的瞬時(shí)蒸騰速率差異。同時(shí)頻繁測(cè)量的高分辨率光譜數(shù)據(jù)提供了關(guān)聯(lián)兩個(gè)測(cè)量數(shù)據(jù)集的方法。光譜和瞬時(shí)蒸騰速率之間的顯著相關(guān)系數(shù)產(chǎn)生了用于捕獲的三個(gè)波段（ρ523、ρ697和ρ818nm）的選擇在上午、中午和下午使用標(biāo)準(zhǔn)化差異公式的蒸騰速率差異。這些差異還表明，當(dāng)光譜（遠(yuǎn)程或近距離）測(cè)量通常在中午前后進(jìn)行時(shí)（當(dāng)太陽(yáng)光照度最高時(shí)），并不總能獲得最佳結(jié)果。當(dāng)根據(jù)植物全天的動(dòng)態(tài)生理狀態(tài)對(duì)光譜測(cè)量進(jìn)行定時(shí)時(shí)，可以獲得有價(jià)值的信息，這可能因植物物種而異，在規(guī)劃遙感數(shù)據(jù)采集時(shí)應(yīng)予以考慮。

圖1.成像平臺(tái)在植株上方移動(dòng)時(shí)的視圖. 該平臺(tái)由輕質(zhì)材料制成, 僅需幾個(gè)小時(shí)即可部署.

圖2.溫室平臺(tái)上72株辣椒植物的RGB圖像.相機(jī)從右到左移動(dòng),從用于曝光時(shí)間校準(zhǔn)的白色參考面板開始.

溫室的屋頂和側(cè)板由透明的PVC材料制成，可以漫射進(jìn)來(lái)自然光。為了將成本保持在最低限度，本試驗(yàn)修改并安裝了一個(gè)移動(dòng)灌溉系統(tǒng)連接到溫室天花板的傳感器承載平臺(tái)，以便將攝像機(jī)移動(dòng)到桌子上方一個(gè)恒定的速度。移動(dòng)平臺(tái)由輕質(zhì)材料制成，由溫室基礎(chǔ)設(shè)施支撐，沒(méi)有任何結(jié)構(gòu)變化，使其跨越溫室的整個(gè)長(zhǎng)度(25m)。該平臺(tái)用緊固件、螺栓和電纜連接，并在幾個(gè)小時(shí)內(nèi)建成。一臺(tái)小型筆記本電腦控制相機(jī)并收集數(shù)據(jù)。連接到筆記本電腦的微控制器被編程為在白天每小時(shí)運(yùn)行平臺(tái)（圖1）。

圖3.上：示例植物及其周圍背景（藍(lán)色）的平均光譜，運(yùn)行 Otsu 過(guò)濾器后沒(méi)有背景的平均光譜（紅色），第二次運(yùn)行 Otsu 過(guò)濾器后沒(méi)有葉子邊緣的植物的平均光譜.下：邊界框的直方圖和Otsu過(guò)濾器計(jì)算的值.

圖4.白天和不同處理組的平均±SE蒸騰速率

時(shí)間為三天的分組分別在上午、中午和下午進(jìn)行了1041,831,1363 次測(cè)量，每個(gè)處理均有數(shù)百次測(cè)量。分組后，不同每日組之間的平均TR仍然存在顯著差異（圖4）。接下來(lái)，通過(guò)按處理組分組對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行進(jìn)一步分區(qū)。在中午期間，各個(gè)處理組之間沒(méi)有發(fā)現(xiàn)顯著差異。然而，在上午所有處理組彼此之間均存在顯著差異，而在下午，低鉀處理組與中高鉀處理組之間存在顯著差異（圖 4）。

圖5. 三個(gè)處理組的平均反射率值：三天期間（上午-紅色、中午-綠色和下午-藍(lán)色）缺鉀（低，虛線）、中等（實(shí)線）和過(guò)剩（高，虛線）

通過(guò)每個(gè)組和日周期的平均光譜檢查一天時(shí)間和鉀肥對(duì)樣本光譜的綜合影響（圖5（A1-A3））。在可見光和近紅外光譜中可以直觀地看到各組之間的反射率變化。然而，在SNV轉(zhuǎn)換后，日間光譜差異顯著減小（圖5（B1–B3）），從而在一天中形成均勻的光譜。綠色波段區(qū)域（~560nm）和葉綠素吸收波段（460和680nm）存在微小變化，并且消除了近紅外反射率的降低。此外，在~940 nm處出現(xiàn)一個(gè)急劇的吸收特征，然后在~970 nm處出現(xiàn)一個(gè)平坦的吸收特征，這屬于水蒸氣和液態(tài)水的O-H鍵第一泛音吸收特征。