温室轨道式高通量植物表型平台：面向原位群体的巡轨式多维表型装备

一、产品概述

托普云农TP-DG系列温室轨道式高通量植物表型平台（温室巡轨式表型采集分析系统），是一款面向温室、人工气候室等受控环境原位监测的自动化表型装备。系统采用顶部吊装轨道与巡检机器人载体，按型号配置可见光、多光谱/高光谱及激光雷达等成像单元，对苗床、种植槽或盆栽阵列进行周期性、多点位、非接触式表型采集。

代表型号中，TP-DG-1以高精度吊轨轨道与可见光成像单元为核心，适用于生长动态与颜色纹理监测；TP-DG-3在可见光基础上集成多光谱与激光雷达单元，兼顾形态结构、生理状态与三维构型解析。平台定位于把传统人工巡田式目测转化为标准化、时序化、可溯源的数字表型数据流，服务于作物遗传育种、逆境生理、栽培优化与智慧农业研究。

二、工作原理

TP-DG系列基于“吊轨定位—原位成像—多源解析—时序归档"的技术路径：

轨道寻址与任务调度：巡检机器人沿吊顶轨道按预设路径匀速移动，通过条码或编码器定位停靠至目标点位，结合RFID/二维码样品编码触发对应采集任务，保证跨周期回访空间基准一致。

多视角成像：机器人在点位完成顶视、侧视或斜向拍摄；TP-DG-3增配激光雷达扫描，获取冠层点云与深度信息。

多模态感知：

可见光：工业CMOS在稳定光照下获取真彩色图像，提取形态与颜色特征；

多光谱/高光谱：获取冠层反射曲线，经辐射定标反演植被指数与叶绿素、氮素、水分等生理代理指标；

激光雷达：通过点云重建计算株高、冠幅、叶面积与三维占位。

边缘解析与归档：内置AI分割模型识别茎、叶、花、果及背景，输出结构化表型表，并按样品ID、时间与环境元数据绑定存储。

三、核心检测指标与功能

核心检测指标

形态指标：株高、冠长、冠宽、投影面积、凸包面积与周长、紧凑度、偏心率、圆度、伸展度

颜色纹理：绿面积占比、黄化占比、R/G/B分量、平均色相/饱和度/亮度、RHS比色、纹理能量与均匀性

三维结构（TP-DG-3）：冠层高度均值、冠幅均值、叶面积、LAI、叶面积密度、茎叶夹角、点云体积

生理代理（选配光谱）：NDVI、NDRE、GVI、PRI等植被指数，叶绿素相对量、氮素水平、水分状况

动态派生：日生长量、叶面积增速、冠层覆盖度变化、胁迫响应曲线

系统功能

巡轨自动运行：支持连续巡行与定点定时采集，适配多区域苗床布局

原位无损监测：不移动盆栽、不扰动根系，单株/小区级长期回访

多传感器融合：按型号选配可见光+多光谱+激光雷达，形态—结构—生理同步获取

AI自动解译：器官级分割与批量参数提取，降低人工读数偏差

数据闭环管理：本地存储、任务排程、历史回溯与CSV/图像/点云导出

功能特点

1、智能硬件集结

吊装式轨道设计：实现对目标种植区域的稳定覆盖与灵活移动，可精准抵达各监测点位。

机器人自检功能：实时监控设备状态，保障系统稳定运行。

2、高通量参数采集与解析

周期性自动运行：可按设定任务匀速连续采集或定点采集，实现多区域、多角度高通量表型数据获取。

多维成像单元：按需配置可见光、激光雷达成像单元，通过高清图像采集捕捉植物形态变化与颜色特征。

高自动化解析：内置作物解析模型算法，自动从图像中提取多项表型与生理参数，实现数据智能化处理。

测量参数：

可见光成像：植物宽幅、窄幅、绿色面积占比、黄色面积占比、投影面积、凸包面积、凸包周长、R/G/B颜色分量、RHS比色、平均色相、平均饱和度、平均亮度、平滑度、均匀性、紧实度、偏心率、圆度、相关性、能量等指标。

激光雷达成像：株高、叶面积、叶面积指数、投影面积、植物群冠层覆盖度、植物群冠层高度均值、植物群冠层幅长均值、植物群冠层幅宽均值、叶面积密度等。

3、数据安全管理

数据管理功能：自动存储历史数据，支持多条件查询，并可导出图表结果，便于追溯与分析。

数据安全保障机制：采用安全传输模式，本地自动存储，存储空间支持无限扩容，确保数据可靠性与隐私性。

4、环境监测模块

气象环境监测：可选配温湿度、光照强度等传感器，同步记录植物生长环境数据，支持生长-环境关联分析。

5、系统定制化扩展

高度定制化：可根据用户实验需求与不同作物类型，定制开发植物算法与解析指标，具备良好的扩展性与适应性。

四、适用应用场景

温室育种筛选：大群体株型、叶色、LAI与长势自动打分，支撑早代材料淘汰与优株留选

逆境生理监测：干旱、盐渍、高温、弱光下冠层收缩、黄化与光谱异常的早期捕捉

栽培与环境研究：光周期、基质、水肥处理对株型建成与叶面积动态的定量评价

种质资源评价：经济作物与粮食作物全生育期数字档案建立

植物工厂与气候室：固定轨道覆盖多层苗床，实现无人值守周期扫描

智慧农业模型输入：为生长模型、“基因型—环境—表型"互作分析提供时序表型底座

五、科研价值与系统意义

温室群体研究常受限于人工测量频次低、点位不一致、地下/地上数据脱节。TP-DG系列的价值在于：

以巡轨原位采集替代搬动式测量，保留植株自然生长状态与空间关系；

以多模态融合打通“形态—颜色—结构—生理"信息层，超越单张照片的二维统计；

以定点寻址+UID绑定把离散观察转为可复现的时间序列，支撑因果推断与重复实验；

以标准化输出降低操作依赖，使不同品种、处理、周期数据具备跨批次可比性。

该系统不与传送式箱体平台互斥：传送式侧重单株精细重构，轨道式侧重群体原位长周期监测，二者共同受控环境表型基础设施。

总结

托普云农TP-DG系列温室轨道式高通量植物表型平台，以吊轨巡检、多源光学感知与AI表型解算为核心，构建了从原位寻址、周期采集到性状归档的闭环能力。系统在农学与智慧农业场景中兼顾通量、原位性与结构解析度，适用于育种筛选、逆境生物学、设施栽培与数字孪生研究，为温室群体表型定量化提供稳定、可扩展的技术支撑。

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