3D掃描儀

· Artec Space Spider

挑戰：多年生黑麥草高通量表型研究員需要一種全新方式，能在項目期間為160株單株植物測量6-8次，同時(shí)不損傷植株，幫助育種者和農民找到具備好的性狀的植物。

解決方案：Artec Space Spider, Artec Studio, ImageJ, 3D Slicer

效果：Artec Space Spider短短幾分鐘完成了每株黑麥草麥穗的精準捕獲，為每棵植株制成亞毫米級精度的3D模型，也為研究人員提供了深入視角，完整呈現了黑麥草的整個(gè)生長(cháng)周期。掃描完成后，對麥穗3D模型進(jìn)行數字骨骼提取，精準體現了麥穗具體結構。

開(kāi)花的黑麥草麥穗

目前，全世界糧食短缺，且形勢不斷惡化。全球人口還在不斷激增，預計2050年，全球人口將超過(guò)97億。多位專(zhuān)家認為，屆時(shí)，糧食產(chǎn)量需要提高50-98%，才能維持基本的糧食安全。但是，這一數據并未考慮氣候變化問(wèn)題帶來(lái)的不確定因素，在不斷邁向2050年的同時(shí)，氣變問(wèn)題也在逐漸惡化。

世界各地的農民都面臨著(zhù)日益嚴峻的挑戰——如何在越來(lái)越少的土地上種植更多的農作物，如何在干旱、洪水、瘟疫和植物病害的摧殘下，通過(guò)某種方式確保農作物產(chǎn)量穩定。

全世界每天都有成千上萬(wàn)人吃不飽，要滿(mǎn)足目前的糧食需求，已經(jīng)是項不小的挑戰。如果要破解這一難題，就需要實(shí)現農業(yè)上的獨特創(chuàng )新，這也是全球專(zhuān)家的共識。

新技術(shù)的歷史淵源

在這樣的大環(huán)境下，提高農作物產(chǎn)量的前沿創(chuàng )新方式之一就是高通量表型（HTP）。簡(jiǎn)而言之，表型分析就是通過(guò)觀(guān)察和分析特定植物，確定植物的可觀(guān)察性狀，并進(jìn)行預測。一萬(wàn)多年來(lái)，農民們正是這樣做的。

荷魯斯神殿中的古埃及牧師手握小麥，約公元前2世紀

農民走過(guò)田野時(shí)，精心挑選性狀理想的植物，收集它們的種子，來(lái)年種植。農民直接從田野間的農作物上剝下種子，而那些已經(jīng)從植物上剝落（或落粒）的種子不予考慮。有蟲(chóng)害和其他缺點(diǎn)的植物也不被采納。

幾代人反復這樣的過(guò)程，才在一定程度上為我們留下了大量營(yíng)養好、適應性強的作物，幫助養活了世上數十億人。目前，人類(lèi)大約75%的卡路里來(lái)自12種主要農作物，因此，重點(diǎn)研究這些植物，就更有可能滿(mǎn)足人類(lèi)不斷增長(cháng)的糧食需求。

將“高通量”與表型技術(shù)結合起來(lái)，就更有意思了。這項技術(shù)主要是指通過(guò)各種無(wú)損工具和技術(shù)，快速提高植物數據收集和分析的準確性。傳統表型分析方法要將植物切碎，再運回實(shí)驗室分析。隨后，用直尺和游標卡尺對植物復雜的物理性狀進(jìn)行深入研究和測量。

解決行業(yè)普遍問(wèn)題，迫在眉睫

手工測量是一種費時(shí)費力的做法，使用了數十年，已經(jīng)成為了行業(yè)標準，但是隨著(zhù)技術(shù)的不斷發(fā)展，高通量表型迅速興起。美國太空部隊少校Travis Tubbs是一名研究員，他認識到HTP具有巨大潛力，能更快、更準確地無(wú)損采集植物數據。他在俄勒岡州立大學(xué)研究多年生黑麥草時(shí)，很想找到一種方法，可以精確分析數百種植物，而且，所需時(shí)間會(huì )比過(guò)去少很多。

多年生黑麥草圖示（Lolium perenne）

多年生黑麥草是受歡迎、適應性強的喜涼作物，許多國家用它來(lái)飼養牲畜。2019年，僅在俄勒岡州，就收獲了3.6億磅黑麥草種子，銷(xiāo)售價(jià)值超過(guò)1.86億美元。但是，種子脫落導致提前落粒，則意味著(zhù)每年黑麥草減產(chǎn)至少20%。

許多植物都有落粒的性狀，如果種子在合適的時(shí)期脫落，那么就能散播種子，形成新作物。

俄勒岡州立大學(xué)Hyslop作物科學(xué)田間研究實(shí)驗室的多年生黑麥草

Tubbs說(shuō)：“為了準確找出哪些黑麥草品系不容易出現提前落粒，我們需要分析數百種植株的小穗，測定種子的穩固程度以及小穗的高度和長(cháng)度。如果使用原來(lái)的手動(dòng)測量法，手里將有一堆枯死的植株，而且你是永遠不可能在生長(cháng)周期短暫的時(shí)間窗口內精準測量這么多小穗的。”

三維掃描閃亮登場(chǎng)

Tubbs研究了攝影測量學(xué)和其他類(lèi)似的快速數據捕獲法，他差點(diǎn)打算自行設計三維掃描儀，用于田野研究。當時(shí)，他正好訪(fǎng)問(wèn)了埃太科三維網(wǎng)站，發(fā)現了Artec Space Spider，這是一款手持式專(zhuān)業(yè)三維掃描儀，多年來(lái)一直是受研究人員的喜愛(ài)。他迅速聯(lián)系了當地經(jīng)銷(xiāo)商，并安排了現場(chǎng)演示。

Artec Space Spider

埃太科金牌經(jīng)銷(xiāo)商Digital Scan 3D的Richman Siansimbi見(jiàn)了Tubbs，他們一起使用Space Spider掃描了黑麥草部分樣品。那天下午，Tubbs發(fā)現Space Spider的亞毫米級掃描能呈現大量細節，用于分析，而且在Siansimbi的幫助下，他們進(jìn)行了實(shí)驗，找到了一種可重復操作的工作流來(lái)掃描黑麥草，且過(guò)程輕松，這一方法Tubbs一直用到今天。

Tubbs只要走進(jìn)田間，找到要捕獲的小穗，然后，小心翼翼地將小穗頂部彎到地面，放在掃描背景下。起初，這塊背景是一條紫色的橡膠運動(dòng)帶，因為它又寬又軟，可以平放在地上，掃描過(guò)程中保持不動(dòng)，每株植株的掃描時(shí)間不到一分鐘。

Artec Studio 15中Space Spider掃描黑麥草麥穗的截屏

通過(guò)不斷嘗試，并咨詢(xún)埃太科網(wǎng)站在線(xiàn)客服，Tubbs發(fā)現改用堅硬的黑白木板作背景，再用Artec Studio軟件處理掃描會(huì )更容易。要想更簡(jiǎn)單，Tubbs建議用報紙即可，如果遇上大風(fēng)，可以?xún)蓚葔阂幌隆?/span>

見(jiàn)證科技的卓越精度

為了證實(shí)Artec Space Spider的精準度，Tubbs想到了標尺，用尼康D5000數碼單反相機為其拍照。然后，他用ImageJ軟件處理了照片，在20厘米長(cháng)的標尺上對每一厘米作了標記。隨后在掃描模型上重復該過(guò)程。

上圖：三維 Artec Space Spider掃描的標尺，每厘米都作了標記。下圖：尼康D5000相機拍攝的平面圖，由ImageJ軟件測量

平面圖像測量精度與 Artec Space Spider三維精度對比圖

隨后，Tubbs將測量值繪制成圖，直觀(guān)地比較兩種方式的精度。從圖表上看，兩種方法都能準確地測量多年生黑麥草穗，且還原度高。 照片的測量誤差為±1.72毫米。而Space Spider的掃描誤差為±0.09毫米。兩種方法的精度并無(wú)統計意義上的差異（P值為0.92），證實(shí)了設備精度很高。

夜幕下掃描黑麥草麥穗

兩年項目期內，如果需要掃描，Tubbs會(huì )在日出前驅車(chē)前往俄勒岡州立大學(xué)的Hyslop作物科學(xué)田間研究實(shí)驗室。先掃描幾個(gè)小時(shí)，到傍晚再繼續掃描。 Artec Space Spider的獨特捕獲方法意味著(zhù)Tubbs甚至可以夜間掃描，哪怕光線(xiàn)很暗也沒(méi)關(guān)系。畢竟，Tubbs總共種了640株黑麥草。

谷歌地圖標記了美國農業(yè)部供應的40種不同黑麥草種子的來(lái)源

這些美國農業(yè)部收集的植物種子來(lái)自全球40個(gè)區域，它們分布在愛(ài)爾蘭、丹麥、比利時(shí)、荷蘭、希臘、阿爾及利亞、新西蘭、美國等地。Tubbs培育了這40顆種子，待成熟后選出了遺傳“家族”中4株具代表性的植株，“復制”出160株，最后又對160株植物克隆了四次，并大面積隨機種植，來(lái)剔除環(huán)境變量。

Tubbs只掃描了一組復制植株，也就是整個(gè)640株植物中的1/4，研究小規模的植株樣品，Tubbs就能在項目期內對每個(gè)植株掃描、分析6-8次。Space Spider完成了大約800份高分辨率三維掃描，為Tubbs提供了海量精準數據，揭示了大量有用信息，這些數據可以說(shuō)明哪些植株不容易出現落?，F象，以及背后的原因。

Artec Studio 15中Space Spider掃描的黑麥草X光模式截圖

Tubbs總結了這段時(shí)間以來(lái)的掃描經(jīng)驗，他說(shuō)：“每次掃描前，我都會(huì )標記好麥穗，一周后再捕獲麥穗。重復三、四次后，我就能自信地說(shuō)出每根麥穗和小穗過(guò)去和現在的樣子。從頭到尾，你都能精確測量出每根麥穗各個(gè)結構的生長(cháng)情況。”

Tubbs繼續說(shuō)道：“傳統的表型分析法無(wú)法觀(guān)察植物生長(cháng)周期中的具體時(shí)間窗口。你必須先破壞植物才能測量。這樣一來(lái)，就沒(méi)法看出它的生長(cháng)情況，也不知道未來(lái)幾天或未來(lái)幾周植株的模樣。”

Space Spider在高精度高通量表型中的獨特優(yōu)勢

有了Space Spider掃描，Tubbs可以測量1毫米以?xún)鹊男∷?，精確測量所有不規則表面和幾何形狀，提供每個(gè)小穗上種子團塊的結構信息，包括各個(gè)角度和落粒區（種子離開(kāi)植物的區域），這些信息對于分析每個(gè)植物的獨特表型來(lái)說(shuō)十分重要。

多年生黑麥草小穗

使用Space Spider獲得精準數據后，Tubbs回憶起傳統表型法，他說(shuō)：“這些研究員只會(huì )從30-40株植物中隨機取樣。然后表示盡管這些隨機樣本量較小，但也可以代表整體。你可以看下使用傳統方法的科研論文，基本上研究人員都是這么操作的。”

追求精益求精的Tubbs將三維掃描導出至3D Slicer中，這是一個(gè)用于圖像分析和科學(xué)可視化的開(kāi)源軟件包，可以對黑麥草麥穗高分辨率模型進(jìn)行骨骼提取。借助 3D Slicer，Tubbs將每個(gè)3D小穗“切割”成幾千片獨立的圓形切片。

Space Spider掃描并完成骨骼提取的黑麥草麥穗

這項功能通常用于X光、CT和MRI掃描，不過(guò)也方便Tubbs進(jìn)行骨骼提取。將切割后的三維小穗導入ImageJ軟件，Tubbs就能找到每根麥穗幾千塊切片的正中心。

然后，他把每塊切片的正中心連接起來(lái)，形成一根完整的麥穗。用Tubbs的話(huà)說(shuō)，“這樣就能把研究聚焦到正中心，關(guān)注麥穗結構以及其他復雜特征，供像我這樣的研究人員分析穗長(cháng)、小穗結構、每棵麥穗的小穗數量、小穗在葉軸上的間距、小穗與葉軸的角度、小穗大小等方方面面。”

優(yōu)質(zhì)的谷物蔬果能抗蟲(chóng)害、抗干旱

一旦確定哪些植株具備理想性狀，就會(huì )繼續進(jìn)行基因層面的研究，并與其他植株一起繁殖和育種。研究人員可以用短的時(shí)間培育出優(yōu)質(zhì)黑麥草，以及其他各種各樣的植物，包括水稻、大麥、小麥，以及各種水果和蔬菜。這些植物抗蟲(chóng)害、抗干旱能力強，幾乎不需要任何農藥。

但是，Tubbs表示，“這也是一場(chǎng)沒(méi)有終點(diǎn)的賽跑。因為即使我們培育出更健壯的植物，昆蟲(chóng)也能快速適應。這場(chǎng)戰爭已經(jīng)在植物和害蟲(chóng)之間持續了數百萬(wàn)年。我們希望找到有利于植株生存和繁衍的性狀，幫它們一把。高通量表型和Artec Space Spider可以幫助我們在這場(chǎng)賽跑中占據領(lǐng)先優(yōu)勢。”

采用不同數碼采集手段的高通量表型對比

目前，研究人員對此類(lèi)高效工具的需求越來(lái)越大。Tubbs說(shuō)：“為了找到更高效的高通量表型解決方案，農業(yè)部門(mén)花了不少錢(qián)。各地的研究人員都在積極尋找適用于世界上所有農作物的方法。所有農業(yè)部門(mén)都在想方設法解決這一問(wèn)題。”

他補充道：“對我而言，我只關(guān)心黑麥草，這是我們這里的主要作物。不過(guò)我們這個(gè)方法也可以復制到玉米、小麥或其他谷物和植物身上。”

關(guān)于掃描儀的操作是否人性化，Tubbs評論道：“我使用的黑麥草等植株捕獲技術(shù)學(xué)起來(lái)很方便。有時(shí)參會(huì )期間，我就能教會(huì )別人如何使用Artec Space Spider了。在田野工作時(shí)，也用到一些不同的技術(shù)，我也很樂(lè )意和其他研究員分享這些技術(shù)。”

Tubbs再次肯定了這項技術(shù)，他說(shuō)：“毫無(wú)疑問(wèn)，我利用Artec Space Spider進(jìn)行的高通量表型符合農業(yè)未來(lái)的發(fā)展趨勢。植物育種者和農民能快速篩選出具備理想性狀的植株，應對當前和未來(lái)的需求，也就是說(shuō)，這些植株能抵抗新出現的疾病，是適應環(huán)境變化的品種。選種速度越快，我們就能更好地應對未來(lái)需求。”