普渡大學(xué)農(nóng)學(xué)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(lǐng)域，準(zhǔn)備使用普渡大學(xué)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(jī)收集數(shù)據(jù)。普渡大學(xué)農(nóng)業(yè)與生物工程學(xué)系的助理教授Jian Jin希望他的高光譜成像設(shè)備將在國內(nèi)外的植物科學(xué)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(xué)的教授已經(jīng)構(gòu)建了一種創(chuàng)新的手持式傳感器，該傳感器為植物科學(xué)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(xué)農(nóng)業(yè)與生物工程學(xué)系的助理教授Jian Jin希望他的高光譜成像設(shè)備將在國內(nèi)外的植物科學(xué)家和農(nóng)民中廣泛使用。該設(shè)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(xué)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(shè)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(jìn)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(shè)備和智能手機(jī)從大型公司和大型大學(xué)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(shù)中受益。現(xiàn)在，有了這款手持設(shè)備，大多數(shù)農(nóng)民都可以從中受益�！�

這項技術(shù)與普渡大學(xué)的“大躍進(jìn)”相呼應(yīng)，以此慶祝該大學(xué)在普渡大學(xué)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(jìn)步。這是為期一年的慶祝活動思想節(jié)的四個主題，旨在向人們展示普渡大學(xué)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(jī)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(shù)都集成到了輕巧易攜帶的手持設(shè)備中。”

該傳感器集成了先進(jìn)的圖像處理算法和普渡大學(xué)科學(xué)家開發(fā)的植物特征預(yù)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(jìn)和更新。

金說：“因此，我們總是對農(nóng)民有最準(zhǔn)確的預(yù)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(shù)來根據(jù)當(dāng)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(zhǔn)確性和效率。

金說，他的傳感器比目前植物科學(xué)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(shù)原因，該傳感器的預(yù)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(zhǔn)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(shù)，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(jié)果上傳到由Purdue的Advanced Computing Group的Carol Song及其團(tuán)隊開發(fā)的基于Web的云地圖服務(wù)。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(yīng)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(yán)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(yù)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(wù)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(shè)備的自動化。去年冬天，他和他的研究生與普渡大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院的一個高級設(shè)計小組一起工作，并成功實現(xiàn)了一個機(jī)器人，該機(jī)器人利用溫室中的傳感器自動掃描葉片。機(jī)器人利用機(jī)器視覺識別目標(biāo)葉子并將傳感器帶到那里，以便沿著葉子的自然坡度進(jìn)行快速掃描操作。在溫室中獲得成功的鼓舞，Jin和他的團(tuán)隊正在著手設(shè)計農(nóng)田環(huán)境中的下一個機(jī)器人。

機(jī)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�?fù)]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(lǐng)該設(shè)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(rèn)為，使數(shù)據(jù)更有價值是使設(shè)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(wù)�！� “我們在普渡大學(xué)擁有出色的團(tuán)隊合作，以實現(xiàn)這一目標(biāo)。除了ABE的工程師以外，普渡大學(xué)的育種家和生物學(xué)家還大力支持傳感器的開發(fā)，其中包括普渡大學(xué)植物科學(xué)研究所科學(xué)主任Mitch Tuinstra教授和Tony Vyn，作物科學(xué)的Henry A. Wallace主席。Carol Song和她的高級計算小組的數(shù)據(jù)科學(xué)家團(tuán)隊提供了GIS地圖功能。AgriculturalEconomics的Gerald Shively一直在推動該設(shè)備作為社會科學(xué)家的應(yīng)用。”

普渡大學(xué)技術(shù)商業(yè)化辦公室已為該技術(shù)申請了三項臨時專利。