普渡大學農(nóng)學系的博士后研究助理尼爾·卡彭特（Neal Carpenter）（左）走遍了玉米和高粱領域，準備使用普渡大學開發(fā)的手持式傳感器來測量植物的健康狀況。馬修·芬頓（Matthew Fenton）使用智能手機收集數(shù)據(jù)。普渡大學農(nóng)業(yè)與生物工程學系的助理教授Jian Jin希望他的高光譜成像設備將在國內(nèi)外的植物科學家和農(nóng)民中廣泛使用。圖片提供：Purdue Research Foundation圖片/ Oren Darling

普渡大學的教授已經(jīng)構建了一種創(chuàng)新的手持式傳感器，該傳感器為植物科學家和農(nóng)民提供了一種更精確的方法來測量農(nóng)作物的健康狀況，同時可以收集最新的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)可以為州和聯(lián)邦官員以及其他人提供有價值的信息。

普渡大學農(nóng)業(yè)與生物工程學系的助理教授Jian Jin希望他的高光譜成像設備將在國內(nèi)外的植物科學家和農(nóng)民中廣泛使用。該設備會掃描植物的生理特征，例如水分，養(yǎng)分和葉綠素水平，以及不同的化學噴灑效果和疾病癥狀，以確定植物是否健康或處于壓力下。

金說，他制造的高光譜成像設備將幫助農(nóng)民在肉眼看不見的數(shù)小時至數(shù)天的時間內(nèi)檢測出植物健康的變化。它還將允許農(nóng)民進行必要的改變，以使用更少的資源來種植更多的糧食，例如減少肥料和水的使用。

Jin說：“我的愿景是，這種傳感器將允許走過田野的家庭農(nóng)民使用手持設備和智能手機從大型公司和大型大學建造的非常昂貴的表型系統(tǒng)中獲得相同的信息，”金說�！拔覀冊谌�球有6億農(nóng)民，其中很少有人從高端植物傳感器技術中受益。現(xiàn)在，有了這款手持設備，大多數(shù)農(nóng)民都可以從中受益�！�

這項技術與普渡大學的“大躍進”相呼應，以此慶祝該大學在普渡大學成立150周年之際在健康，太空，人工智能和可持續(xù)發(fā)展方面取得的全球進步。這是為期一年的慶�；顒铀枷牍�(jié)的四個主題，旨在向人們展示普渡大學作為解決現(xiàn)實世界問題的知識中心。

該傳感器可以在不到五秒鐘的時間內(nèi)掃描植物，與傳統(tǒng)相機所檢測到的三個顏色帶相比，每個像素可以檢測數(shù)百個顏色帶。一個版本還從植物上發(fā)射出一束熒光。兩者均用于測量植物的壓力和營養(yǎng)水平。

Jin說：“我們將硬件和軟件技術都集成到了輕巧易攜帶的手持設備中。”

該傳感器集成了先進的圖像處理算法和普渡大學科學家開發(fā)的植物特征預測模型。這些模型是使用Purdue的數(shù)據(jù)庫開發(fā)的，該數(shù)據(jù)庫包含多年溫室和田間植物研究測定方法。模型也在不斷地改進和更新。

金說：“因此，我們總是對農(nóng)民有最準確的預測�！�

在過去的十年中，植物表型的飛速發(fā)展，因為越來越多地使用技術來根據(jù)當前條件提高效率，而不是農(nóng)民依靠區(qū)域條件和歷史數(shù)據(jù)來做出決定。大多數(shù)農(nóng)場手動檢查植物健康狀況，但缺乏準確性和效率。

金說，他的傳感器比目前植物科學家使用的精確度更高，后者可以鉗住一片葉子并僅測量一部分植物的健康狀況。

Jin說：“由于多種技術原因，該傳感器的預測質(zhì)量比人們在現(xiàn)有市場上擁有的任何其他類型的作物成像傳感器都更加準確�！� “由于我們每天都在掃描植物，并且正在升級硬件和軟件技術，因此它也在不斷改善�！�

盡管該傳感器是獨立的，但用戶還可以選擇將具有地理位置的測量結果上傳到由Purdue的Advanced Computing Group的Carol Song及其團隊開發(fā)的基于Web的云地圖服務。該系統(tǒng)基于傳感器的測量值生成植物壓力和營養(yǎng)熱圖，并在農(nóng)場和區(qū)域級別提供交互式的農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)查詢功能。這種帶有傳感器數(shù)據(jù)的數(shù)字農(nóng)業(yè)地圖系統(tǒng)可以支持許多潛在的應用。例如，收集的數(shù)據(jù)將為州和聯(lián)邦官員提供有價值的信息，說明他們在嚴重的農(nóng)作物緊張時期可以采取哪些措施來幫助農(nóng)民，以及可以預期的農(nóng)作物產(chǎn)量信息。

他說：“如果我們能夠在該地區(qū)成功地分布傳感器，那么我們就可以生成這種數(shù)字化農(nóng)業(yè)地圖服務來監(jiān)視整個地區(qū)的植物生長-哪些地區(qū)承受壓力，哪些地區(qū)表現(xiàn)良好。”

ABE的Jin小組正在研究該設備的自動化。去年冬天，他和他的研究生與普渡大學機械工程學院的一個高級設計小組一起工作，并成功實現(xiàn)了一個機器人，該機器人利用溫室中的傳感器自動掃描葉片。機器人利用機器視覺識別目標葉子并將傳感器帶到那里，以便沿著葉子的自然坡度進行快速掃描操作。在溫室中獲得成功的鼓舞，Jin和他的團隊正在著手設計農(nóng)田環(huán)境中的下一個機器人。

機器人系統(tǒng)可能看起來像蜘蛛形變壓器：它在作物行之間移動，每條腿都裝有傳感器，可以非�？斓負]舞和掃描田間的葉子。Jin希望原型能夠在2019年的生長季節(jié)中運行。

Jin正在尋找可以帶領該設備商業(yè)化的合作者，尤其是在營銷和批量生產(chǎn)方面。他認為，使數(shù)據(jù)更有價值是使設備低成本的最佳方法。

他說：“我們希望獲得更多的數(shù)據(jù)，以便我們可以擁有更多有價值的數(shù)據(jù)服務�！� “我們在普渡大學擁有出色的團隊合作，以實現(xiàn)這一目標。除了ABE的工程師以外，普渡大學的育種家和生物學家還大力支持傳感器的開發(fā)，其中包括普渡大學植物科學研究所科學主任Mitch Tuinstra教授和Tony Vyn，作物科學的Henry A. Wallace主席。Carol Song和她的高級計算小組的數(shù)據(jù)科學家團隊提供了GIS地圖功能。AgriculturalEconomics的Gerald Shively一直在推動該設備作為社會科學家的應用。”

普渡大學技術商業(yè)化辦公室已為該技術申請了三項臨時專利。