ICS03.080.01

CCSA20

團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)

T/CAGDRSXXX-2023

可控環(huán)境下的高通量植物表型平臺建設(shè)

技術(shù)規(guī)范

Specificationsforhighthroughputplantphenotypingplatform

undercontrolledenvironment

（征求意見稿）

2023-XX-XX發(fā)布2023-XX-XX實(shí)施

中國農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展研究會發(fā)布

T/CAGDRSXXX-2023

可控環(huán)境下的高通量植物表型平臺建設(shè)技術(shù)規(guī)范

1范圍

本文件規(guī)定了可控環(huán)境下的高通量植物表型平臺建設(shè)技術(shù)規(guī)范，包括植物表型、高通

量植物表型平臺、植物表型性狀類型及具體表型性狀指標(biāo)的術(shù)語和定義，自動化系統(tǒng)的設(shè)

計(jì)和安裝規(guī)范，傳感器選型、性能和布設(shè)規(guī)范，數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)分析規(guī)范等內(nèi)容。

本文件適用于各種日光溫室、塑料大棚、人工氣候室等相對可控的設(shè)施環(huán)境內(nèi)的高通

量植物表型平臺建設(shè)。

2規(guī)范性引用文件

下列文件對于本文件的應(yīng)用是必不可少的，凡是注日期的引用文件，僅注日期的版本

適用于本文件，凡是不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改單）適用于本文

件。

3術(shù)語和定義

下列術(shù)語和定義適用于本文件。

3.1植物表型PlantPhenotype

植物表型是指在特定環(huán)境狀態(tài)和特定基因表達(dá)狀態(tài)下，植物在細(xì)胞、組織、器官和整

體水平上表現(xiàn)出來的生理、組分和形態(tài)結(jié)構(gòu)性狀的定性和定量數(shù)據(jù)。

3.2植物表型組PlantPhenome

植物表型組是指給定基因表達(dá)狀態(tài)在所有環(huán)境下表現(xiàn)出來的植物表型的總和。

3.3植物表型組學(xué)PlantPhenomics

植物表型組學(xué)是指所有基因表達(dá)狀態(tài)在所有環(huán)境下表現(xiàn)出來的植物表型的總和，其本

質(zhì)實(shí)際是植物基因圖譜的時(shí)序三維表達(dá)及其地域分異特征和代際演進(jìn)規(guī)律。

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3.4高通量植物表型平臺High-throughputPlantPhenotypingPlatform

高通量植物表型平臺是從器官、個(gè)體到群體水平上高通量、自動化獲取產(chǎn)量、抗性、

品質(zhì)相關(guān)性狀的多源集成技術(shù)。利用先進(jìn)的成像技術(shù)和光譜技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對植物肉眼可見的

形態(tài)學(xué)指標(biāo)和肉眼不可見的組分、生理、脅迫、病害等指標(biāo)的可視化；利用先進(jìn)的控制技

術(shù)、通信技術(shù)和軟件技術(shù)，實(shí)現(xiàn)表型性狀測量和數(shù)據(jù)分析的自動化；利用先進(jìn)的基于機(jī)器

學(xué)習(xí)和深度學(xué)習(xí)的人工智能技術(shù)，實(shí)現(xiàn)多性狀指標(biāo)在不同場景中的智能化分析；利用這些

可視化、自動化、智能化的技術(shù)，實(shí)現(xiàn)高通量的對單株或群體尺度的植物進(jìn)行長期、快速

的測量分析。

3.5可見光成像RGBImaging

可見光成像是指利用可見光相機(jī)（包括RGB和RGB-D）對植物個(gè)體或群體進(jìn)行冠層尺

度的拍照測量技術(shù)。通過可見光成像可以實(shí)現(xiàn)對植物形態(tài)結(jié)構(gòu)（株型、苗數(shù)、出苗率、葉

/花/果/穗數(shù)、葉/花/果/穗形等）、顏色特征（R、G、B、H、S、V等）與紋理特征（對比度、

能量、熵等）的分析測量。

3.6三維激光掃描3DLaserScanning

三維激光掃描是指通過高速激光掃描測量的方法，大面積高分辨率地快速獲取植株的

三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)，并快速構(gòu)建其三維點(diǎn)云的技術(shù)。通過三維激光掃描可以實(shí)現(xiàn)對植物個(gè)體或

群體的三維形態(tài)結(jié)構(gòu)的量化分析，實(shí)現(xiàn)對植物包括株高、冠幅、數(shù)字生物量、葉片直立度、

投影葉面積、葉面積指數(shù)等植物形態(tài)表型數(shù)據(jù)的計(jì)算。

3.7激光雷達(dá)LiDarScanning

激光雷達(dá)是以發(fā)射激光束探測目標(biāo)的位置、速度等特征量的雷達(dá)系統(tǒng)。傳感器通過向

植物個(gè)體或群體發(fā)射探測信號（激光束）以及接收到的目標(biāo)回波，以獲得植物三維空間的

表型性狀，實(shí)現(xiàn)對植物包括株高、冠幅、數(shù)字生物量、葉片直立度、投影葉面積、葉面積

指數(shù)等植物形態(tài)表型數(shù)據(jù)的計(jì)算。

3.8高光譜成像HyperspectralImaging

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高光譜成像是指將成像技術(shù)與光譜技術(shù)相結(jié)合，獲取豐富的窄波段影像數(shù)據(jù)的技術(shù)。

該技術(shù)可以探測植物冠層反射光譜數(shù)據(jù)，用來進(jìn)行特征波段的提取，實(shí)現(xiàn)特異性植被指數(shù)

（歸一化植被指數(shù)NDVI、增強(qiáng)植被指數(shù)EVI、植被衰減指數(shù)PSRI等）的計(jì)算及相關(guān)模型（葉

綠素、氮素、花青素、類黃酮等）的構(gòu)建。

3.9光合表型成像PhotosyntheticPhenotyping

光合表型成像是利用調(diào)制與非調(diào)制葉綠素?zé)晒獬上窦夹g(shù)或多光譜熒光成像技術(shù)，對植

株生理狀態(tài)進(jìn)行探測的技術(shù)。該技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)對植物光合生理（光合效率、非光化學(xué)淬滅、

電子傳遞速率、光響應(yīng)曲線等）的測量，用于植物脅迫/病害早期診斷、遺傳育種（如抗性

篩選）等。

3.10熱成像ThermalImaging

熱成像是指通過非接觸探測紅外能量（熱量），并將其轉(zhuǎn)換為電信號，進(jìn)而將輻射的熱

像轉(zhuǎn)換為可見的二維圖像和溫度值的技術(shù)。該技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)對植物冠層溫度信息的獲取，

對植物的水分狀態(tài)和氣孔導(dǎo)度分布進(jìn)行評估，從而探測植物的蒸騰作用和耐寒能力，用于

脅迫檢測（如干旱、高溫）等。

3.11葉綠素?zé)晒膺b測ChlorophyllFluorescenceRemoteSensing

葉綠素?zé)晒膺b測是指通過主動光遠(yuǎn)距離照射植物冠層并激發(fā)葉綠素?zé)晒?，通過檢測可

見近紅外區(qū)域的熒光峰值變化，來探測冠層光合活性的技術(shù)。該技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)對植物光合

生理（光合效率、非光化學(xué)淬滅、電子傳遞速率等）的測量，用于植物脅迫/病害早期診斷、

遺傳育種（如抗性篩選）等。

3.12表型性狀PlantPhenotypicTraits

表型性狀是指能夠反映植物細(xì)胞、組織、器官、植株和群體的結(jié)構(gòu)及功能特征的物理、

生理和生化性質(zhì)，其本質(zhì)實(shí)際是植物基因圖譜的時(shí)序三維表達(dá)及其地域分異特征和代際演

進(jìn)規(guī)律。相同基因型植物在不同可控環(huán)境條件或相同可控環(huán)境條件下表現(xiàn)出來的不同表型，

包括形態(tài)結(jié)構(gòu)、生理功能和組分含量。其中形態(tài)結(jié)構(gòu)包括株高、冠幅、直徑、長度、寬度

等；生理功能包括光合作用、蒸騰作用等等；組分含量包括葉綠素、花青素、氮素等。

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3.13自動化系統(tǒng)AutomaticSystem

對于“plant-to-sensor”型高通量植物表型平臺，是指傳感器保持位置固定，植物根據(jù)自

動控制系統(tǒng)的控制指令，通過傳送帶等運(yùn)輸平臺進(jìn)入到工作區(qū)，傳感器對不同批次進(jìn)入的

植物進(jìn)行高通量表型數(shù)據(jù)采集和分析。對于“sensor-to-plant”型高通量植物表型平臺，是指

根據(jù)自動控制系統(tǒng)的控制指令，周期性帶動傳感器勻速運(yùn)動至目標(biāo)植物所在位置，實(shí)現(xiàn)對

單株或群體植物進(jìn)行高通量表型數(shù)據(jù)采集和分析。

3.14可控環(huán)境ControlledEnvironment

可控環(huán)境是指通過人工調(diào)控的方式在相對封閉的空間內(nèi)模擬與植物生長密切相關(guān)的

各種自然界氣象條件的特定小環(huán)境，如日光溫室、塑料大棚、人工氣候室等。這類環(huán)境下，

各種環(huán)境因子，如溫度、濕度、光照和CO2濃度等，可進(jìn)行自動或手動控制和調(diào)節(jié)，以滿足

植物生長的特定環(huán)境需求。

4建設(shè)規(guī)模與設(shè)施選擇

4.1用于玻璃溫室和鋁合金結(jié)構(gòu)的日光溫室的高通量植物表型平臺，選擇跨度6-12m、長

度12-200m的范圍，結(jié)合現(xiàn)有溫室支撐結(jié)構(gòu)，部署高通量表型平臺。機(jī)械結(jié)構(gòu)一般采

用鋼制或鋁合金制材料。

4.2用于塑料大棚的高通量植物表型平臺，選擇跨度6-12m，長度12-100m的范圍，新建支

撐結(jié)構(gòu)，部署高通量表型平臺。機(jī)械結(jié)構(gòu)一般采用鋼制或鋁合金制材料。

4.3用于人工氣候室的高通量植物表型平臺，選擇跨度2-8m，長度4-20m的范圍，新建支

撐結(jié)構(gòu)，部署高通量表型平臺。機(jī)械結(jié)構(gòu)一般采用型材材料。

4.4用于步入式環(huán)境模擬艙的高通量植物表型平臺，選擇跨度2-5m，長度2-5m的范圍，新

建支撐結(jié)構(gòu)，部署高通量表型平臺。機(jī)械結(jié)構(gòu)一般采用型材材料。

5自動化系統(tǒng)布設(shè)

5.1自動化控制硬件的搭設(shè)：根據(jù)使用環(huán)境、植物類型、傳感器特性、傳動機(jī)構(gòu)等，設(shè)計(jì)

和選擇相應(yīng)的自動化控制系統(tǒng)元器件和部件，包括供電單元、控制單元、執(zhí)行單元、

檢測單元，并搭建適合的數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)及存儲中心。

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5.2自動化控制軟件的編制和調(diào)試：硬件完成部署后，根據(jù)元器件的特性并結(jié)合用戶的操

作使用習(xí)慣等，編制并調(diào)試高通量植物表型平臺的手動運(yùn)行程序、自動運(yùn)行程序、故

障保護(hù)程序以及人機(jī)界面程序，實(shí)現(xiàn)表型平臺的自動、高效、安全的運(yùn)行。

6傳感器選型、性能和布設(shè)

6.1根據(jù)實(shí)際測量需求和目的來做傳感器選型

6.1.1只測量二維形態(tài)指標(biāo)時(shí)，選擇可見光成像。

6.1.2需要測量二維和三維形態(tài)指標(biāo)時(shí)，選擇可見光成像和三維激光，或者可見光成像和

激光雷達(dá)。

6.1.3需要測量冠層溫度時(shí)，選擇熱成像。

6.1.4需要測量冠層光譜信息時(shí)，選擇高光譜成像。

6.1.5需要測量冠層光合生理活性時(shí)，選擇光合表型成像或葉綠素?zé)晒膺b測。

6.1.6根據(jù)需要測量的表型性狀種類，確定需要選擇相關(guān)類型的傳感器。

6.2傳感器的測量范圍、分辨率和等技術(shù)性能應(yīng)符合表1和表2的要求

表1傳感器技術(shù)性能要求

傳感器一般性能要求供電要求工作溫度要求工作濕度要求

一般為12-48V5%-90%RH無冷

可見光成像相機(jī)分辨率≥2000萬像素-10C~50C

直流供電凝

相機(jī)分辨率≥30萬；

一般為12-48V5%-90%RH無冷

熱成像測溫精度≤±2°C；-10C~50C

直流供電凝

熱靈敏度≤50mk

相機(jī)分辨率≥100萬像素；

光合表型成一般為110-5%-90%RH無冷

具備調(diào)制與（或）非調(diào)制葉綠素-10C~50C

像240V交流供電凝

熒光成像功能

葉綠素?zé)晒饽軌蛟诰嚯x冠層50cm以上進(jìn)行一般為110-5%-90%RH無冷

-10C~50C

遙測葉綠素?zé)晒鉁y量；240V交流供電凝

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符合國家有關(guān)激光安全等級標(biāo)

準(zhǔn),不會對人體產(chǎn)生嚴(yán)重傷害；一般為12-48V5%-90%RH無冷

三維激光-10C~50C

點(diǎn)云采集速率≥5000000pt/s；直流供電凝

點(diǎn)云精度≤1mm；

需符合對高光譜傳感器的定義，

波段數(shù)量≥50；一般為12-48V5%-90%RH無冷

高光譜成像-10C~50C

光譜范圍需至少涵蓋可見光、紅直流供電凝

邊、近紅外等波段范圍；

符合國家有關(guān)激光安全等級標(biāo)

準(zhǔn),不會對人體產(chǎn)生嚴(yán)重傷害；一般為12-48V5%-90%RH無冷

激光雷達(dá)-10C~50C

點(diǎn)云采集速率≥5000000pt/s；直流供電凝

點(diǎn)云精度≤1mm；

6.3傳感器布設(shè)

6.3.1對于可見光成像傳感器的布設(shè)，一般采用垂直朝下或側(cè)面平行的形式，允許多角度

調(diào)節(jié)，且需布設(shè)相關(guān)補(bǔ)光設(shè)備，以確保傳感器成像質(zhì)量。

6.3.2對于熱成像傳感器的布設(shè)，一般采用垂直朝下或側(cè)面平行的形式，允許多角度調(diào)節(jié)，

以確保傳感器成像質(zhì)量。

6.3.3對于三維激光傳感器的布設(shè)，一般采用垂直朝下的形式，允許多角度調(diào)節(jié)，以確保

傳感器成像質(zhì)量。

6.3.4對于高光譜成像傳感器的布設(shè)，一般采用垂直朝下或側(cè)面平行的形式，允許多角度

調(diào)節(jié)，且需布設(shè)相關(guān)全光譜補(bǔ)光設(shè)備，以確保傳感器成像質(zhì)量。

6.3.5對于光合表型成像或葉綠素?zé)晒膺b測傳感器的布設(shè)，一般采用垂直朝下或側(cè)面平行

的形式，以確保傳感器成像質(zhì)量。

6.3.6對于激光雷達(dá)傳感器的布設(shè)，一般采用垂直朝下的形式，允許多角度調(diào)節(jié)，以確保

傳感器成像質(zhì)量。

7數(shù)據(jù)采集規(guī)范

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7.1自動化、高通量表型測量的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

7.1.1根據(jù)地塊和系統(tǒng)實(shí)際尺寸，劃分田塊、小區(qū)、單株等多個(gè)層級進(jìn)行實(shí)驗(yàn)布局和自動

化測量設(shè)置。

7.1.2實(shí)驗(yàn)布局的區(qū)域?qū)蛹墑澐肿裱瓘娜后w到個(gè)體、不同品種、不同處理、實(shí)驗(yàn)重復(fù)等的

對應(yīng)原則。

7.1.3每個(gè)最小層級(單株或群體)應(yīng)具有對應(yīng)的基因型和處理方式的標(biāo)識。

7.2路徑規(guī)劃

7.2.1可針對不同形式和規(guī)模的高通量植物表型平臺進(jìn)行路徑規(guī)劃；

7.2.2可針對不同數(shù)據(jù)采集和存儲原理的傳感器（推掃式和框幅式），根據(jù)其不同的工作

模式，制定傳感器（sensor-to-plant模式下）或植株（plant-to-sensor模式下）的行

走路徑，包括移動的速度、等待時(shí)間、采集時(shí)間、采集任務(wù)等；

7.2.3可選擇蛇形（S-型）、平行、交替等多種不同行列間切換模式；

7.2.4可進(jìn)行工作區(qū)域內(nèi)以任意方向的零點(diǎn)為起點(diǎn)，向前、后、左、右任意方向?yàn)槠鹗挤?/p>

向的路徑規(guī)劃；

7.2.5可針對高通量植物表型平臺所承載通量內(nèi)，同時(shí)創(chuàng)建一個(gè)或多個(gè)實(shí)驗(yàn)任務(wù)，并生成

相互不沖突的任務(wù)執(zhí)行路徑與執(zhí)行時(shí)間等工作；

7.2.6所有路徑規(guī)劃工作遵守最優(yōu)路徑規(guī)劃原理，保證平臺工作效率。

7.3數(shù)據(jù)采集

7.3.1支持同一軟件平臺對所有表型成像傳感器（可見光、三維激光、激光雷達(dá)、高光譜、

熱成像、光合表型成像、葉綠素?zé)晒膺b測等）的控制、觸發(fā)與數(shù)據(jù)采集，保證用戶

使用平臺的便捷性與交互性；

7.3.2支持對平臺內(nèi)正在進(jìn)行的一個(gè)或多個(gè)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行單次或多次重復(fù)的數(shù)據(jù)采集任務(wù)的創(chuàng)

建；

7.3.3創(chuàng)建的數(shù)據(jù)采集任務(wù)，可排序后組建任務(wù)執(zhí)行列表，提高客戶使用平臺的便捷性；

7.3.4支持自動和手動兩種采集模式：自動采集模式可設(shè)定數(shù)據(jù)采集工作、頻次、時(shí)間間

隔等；手動采集模式可在平臺任意采集任務(wù)空閑期間執(zhí)行手動數(shù)據(jù)采集任務(wù)；

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7.4數(shù)據(jù)存儲

7.4.1數(shù)據(jù)存儲以單次采集任務(wù)開始的時(shí)間戳（年、月、日）命名一級文件夾，以對應(yīng)表

型傳感器命名二級文件夾，以對應(yīng)數(shù)據(jù)采集并進(jìn)行存儲的時(shí)間戳（年、月、日、時(shí)）

命名三級文件夾便于用戶對采集到的表型數(shù)據(jù)進(jìn)行分類管理和時(shí)間序列分析；

7.4.2單個(gè)數(shù)據(jù)文件應(yīng)可以對應(yīng)到實(shí)際植物信息（品種、基因型、實(shí)驗(yàn)處理、重復(fù)等信息），

方便用戶對數(shù)據(jù)進(jìn)行匹配對應(yīng)；

7.4.3不同表型傳感器采集的文件均可根據(jù)需求選擇存儲原始數(shù)據(jù)文件、輔助文件、格式

轉(zhuǎn)換后文件；

7.4.4數(shù)據(jù)可選擇存儲在本地服務(wù)器或云服務(wù)器內(nèi)，服務(wù)器需具備良好的數(shù)據(jù)安全功能；

7.4.5數(shù)據(jù)存儲周期內(nèi)數(shù)據(jù)庫應(yīng)具備良好的數(shù)據(jù)備份能力；

8數(shù)據(jù)分析規(guī)范

8.1對于可見光成像結(jié)果，應(yīng)具備標(biāo)準(zhǔn)色彩校準(zhǔn)功能，確保圖像色彩質(zhì)量；數(shù)據(jù)分析結(jié)果，

應(yīng)包含圖像數(shù)據(jù)與表格數(shù)據(jù)；

8.2對于三維激光掃描結(jié)果，應(yīng)實(shí)現(xiàn)所有標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)云數(shù)據(jù)格式的轉(zhuǎn)換，如ply、xyz、tiff等；

數(shù)據(jù)分析結(jié)果，應(yīng)包含圖像數(shù)據(jù)與表格數(shù)據(jù)；

8.3對于激光雷達(dá)掃描結(jié)果，應(yīng)實(shí)現(xiàn)所有標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)云數(shù)據(jù)格式的轉(zhuǎn)換，如ply、xyz、tiff等；

數(shù)據(jù)分析結(jié)果，應(yīng)包含圖像數(shù)據(jù)與表格數(shù)據(jù)；

8.4對于高光譜成像結(jié)果，應(yīng)具備光譜校準(zhǔn)功能，包括白板校準(zhǔn)和暗電流校準(zhǔn)；數(shù)據(jù)分析

結(jié)果，應(yīng)包含圖像數(shù)據(jù)與表格數(shù)據(jù)；

8.5對于光合表型成像結(jié)果，數(shù)據(jù)分析結(jié)果，應(yīng)包含圖像數(shù)據(jù)與表格數(shù)據(jù)；

8.6對于熱成像結(jié)果，應(yīng)具備背景去噪功能，可對植物不同部位進(jìn)行溫度顯示；數(shù)據(jù)分析

結(jié)果，應(yīng)包含圖像數(shù)據(jù)與表格數(shù)據(jù)；

8.7對于葉綠素?zé)晒膺b測結(jié)果，數(shù)據(jù)分析結(jié)果，應(yīng)至少包含表格數(shù)據(jù)；

8.8對于所有高通量植物表型平臺數(shù)據(jù)分析模塊，應(yīng)具備數(shù)據(jù)可視化功能，支持按時(shí)間序

列、試驗(yàn)時(shí)間、品種、基因型、各個(gè)分析參數(shù)進(jìn)行多源、多維度數(shù)據(jù)可視化。支持折

線、散點(diǎn)、熱力圖、箱型圖、雷達(dá)圖等多類型圖表可視化

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9安全

9.1安全標(biāo)志

9.1.1交流電源機(jī)箱門上、交流電源端子旁應(yīng)具有危險(xiǎn)警示標(biāo)志，標(biāo)志應(yīng)與GB47931-2007

中表1的符號12一致。

9.1.2交流電源斷開裝置上應(yīng)具有通斷標(biāo)志。

9.1.3標(biāo)志耐久性應(yīng)符合GB47931-2007中53的要求。

9.2防電擊危險(xiǎn)

9.2.1可觸及零部件(包括機(jī)箱門打開后的可觸及零部件)對地(機(jī)殼)的直流電壓應(yīng)不大于

50V，交流電壓應(yīng)不