INDUSTRIAL

图像传感器

测定植物对环境胁迫的反应!
揭秘助力智慧农业发展的感知技术<后篇>

June 21, 2023

前篇介绍了在培育农作物时,测定植物对环境胁迫的反应的重要性。后篇将介绍植物压力可视化在实际情况中是如何助力农业发展的。以及今后高光谱相机的应用将给农业带来哪些影响。通过对两人的采访,SSS所追求的智慧农业的形象逐渐变得清晰起来。

── 此次的感知技术具有哪些优势?

(小川)
主要有两方面。
首先,参与研究开发的人员都能放开手脚大胆开发,大家都盼着能早日用上自己的研发成果。 此次的活动是由东北大学基础研究、SSS技术开发、冲绳县农业研究中心三方共同开展实证研究推进的。我们三方对于“要怎么做、用于什么用途”都有坚定的信念,正因为如此,大家才能坚持下来,克服重重困难,完成那些成本高又麻烦的开发和实证实验。
比如在先行研究中,有一个环节需要我们分两次分别测量日出前和白天的数据,再通过减法得到所需数据,而考虑到自己使用的情况,我们首先研究的是如何可以省去日出前的测量。另外,过去的高光谱相机,一次成像需要数十秒的时间。而农场中田地不平整,很难设置三脚架,就算设置了,由于冲绳经常刮大风,植物也会摇晃得很厉害。鉴于这种情况,手持款式应该会更合适。虽然过去的开发工作也会听取客户的意见,但如果我们要自己使用这项技术,我们将尝试以超越我们各自立场的最佳方法来解决,即无论是通过技术、研究、使用案例来解决,还是将它们组合起来进行解决。我认为,在明确目标和寻找解决方案的活动中,这种由亲自使用这项技术这一纯粹的愿望驱动的研发方式,在速度和最优性方面会产生巨大的影响。

其次,就是SSS拥有实现上述目标所不可缺少的基础技术。刚才我说了,普通的高光谱相机成像时间较长,而此次我们使用的高光谱相机,只需像普通相机那样按下快门,就能在短时间内成像。SSS拥有长期积累的基础光学技术,也有目前正在研发并将在未来实现的新技术。因此,我们的技术检查范围非常广泛,可以用来实现我们的目标,并且我们也非常清楚它们的局限性。在像这样的研发活动中,将新的和不同的研究领域结合在一起,我们认为这有助于设计可行但存在困难的目标。

(玉城)
过去在测量光合作用速度时,很多时候都以一片叶子为测量对象。虽然也有以园艺设施内的植物群落为对象的测量方法,但那需要准备特殊的环境,比如需要很多传感器,测量时必须在一定时间内阻止CO2流入等,非常麻烦。近年来,在无人机等设备上搭载植物传感器的方法颇为盛行,但是还没有一种传感技术像我们研究开发的技术那样,能用相机立即测量不断变化的植物对环境胁迫和光合作用的速度。

(小川)
我们目前的研究以测量广域植物冠层为目的,同时使用能区分单片叶子的高分辨率感知技术,并建立一个考虑到有的地方需要测量,且每个地方都具有不同生理状态的分析过程。想象一下人类医学,如果想听心音,把听诊器按在病人的手上或脚上是无法作出准确诊断的。即使把听诊器按在病人背部或胸部的多个地方,也很可能在不同的地方存在差异,而且可以通过了解这些差异的原因,从而作出诊断。而对于植物进行光合作用的叶子,在理解其机制的基础上进行测量非常重要。我们与大学的共同研究,还涵盖了确定测量部位这一学术问题。

今后计划引进的高光谱相机

增强农业熟练度、扩大产量、改良品种,应用场景不断扩大

── 请介绍一下高光谱相机的未来前景。

(玉城)
刚才提到了测量光合作用和NPQ*1,如果能了解这两方面的数据,我们就能掌握更多信息。如果NPQ很低,但光合作用不积极,我们就可以聚焦疾病、虫害或者树木本身的缺陷等问题,迅速处理。如果能聚焦问题并迅速处理,那么少量的人手也能应对。对于解决人手短缺、以及无论年轻人还是经验丰富的老农户都要能确保产量的经济课题,也有极大帮助。高光谱相机能帮助农户把握状况,而这是过去无法做到的,这让我们对高光谱相机寄予了厚望。

特别是这款高光谱相机有一个非常显著的优点,那就是分辨率高、成像效果好。如下合成图像A所示,清晰呈现了每一片叶子的形状,而且可以通过照片上的颜色进行确认。从这些颜色中,我们可以判断植物的压力状况和光合作用情况。对于研究人员来说,如果有数值就能进行评估,但这对普通农户来说是很难的。如果能通过颜色判断,就会成为一项任何人都能掌握的技术。

另外,我认为这款相机在品种改良领域也能发挥作用。从加速生长、结出丰硕果实的角度来说,光合作用有着非常重要的作用,因此,用相机测量品种改良的结果、植物的生长状况,就能提供技术上的支持。如果推进品种改良,培育抗压力性强的品种,就能通过田间的测量,与以前的品种进行实际比较,从而实现更加准确的验证。

*1) 收集的光能不用于光合作用,而是作为热能废弃的机制

合成图像A

── 冲绳县农业研究中心对未来的SSS有怎样的期待?

(玉城)
在我们平常实施的试验中,如果按照设计实施,通常都能看到一定的成果。在产品开发中,也几乎不涉及从零开始的产品开发,基本上都是在已有的基础上再融入一些新创意来打造试制品。
但是,此次与SSS的研究开发,因为运用了先进技术,所以在研究开发的过程中,会遇到新的问题。我们会正视那些意想不到的课题,并逐一解决。我认为这些新的课题与发现,一定会在未来发挥作用,所以,希望今后继续与他们一起努力。

── SSS未来将如何参与智慧农业的发展?

(小川)
除了提升农业现场的生产率,SSS还希望为地球环境做贡献。例如,如果过度施肥,剩余肥料就会流入河流,造成河流污染。我们相信,在有效利用地球有限资源的同时保护环境,是我们应该作出的重要贡献。
另外,我个人对家庭菜园很感兴趣,也很喜欢这方面的研究,所以我希望研究能出成果,进而回馈SSS与冲绳县的农业。

(玉城)
小川总是充满热情。和这样的人一起进行研究开发,让我的每一天都充满了激情。今后,我希望能继续和小川一起努力。