盆栽的九葉玉米植物坐落在飛盤大小的盤子上。串聯(lián)開始旋轉(zhuǎn)像一個(gè)巨大的音樂盒頂部的中心，每秒三度，并在兩分鐘后，植物已旋轉(zhuǎn)到其原始位置。

又過了一分鐘，在附近的屏幕上出現(xiàn)了Seuss博士調(diào)色板中的數(shù)字三維圖像：洋紅色和藍(lán)綠色和黃色，每個(gè)葉子呈現(xiàn)出不同的色調(diào)，但幾乎與其形狀，大小和角度的實(shí)際對(duì)應(yīng)物相同。

該渲染及其相關(guān)數(shù)據(jù)來自LiDAR，這是一種在表面發(fā)射脈沖激光并測(cè)量這些脈沖反射回來所需時(shí)間的技術(shù) - 延遲越大，距離越大。通過在整個(gè)旋轉(zhuǎn)過程中掃描植物，這種360度LiDAR技術(shù)可以收集數(shù)以百萬計(jì)的三維坐標(biāo)，然后復(fù)雜的算法將其聚類并數(shù)字化模擬到植物的組成部分：葉子，莖，耳朵。

內(nèi)布拉斯加大學(xué)林肯分校的Yufeng Ge，Suresh Thapa及其同事設(shè)計(jì)了這種方法，作為一種自動(dòng)有效地收集植物表型數(shù)據(jù)的方法：從遺傳密碼中得出的物理特征?？梢允占欤鼫?zhǔn)確的表型數(shù)據(jù)，研究人員可以更容易地比較針對(duì)特定性狀進(jìn)行育種或基因工程的作物 - 最好是那些有助于生產(chǎn)更多食物的作物。

研究人員表示，為了滿足全球人口的糧食需求，加速這項(xiàng)努力尤其重要，預(yù)計(jì)全球人口將從目前的約75億人口增長(zhǎng)到2050年的近100億人口。

“我們已經(jīng)可以非常迅速地進(jìn)行DNA測(cè)序和基因組研究，”生物系統(tǒng)工程助理教授Ge說。“為了更有效地利用這些信息，你必須將它與表型數(shù)據(jù)結(jié)合起來。這樣你就可以回過頭來仔細(xì)研究遺傳信息。但現(xiàn)在(達(dá)到)瓶頸，因?yàn)槲覀儾荒苓@樣做我們想要以低成本快速行進(jìn)。“

Ge說，每個(gè)工廠三分鐘，該團(tuán)隊(duì)的設(shè)置運(yùn)行速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過大多數(shù)其他表型技術(shù)。但速度在沒有準(zhǔn)確性的情況下很少發(fā)生，因此該團(tuán)隊(duì)還使用該系統(tǒng)來估計(jì)玉米和高粱植物的四個(gè)特征。前兩個(gè)特征 - 單個(gè)葉子的表面積和植物上的所有葉子 - 有助于確定植物能夠產(chǎn)生多少能量產(chǎn)生的光合作用。另外兩個(gè) - 葉子從莖伸出的角度以及這些角度在植物中變化的程度 - 影響光合作用以及在田地中種植作物的密度。

將系統(tǒng)的估算與仔細(xì)測(cè)量玉米和高粱植物進(jìn)行比較后發(fā)現(xiàn)了有希望的結(jié)果：91%的個(gè)體葉片表面積和95%的總?cè)~面積。角度估計(jì)的準(zhǔn)確性通常較低，但仍然在72%至90%之間，具體取決于植物的變量和類型。

相機(jī)SHY

迄今為止，最常見的三維表型形式依賴于立體視覺：兩個(gè)相機(jī)同時(shí)捕獲植物的圖像，并通過識(shí)別兩個(gè)圖像中的相同點(diǎn)將它們的視角合并為3-D的近似值。

雖然成像在許多方面徹底改變了表型，但確實(shí)存在缺陷。Ge說，最短的是在從3-D到2-D的平移過程中不可避免地丟失空間信息，特別是當(dāng)植物的一部分阻擋相機(jī)對(duì)另一部分的視圖時(shí)。

“對(duì)葉片面積和葉片角度等特性來說尤其具有挑戰(zhàn)性，因?yàn)閳D像不能很好地保留這些特征，”葛說。

研究人員表示，360度激光雷達(dá)方法可以解決這些問題中較少的問題，并且在從數(shù)據(jù)構(gòu)建三維圖像時(shí)需要較少的計(jì)算資源。

“LiDAR在吞吐量和速度以及準(zhǔn)確度和分辨率方面都具有優(yōu)勢(shì)，”生物系統(tǒng)工程博士生Thapa說。“而且它比以前更加經(jīng)濟(jì)。”

展望未來，該團(tuán)隊(duì)希望在其LiDAR設(shè)置中引入不同顏色的激光器。植物反射這些額外激光的方式將有助于說明它如何吸收水和氮 - 植物生長(zhǎng)的基本要素 - 并產(chǎn)生光合作用所必需的葉綠素。

“如果我們可以解決化學(xué)方面的這三個(gè)(變量)和形態(tài)方面的其他四個(gè)(變量)，然后將它們結(jié)合起來，我們將有七個(gè)屬性可以同時(shí)測(cè)量，”Ge說。“那我真的很開心。”