基于轨道运输与成像室系统的盆栽大豆高通量表型分析平台研发及其在垂直种植体系中的应用

本研究针对垂直种植系统中大豆植株表型获取受高位作物遮荫限制的难题，创新开发了集成轨道运输与标准化成像的高通量表型平台。通过X-Y双向轨道系统实现盆栽大豆自动化转运，结合可调传感器与旋转成像台完成多角度图像采集，验证显示株高和冠幅提取值与人工测量R2分别达0.99和0.95，营养生长期鲜重与叶面积预测R2超0.96。该平台为复杂种植结构下的作物构型分析和种质筛选提供了灵活解决方案，发表于《Plant Methods》。

　　

在全球大豆主产区广泛采用的玉米-大豆等垂直种植模式中，低矮的大豆植株长期面临高位作物遮荫的生存挑战。这种三维立体种植结构虽然能提高土地利用率，却导致大豆光能捕获效率下降、表型性状变异，最终影响产量形成。更棘手的是，传统表型监测手段在复杂种植环境中捉襟见肘——自走式平台受限于玉米行间狭窄空间，无人机难以捕捉单株细节特征，而固定式成像系统又无法全面反映三维冠层结构。如何突破高位作物遮蔽效应，实现个体大豆植株的精准表型获取，成为提升间作系统生产力的关键瓶颈。

针对这一技术困局，四川农业大学的Xiuni Li团队在《Plant Methods》发表创新研究成果。研究者独辟蹊径，将铁路运输理念引入农业领域，构建了融合轨道自动化运输与标准化成像的田间表型平台。该系统的精妙之处在于：通过模块化设计的X-Y双向轨道网络，盆栽大豆能像列车车厢般在田间与成像室间自动穿梭；成像室配备可360°旋转的拍摄台和工业级相机，配合全局光源形成稳定成像环境；PLC控制系统确保运输-成像流程无缝衔接，单幅图像采集仅需2秒。这种"田间生长+室内成像"的创新模式，既保留自然光照对植株的影响，又消除了风雨扰动和遮荫干扰。

关键技术方法包括：1）基于4040工业铝型材搭建可调相机支架的成像室（6×3×2.7m）；2）采用抗腐蚀木材轨枕构建X-Y双向轨道系统，配备48V直流电机驱动智能轨道车；3）集成Hikvision MV-CH250-90GC工业相机与旋转成像台；4）通过QR码自动触发图像采集与分类存储；5）利用3D点云重建技术提取12项冠层形态参数。

【平台性能验证】

通过全生育期跟踪测试，平台提取的株高和冠幅参数与人工测量值高度吻合，决定系数R²分别达到0.99和0.95。有限元分析显示，满载状态下成像转台最大变形仅0.498mm，应力值42.064MPa，远低于304不锈钢屈服极限。

【关键性状预测模型】

在营养生长期（V4阶段），α-shape表面面积与冠层鲜重的相关性达0.93，体素体积与叶面积相关性为0.94。建立的多元预测模型对鲜重和叶面积的预测R²分别达0.965和0.972，显著优于传统光谱模型（R² 0.442-0.848）。

【技术扩展性】

成像室预留多传感器接口，可兼容红外相机、LiDAR等设备。开源控制架构支持二次开发，轨道系统采用标准集装箱尺寸便于推广。相比传统田间平台，该系统的单日成像能力超过12,000株，成本降低30%以上。

这项研究开创性地将工业化控制理念应用于农业表型获取，其核心价值体现在三方面：首先，通过"移动植株而非传感器"的设计哲学，破解了高位作物遮荫导致的数据失真难题；其次，建立的形态参数与生物量预测模型，为高通量种质筛选提供了新标准；更重要的是，模块化设计使平台可灵活适配不同作物和种植模式。正如作者Weiguo Liu强调的，该技术路线不仅适用于大豆，其"轨道运输+固定成像室"的架构，为马铃薯、油菜等间作作物的表型研究提供了普适性解决方案。随着多光谱、热红外等传感器的后续集成，这套系统有望成为解析基因型-环境互作机制的重要工具，推动精准农业向三维立体种植领域纵深发展。