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

高光譜生理表型組學系統(tǒng)：測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)測植物對非生物變化動態(tài)響應的新型高光譜生理系統(tǒng)。該系統(tǒng)是一個傳感器連接到植物的平臺，可以確定一天中的最佳時間，在此期間可以通過光譜方法成功識別生理特征。直接測量的性狀包括整個白天的瞬時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)測和評估辣椒植物對不同水平的鉀肥的反應。在07:00–10:00和14:00–17:00期間，不同處理之間發(fā)現(xiàn)了顯著的瞬時蒸騰速率差異。同時頻繁測量的高分辨率光譜數(shù)據(jù)提供了關(guān)聯(lián)兩個測量數(shù)據(jù)集的方法。光譜和瞬時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波段（ρ523、ρ697和ρ818nm）的選擇在上午、中午和下午使用標準化差異公式的蒸騰速率差異。這些差異還表明，當光譜（遠程或近距離）測量通常在中午前后進行時（當太陽光照度最高時），并不總能獲得最佳結(jié)果。當根據(jù)植物全天的動態(tài)生理狀態(tài)對光譜測量進行定時時，可以獲得有價值的信息，這可能因植物物種而異，在規(guī)劃遙感數(shù)據(jù)采集時應予以考慮。

圖1.成像平臺在植株上方移動時的視圖. 該平臺由輕質(zhì)材料制成, 僅需幾個小時即可部署.

圖2.溫室平臺上72株辣椒植物的RGB圖像.相機從右到左移動,從用于曝光時間校準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，可以漫射進來自然光。為了將成本保持在最低限度，本試驗修改并安裝了一個移動灌溉系統(tǒng)連接到溫室天花板的傳感器承載平臺，以便將攝像機移動到桌子上方一個恒定的速度。移動平臺由輕質(zhì)材料制成，由溫室基礎(chǔ)設(shè)施支撐，沒有任何結(jié)構(gòu)變化，使其跨越溫室的整個長度(25m)。該平臺用緊固件、螺栓和電纜連接，并在幾個小時內(nèi)建成。一臺小型筆記本電腦控制相機并收集數(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運行平臺（圖1）。

圖3.上：示例植物及其周圍背景（藍色）的平均光譜，運行 Otsu 過濾器后沒有背景的平均光譜（紅色），第二次運行 Otsu 過濾器后沒有葉子邊緣的植物的平均光譜.下：邊界框的直方圖和Otsu過濾器計算的值.

圖4.白天和不同處理組的平均±SE蒸騰速率

時間為三天的分組分別在上午、中午和下午進行了1041,831,1363 次測量，每個處理均有數(shù)百次測量。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，通過按處理組分組對數(shù)據(jù)庫進行進一步分區(qū)。在中午期間，各個處理組之間沒有發(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-藍色）缺鉀（低，虛線）、中等（實線）和過剩（高，虛線）

通過每個組和日周期的平均光譜檢查一天時間和鉀肥對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)一個急劇的吸收特征，然后在~970 nm處出現(xiàn)一個平坦的吸收特征，這屬于水蒸氣和液態(tài)水的O-H鍵第一泛音吸收特征。