室外表型監測平臺

車載及背包式移動監測平臺

作物的通量表型監測在控制條件下易于實現，在田間則面臨著環境因素互作、高密度種植等難點。鑒于田間監控的尺度和精度問題，車載平臺成為首選。在?Crop 3D平臺系統中，以遙控的智能移動小車（unmanned ground vehicle，UGV）搭載激光雷達實現作物冠層三維數據的快速高效采集（圖?1b）。該遙控移動平臺以“一機多用、一專多能”為目標，具備多種傳感器搭載能力，可根據實際需求選配傳感器模塊。同時，系統配備升降模塊以便根據作物的生長高度自動化調節傳感器平臺高度，最終實現長距離、大范圍的樣地數據采集。

由于田間土壤分布異質化等特點，車載系統在行進過程中不可避免地存在顛簸和抖動。在這套車載系統中，移動激光雷達系統主要由激光測距單元、慣性測量單元（inertial measurement unit，IMU）和全球定位系統（GPS）、同步控制單元和數據存儲單元等?4?個部分組成配合實時記錄數據采集過程中傳感器的軌跡和姿態信息，用于數據的后期結算。作物三維冠層點云數據的點云精度與傳感器自身精度相關，點云密度則與車載平臺行進速度相關。Crop 3D?車載系統的行進速度可根據需求自定義，范圍在?0.1—2?m/s?？傮w上看，車載系統集成度高，機電及電子系統一體化。數據采集模塊與載具平臺可通過標準硬件接口實現對接關聯，其可遷移性強，且靈活度高，除搭載于田間移動平臺之外，還可掛載于無人機和飛艇等平臺。

背包式移動監測平臺是近些年出現的新型搭載平臺，通過將傳感器集成在簡易的背負系統上可靈活輕便地完成目標區域的數據采集。目前，較為成熟的為背包式室內外一體化激光雷達掃描系統，該系統結合激光雷達和同步定位與地圖構建技術，可實時獲取周圍環境的高精度三維點云數據，已成功應用于室內外一體化測量、林業資源普查、地下空間信息獲取等領域（圖3a）。借鑒于這一概念，將農業監測所需傳感器，如相機、植物冠層儀等與之相集成，有望實現田間作物的冠層數據快速獲取。

田間固定監測平臺

針對長期固定的觀測樣地，固定的“龍門架”平臺不失為一個好的選擇。通過在田間搭建固定的支架，或者在既有的觀測塔等平臺上安裝相應的傳感器，從而達到對固定有效測區內作物的連續觀測。種植模式決定了田間的表型數據獲取只能采用“sensor-to-plant”的方式。因此，目前正在搭建的固定架平臺通常以方正形為框架，傳感器模塊以步進式的循環移動完成覆蓋區域內的掃描，總體上與室內固定平臺（圖?1a）的運行模式類似。這種平臺模式的掃描適用于長期的樣方監測以完成優質品種的田間篩選或脅迫相關表型的數量基因性狀鑒定。但與室內平臺相比，固定架平臺由于暴露于自然環境下，需要持續關注和維護平臺的整體性，因此需消耗一定成本（圖?3c）。

無人機監測平臺

由于采集速度和面積的限制，針對大范圍的農田冠層數據采集，車載系統存在一定的時間不同步性，某種程度上會導致一些冠層參數的誤差。過去?20?年中，無人機平臺在大尺度的農業估產和受災評估中得到了廣泛的應用。與傳統機載平臺相比，無人機平臺載荷受限和續航時間短等問題常成為其應用的局限。自主研發的?8?軸旋翼無人機平臺有效載荷達到?5?kg，有效巡航半徑?2?km，續航時間最高可達?30?min（載荷?4?kg?時）。以無人機激光雷達為例（圖?3d），其測距精度在?10?mm，測距范圍覆蓋?3—920?m，采用近紅外波段激光，最大有效果測量速率可達?500?000點/s。利用該平臺可快速獲取大面積的作物三維點云，除可計算與作物光合、產量相關的表型參數（葉面積指數、覆蓋度、作物株高等）外，還可以獲取厘米級的精細地形，從而為厘清地形因素的表型差異提供數據支持。