ES2611212T3 - Cinética de crecimiento de plantas capturada mediante seguimiento de movimiento - Google Patents

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Pradeep Setlur
Reetal Pai
Kirsti Alise GOLGOTIU
Douglas Beatty
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Abstract

Una estación de obtención de imágenes y de seguimiento del movimiento de crecimiento de muestras de plantas, que comprende: un volumen (20) para muestras adaptado para contener al menos una muestra de planta que tiene al menos un marcador que define puntos físicos sobre la muestra de planta; una pluralidad de sensores (141-14n) de marcador situados en la periferia del volumen para muestras; y un procesador (12) de captura de movimiento acoplado a la pluralidad de sensores de marcador para recibir datos de captura de movimiento procedentes de la pluralidad de sensores de marcador, y producir una representación digital que refleja el crecimiento de la muestra de planta.

Description

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Cinetica de crecimiento de plantas capturada mediante seguimiento de movimiento CAMPO DE LA INVENCION
La presente invencion esta relacionada con la utilizacion de equipo de deteccion y seguimiento para obtener imagenes, monitorizar, seguir, y/o determinar un parametro de cinetica de crecimiento de plantas (por ejemplo, elongacion de hojas de plantas y velocidad de crecimiento en altura). Se pueden utilizar un aparato de la invencion y sus metodos asociados para examinar plantas por cribado de uno o mas rasgos agronomicos, y/o para estudiar la cinetica de crecimiento de plantas y cultivares concretos, por ejemplo, en una plataforma de alto rendimiento.
ANTECEDENTES
Desde hace mucho tiempo los biologos han deseado medir y predecir con precision el crecimiento de las plantas. Estudios de crecimiento convencionales utilizando una regla proporcionaron informacion valiosa acerca del crecimiento acumulado de las plantas a lo largo de periodos de tiempo prolongados. Dependiendo de la planta concreta, para obtener resultados significativos se suelen tomar medidas de parametros de crecimiento a intervalos diarios. Como consecuencia de este periodo de intervalo relativamente largo, se pierde informacion detallada acerca del patron de crecimiento diario y de posibles ritmos circadianos en la velocidad de crecimiento. Ademas, el contacto ffsico repetido y transitorio con las plantas durante la medicion puede conducir a fenomenos tigmomorfogenicos, los cuales producen como resultado un comportamiento de crecimiento alterado. Jaffe (1976) Z. Pflanzenphysiol. 78:2432. Cuando se mide ffsicamente el crecimiento de una planta, cuanto mayor es la frecuencia con la que se mide el crecimiento, mayor debe ser la frecuencia con la que se establezca contacto con la planta y, de ese modo, con mayor frecuencia se vera sometida su velocidad de crecimiento a alteracion tigmomorfogenica. De esta manera, estos problemas estan relacionados.
Las plantas son capaces de responder rapidamente (por ejemplo, con respuestas que no pueden ser detectadas por medicion diaria) a cambios en los factores ambientales, tales como la densidad de la radiacion incidente, la calidad de la luz y la temperatura. Por ejemplo, varios estudios de crecimiento a corto plazo han revelado fenomenos que se han denominado “transitorios en la velocidad de crecimiento”. Estos transitorios, aunque no contribuyen necesariamente de forma significativa a la elongacion total de la planta, pueden proporcionar informacion acerca de las diferencias existentes en la cinetica de las respuestas de crecimiento. Cosgrove (1981) Plant Physiol. 67:584-90; Gaba y Black (1983) Photochem. Photobiol. 38: 473-6; Kristie y Jolliffe (1986) Can. J. Botany 64: 2399-405; y Prat y Paresys (1995) Plant Physiol. Biochem. 33: 709-16. Para detectar respuestas rapidas de crecimiento, tales como transitorios en la velocidad de crecimiento, los metodos de medida apropiados deben tener a la vez una frecuencia de muestreo suficientemente alta para capturar el fenomeno y una alta sensibilidad, dado que tales cambios en la velocidad de crecimiento pueden ser inferiores a unos pocos micrometres por segundo.
Desde el uso de los auxanometros autograficos a finales del siglo XIX para monitorizar fluctuaciones diurnas de crecimiento en longitud del tallo, los metodos para la medida continua del crecimiento de plantas se han venido desarrollando de manera continua. Veanse Anderson y Kerr (1943) Plant Physiol. 18: 261-9; y Wilson (1948) Plant Physiol. 23: 156-7; Para obtener medidas de alta resolucion de cambios en la elongacion, se desarrollaron nuevos metodos para permitir el registro continuo preciso del crecimiento de plantas intactas. Vease, por ejemplo, Meijer (1968) Acta Bot. Neerl. 17:9-14 (transformadores diferenciales variables lineales). Desde entonces, se han aplicado frecuentemente transductores de desplazamiento para estudiar respuestas rapidas de crecimiento a la luz y a otras condiciones ambientales. Penny et al. (1974) Can. J. Botany 52: 959-69; Cosgrove (1981), supra; Van Volkenburgh et al. (1983) Ann. Bot. 51:669-72; Lecharny et al. (1985) Plant Physiol. 79:625-9; Child y Smith (1987) Planta 172:219-29; Shinkle y Jones (1988) Plant Physiol. 86:960-6; Prat y Paresys (1989) Plant Physiol. Biochem. 27: 95562; Bertram y Karlsen (1994) Sci. Hort. 58:139-50; y Ruiz Fernandez y Wagner (1994) J. Plant Physiol. 144: 362-9.
De manera alternativa, se han utilizado metodos opticos de analisis de crecimiento, tales como, por ejemplo, la tecnica de medicion interferometrica (Fox y Puffer (1976) Nature 261:488-90; y Jiang y Staude (1989) J. Exp. Bot. 40:1169-73); fotograffa por intervalos (Hart et al. (1982) Plant Cell Environ. 5:361-6; y Baskin et al. (1985) Plant Cell Environ. 8:595-603); y grabacion en video (Jaffe et al. (1985) Plant Physiol. 77:722-30; MacDonald et al. (1987) Plant Cell Environ. 10:613-7; y Popescu et al. (1989) Photochem. Photobiol. 50:701-5). Estos metodos tienen la ventaja de no requerir contacto ffsico con la planta.
BREVE SUMARIO DE LA INVENCION
En este documento se describen aparatos y metodos relacionados con aplicacion de tecnologfa de deteccion y seguimiento de movimiento en un aparato adaptado para obtener imagenes, monitorizar, seguir, y/o determinar un parametro de cinetica de crecimiento de plantas (por ejemplo, elongacion de hojas de plantas y velocidades de crecimiento en altura). Algunas realizaciones proporcionan composiciones y metodos para la captura de cinetica de la planta ventajosos con respecto a los sistemas convencionales y alternativos a ellos, incluyendo los metodos opticos convencionales de analisis de crecimiento. Tfpicamente, los sistemas convencionales para la captura de cinetica de la planta implican, o bien captura manual por medicion de la longitud de las hojas y de la altura de la planta a lo largo del tiempo, o bien captura de imagen digital por procesamiento de imagenes en serie utilizando procesamiento de imagen colorimetrico o manual. Estos dos procedimientos son caros e intensivos en mano de
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obra. Algunas realizaciones de la invencion proporcionan una plataforma automatica que puede incrementar mucho el rendimiento para aplicaciones de examen de plantas por cribado de rasgos agronomicos (por ejemplo, tolerancia a la falta de agua, NUE, tolerancia al calor, tolerancia a la sal, etc.) reduciendo el tiempo necesario para adquisicion y/o analisis de datos. En realizaciones concretas, el uso de marcadores reflectantes en conjunto con una o mas camaras adaptadas para mejorar la obtencion de imagenes de los marcadores para medir el crecimiento de plantas puede proporcionar una estrategia eficiente y rentable para medir cinetica de crecimiento de plantas en el campo de la investigacion en agricultura.
Algunas realizaciones pueden incluir una estacion de obtencion de imagenes y de seguimiento del movimiento de crecimiento de muestras de plantas. En realizaciones concretas, una estacion de obtencion de imagenes y de seguimiento del movimiento de crecimiento de muestras de plantas puede comprender un volumen para muestras adaptado para contener al menos una muestra de planta (por ejemplo, una planta, parte de una planta, o tejido de una planta) que tiene al menos un marcador o marcadores que define(n) puntos ffsicos sobre la muestra de planta, una pluralidad de sensores de marcador situados en la periferia del volumen para muestras, y un procesador de captura de movimiento acoplado a la pluralidad de sensores de marcador para recibir datos de captura de movimiento procedentes de la pluralidad de sensores de marcador, y producir una representacion digital que refleja el crecimiento de la muestra de planta. En estas realizaciones y en otras adicionales, una estacion de obtencion de imagenes y de seguimiento del movimiento de crecimiento de muestras de plantas puede producir una representacion digital que comprende informacion espacial del crecimiento de la planta en tres dimensiones e informacion temporal del crecimiento de la planta.
Algunas realizaciones pueden incluir una estacion de obtencion de imagenes y de seguimiento del movimiento de crecimiento de muestras de plantas que comprende un volumen para muestras adaptado para contener mas de una muestra de planta al mismo tiempo. Algunas realizaciones pueden incluir un procesador de captura de movimiento que es capaz de realizar funciones de captura de imagenes y de procesamiento de imagenes. En algunas realizaciones, una estacion de obtencion de imagenes y de seguimiento del movimiento de crecimiento de muestras de plantas comprende ademas una estacion de trabajo y un dispositivo de almacenamiento de datos, estando la estacion de trabajo y el dispositivo de almacenamiento acoplados al procesador de captura de movimiento.
En realizaciones concretas ejemplificadas en este documento, una estacion de obtencion de imagenes y de seguimiento del movimiento de crecimiento de muestras de plantas comprende sensores de marcador que pueden ser camaras. Las muestras de plantas que se introducen en dicha estacion de obtencion de imagenes y de seguimiento del movimiento de crecimiento de muestras de plantas pueden tener uno o mas marcadores que, o bien emiten luz que es detectada por las camaras, o bien reflejan luz emitida en otro lugar hacia las camaras para su deteccion. En estas realizaciones y en otras adicionales, una estacion de obtencion de imagenes y de seguimiento del movimiento de crecimiento de muestras de plantas puede comprender ademas un medio para mover el volumen para muestras sin mover los sensores de marcador con respecto al volumen para muestras. Un ejemplo de un medio de este tipo para mover el volumen para muestras sin mover los sensores de marcador con respecto al volumen para muestras es un portico elevado con el movimiento permitido que comprende al menos un sensor de marcador de la pluralidad de sensores de marcador.
En este documento tambien se describen metodos para monitorizar la cinetica de crecimiento de una muestra de planta. Estos metodos pueden comprender en algunas realizaciones: definir un volumen para muestras adaptado para contener al menos una muestra de planta que tiene al menos un marcador o marcadores que define(n) puntos ffsicos sobre la muestra de planta; colocar una pluralidad de sensores de marcador en la periferia del volumen para muestras; adquirir datos de captura de movimiento utilizando la pluralidad de sensores de marcador; recibir datos de captura de movimiento procedentes de la pluralidad de sensores de marcador; y producir una representacion digital que refleja el crecimiento de la muestra de planta. En realizaciones concretas, una representacion digital comprende informacion espacial en tres dimensiones e informacion temporal.
Tambien se describen metodos automaticos para monitorizar la cinetica de crecimiento de una muestra de planta. Estos metodos pueden comprender en algunas realizaciones: definir un volumen para muestras adaptado para contener al menos una muestra de planta que tiene al menos un marcador o marcadores que define(n) puntos ffsicos sobre la muestra de planta; fijar una pluralidad de sensores de marcador a un medio para mover el volumen para muestras sin mover los sensores de marcador con respecto al volumen para muestras; colocar la pluralidad de sensores de marcador en la periferia del volumen para muestras; introducir en el volumen para muestras una muestra de planta que tiene al menos un marcador o marcadores que define(n) puntos ffsicos sobre la muestra de planta; adquirir datos de captura de movimiento utilizando la pluralidad de sensores de marcador; repetir la introduccion de la muestra y la adquisicion de datos con una siguiente muestra de planta; y recibir datos de captura de movimiento procedentes de la pluralidad de sensores de marcador y producir una representacion digital que refleja el crecimiento de la muestra de planta.
Estos metodos manuales y automaticos se pueden utilizar en algunas realizaciones para examinar una muestra de planta por cribado de un rasgo de crecimiento de interes. En estas realizaciones y en otras, el metodo puede comprender: definir un volumen para muestras adaptado para contener al menos una muestra de planta que tiene al menos un marcador o marcadores que define(n) puntos ffsicos sobre la muestra de planta; colocar una pluralidad de
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sensores de marcador en la periferia del volumen para muestras; introducir en el volumen para muestras una muestra de planta que tiene al menos un marcador o marcadores que define(n) puntos ffsicos sobre la muestra de planta; adquirir datos de captura de movimiento utilizando la pluralidad de sensores de marcador; recibir datos de captura de movimiento procedentes de la pluralidad de sensores de marcador y producir una representacion digital que refleja el crecimiento de la muestra de planta; y analizar la reflexion digital para determinar si la muestra de planta comprende o no el rasgo de crecimiento de interes.
El uso de metodos de examen por cribado de acuerdo con algunas realizaciones puede facilitar en gran medida la identificacion y el estudio de fenotipos de crecimiento de plantas, y el reconocimiento de plantas y cultivares de plantas que tengan tales fenotipos, incluso cuando tales fenotipos son diffciles o imposibles de reconocer mediante tecnicas y metodos convencionales. Por ejemplo, pequenos cambios en partes o tejidos de plantas que son representativos de un crecimiento de la planta que se produce de forma transitoria o dinamica pueden ser percibidos, medidos, y modelados de acuerdo con realizaciones concretas de la presente invencion, incluso cuando estos procesos transitorios o dinamicos son invisibles a simple vista o a tecnicas de medida que tienen una baja frecuencia de muestreo.
Los rasgos anteriores y otros resultaran mas evidentes a partir de la siguiente descripcion detallada de varias realizaciones, la cual procede con referencia a las figuras adjuntas.
BREVE DESCRIPCION DE LAS FIGURAS
La Figura 1 incluye un diagrama de bloques que ilustra un aparato de acuerdo con algunas realizaciones.
La Figura 2 incluye una vista en planta de un volumen para muestras con una pluralidad de camaras adaptadas para mejorar la obtencion de imagenes de los marcadores para obtener imagenes del crecimiento de plantas situadas en el interior del volumen para muestras.
La Figura 3 incluye una vista lateral del volumen para muestras con una pluralidad de camaras adaptadas para mejorar la obtencion de imagenes de marcadores para obtener imagenes del crecimiento de plantas situadas en el interior del volumen para muestras.
La Figura 4 incluye una vista en planta del volumen para muestras que ilustra una disposicion de ejemplo de
la pluralidad de camaras con respecto a un cuadrante del volumen para muestras.
La Figura 5 incluye una vista en planta del volumen para muestras que ilustra una disposicion de ejemplo de
la pluralidad de camaras con respecto a esquinas del volumen para muestras.
La Figura 6a incluye una ilustracion de un aparato de ejemplo de acuerdo con algunas realizaciones, que incluye una estacion de obtencion de imagenes y de seguimiento del movimiento, una matriz de camaras conectadas a un portico elevado automatico, equipo adjunto, y conexiones de equipos. La Figura 6b ilustra otro ejemplo de un aparato de este tipo, incluyendo una plataforma de automatizacion gravimetrica de alto rendimiento.
La Figura 7 incluye formulas utiles para calculos de distancia y analisis de cinematica en coordenadas tridimensionales.
La Figura 8 incluye fotograffas de captura de pantalla de las pantallas de la captura de imagenes con herramientas de seguimiento, y del conjunto de marcadores que se detecta en el campo de vision en relacion con el plano a nivel de superficie establecido.
La Figura 9 incluye el cambio diario en la posicion tridimensional en el espacio desde la ubicacion inicial hasta la ubicacion final.
La Figura 10 incluye desplazamiento acumulado (valores en metros) de marcadores fijados a tres hojas diferentes a lo largo del tiempo.
La Figura 11 incluye fotograffas de capturas de pantalla de la captura de imagenes con herramientas de seguimiento a lo largo del transcurso de 12 dfas.
La Figura 12 incluye valores de desplazamiento diario de la hoja para multiples plantas medidos utilizando las herramientas de seguimiento de movimiento.
DESCRIPCION DETALLADA
I. Vision general de varias realizaciones
En este documento se describe equipo de seguimiento de movimiento adaptado espedficamente, y metodos para su utilizacion, para obtener imagenes, monitorizar, seguir, y/o determinar un parametro de cinetica de crecimiento de plantas. En algunas realizaciones, se utilizan marcadores en conjunto con un conjunto de sensores de marcador adaptados para mejorar la deteccion de los marcadores para determinar la posicion de una ubicacion fija sobre una planta, parte de planta o tejido de planta a lo largo del tiempo. A partir de estos datos de posicion dependientes del tiempo se pueden calcular y extrapolar parametros de cinetica del crecimiento de la planta. En realizaciones concretas, una composicion, un metodo y/o un aparato para capturar cinetica del crecimiento de plantas mediante seguimiento de movimiento se puede utilizar para comparar el crecimiento de plantas individuales bajo condiciones ambientales iguales o diferentes, proporcionando de este modo un sistema relativamente barato, rapido, y/o de alto rendimiento para examinar plantas por cribado de rasgos agronomicos espedficos.
La amplia utilidad del sistema descrito en el presente documento ha sido ejemplificada y validada detectando diferencias en las velocidades de crecimiento entre plantas bien regadas y plantas tratadas con falta de agua que
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pueden haber evitado ser detectadas mediante herramientas y metodos convencionales. De esta manera, algunas realizaciones incluyen metodos para examinar plantas por cribado de un rasgo o fenotipo que tiene un efecto sobre el crecimiento de una planta. Estos rasgos y fenotipos incluyen, por ejemplo y sin limitacion, tolerancia a la falta de agua, NUE, tolerancia al calor, y tolerancia a la sal.
En algunas realizaciones de ejemplo, se puede aplicar un material marcador reflectante a la superficie de una muestra de planta (por ejemplo, una planta, parte de planta, o tejido de planta). El marcador se puede aplicar sin danar la muestra de planta, y el marcador puede permanecer visible para al menos un sensor de marcador bajo condiciones de invernadero durante el tiempo que dure un experimento de crecimiento planeado. La posicion del marcador se puede determinar, por ejemplo y sin limitacion, utilizando un flash de camara digital estandar en condiciones de completa oscuridad. La posicion del material del marcador a lo largo del tiempo se puede seguir mediante analisis de imagenes sobre un plano bidimensional, y/o dentro de un volumen tridimensional.
En estas y en otras realizaciones, el equipo y aparato de deteccion y seguimiento de movimiento puede ser automatico, y puede facilitar la adquisicion y analisis de datos de alto rendimiento con minima interaccion ffsica entre el profesional y las plantas de muestra.
II. Abreviaturas
ATSC estandares de transmision de television digital desarrollados por el Advanced Television Systems Commitee
CG graficos por ordenador
IR infrarrojo
LED diodo emisor de luz
NUE eficiencia en el uso del nitrogeno
NTSC estandares de transmision de television analogica desarrollados por el National Television Systems Commitee
V4 cuarta etapa de la hoja
V6 sexta etapa de la hoja
III. Terminos
Marco temporal: Tal como se usa en este documento, el termino “marco temporal” se refiere a un periodo de tiempo, o un grupo de diferentes periodos de tiempo, en el cual se calcula una posicion de un marcador que se captura mediante seguimiento de movimiento. Por ejemplo, en algunas realizaciones, un marco temporal puede ser un periodo que comienza en el instante en que se calcula la posicion de un marcador, y que finaliza en el instante en que se calcula la posicion de un siguiente marcador. En estas y en otras realizaciones, un marco temporal puede incluir calculos de posicion de marcadores adicionales entre los calculos del punto de comienzo y del punto de fin. Por ejemplo, un marco temporal puede ser el periodo de tiempo durante el cual se realiza un estudio o experimento completo de seguimiento de movimiento. En algunos ejemplos, a este marco temporal completo se le puede denominar de forma alternativa el “periodo de muestreo completo”.
Marcadores: Tal como se usa en este documento, el termino “marcador” se refiere a un medio para marcar una ubicacion espedfica sobre un objeto tridimensional en el espacio. La posicion de un marcador en el espacio en un instante concreto puede ser determinada por un sensor de marcador (por ejemplo, una camara). Los marcadores incluyen, pero no estan limitados a, marcadores pasivos, marcadores activos, marcadores reflectantes, marcadores retrorreflectantes, marcadores LED, marcadores fotosensibles, marcadores radiotransmisores, marcadores acusticos, marcadores inerciales, marcadores magneticos, y combinaciones de cualquiera de los anteriores. En algunas realizaciones, un marcador reflectante puede ser iluminado por luz de una longitud de onda concreta o de un rango de longitudes de onda concreto (por ejemplo, IR) emitida desde un LED montado alrededor de o sobre una lente de camara (por ejemplo, con un filtro paso IR colocado sobre la lente de la camara), y el marcador reflectante puede reflejar la luz hacia la lente de la camara, la cual puede detectar la luz reflejada. En realizaciones concretas, se utilizan marcadores con forma de perla altamente reflectantes en conjunto con una o mas camaras adaptadas para mejorar la obtencion de imagenes de los marcadores para obtener imagenes del crecimiento de plantas. Una camara se puede adaptar para mejorar la obtencion de imagenes de un marcador, por ejemplo, a traves del uso de un filtro.
Centroide: El centroide de un marcador es una posicion estimada dentro de una imagen bidimensional capturada. En realizaciones que utilizan una camara como sensor de marcador, el valor de escala de grises de cada pixel adquirido por la camara se puede utilizar para estimar la posicion del centroide de un marcador concreto con precision mayor que un pixel, encontrando el centroide de una funcion gaussiana ajustada de la posicion del marcador.
Seguimiento de movimiento: Tal como se usa en este documento, el termino “seguimiento de movimiento” abarca un grupo grande y variado de tecnologfas para registrar y/o calcular el desplazamiento de una o mas ubicaciones sobre un objeto tridimensional a lo largo del tiempo en un volumen para muestras (por ejemplo, sistemas basados en imagen, tales como sistemas opticos). Los sistemas basados en imagen determinan la posicion en tres dimensiones de puntos predeterminados (por ejemplo, ubicaciones de marcadores) sobre un objeto tridimensional utilizando multiples camaras para que cada una de ellas registre la posicion de los puntos en una imagen bidimensional. El desplazamiento se registra/calcula a traves de la captura de multiples imagenes bidimensionales del volumen para
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muestras, incluyendo el objeto, correspondientes a marcos temporales secuenciales. Tecnicas estereometricas correlacionan puntos predeterminados sobre un objeto en cada imagen, y utilizan esta informacion correlativa con una relacion conocida entre cada una de las imagenes y parametros de la camara para calcular la posicion del punto.
Los sistemas opticos de seguimiento de movimiento (“sistemas opticos”) utilizan datos capturados procedentes de sensores opticos de marcador para triangular la posicion tridimensional de un marcador dentro del campo de vision de una o mas camaras (“area de captura”) calibradas para proporcionar proyecciones de imagenes bidimensionales que se solapan. El seguimiento de un gran numero de objetos en el volumen para muestras, o la expansion del area de captura, se puede conseguir mediante la adicion de mas camaras. En algunas realizaciones, un sistema optico produce datos con tres grados de libertad para cada marcador, y de la orientacion relativa de tres o mas marcadores se puede inferir informacion rotacional. En las primeras etapas de la evolucion de los sistemas opticos de seguimiento de movimiento, dichos sistemas podfan seguir a solo aproximadamente una docena de marcadores dentro de un volumen para muestras. Sin embargo, los sistemas opticos mas recientes pueden seguir a mas de 100 marcadores simultaneamente en tiempo real.
Los sistemas opticos de seguimiento de movimiento pueden utilizar cualquier sistema de iluminacion de los muchos conocidos en la tecnica. Por ejemplo, los “sistemas de luz estructurada” utilizan laseres o luz dirigida para crear un plano de luz que se mueve realizando un barrido a traves del volumen para muestras. Los sistemas opticos basados en LEDs pulsados miden luz emitida por uno o mas LEDs colocados en puntos predeterminados sobre el objeto. Los sistemas opticos basados en marcadores reflectantes miden luz reflejada por uno o mas marcador(es), colocado cada uno de ellos en un punto predeterminado sobre el objeto. Los sistemas opticos sufren potencialmente problemas de oclusion (lmea de vision) cuando quiera que este bloqueada una trayectoria de luz requerida (tal como la trayectoria desde un marcador reflectante hasta un sensor de marcador fotosensible). La interferencia provocada por otras fuentes o reflexiones de luz tambien puede ser un problema en realizaciones en las que dichas otras fuentes o reflexiones de luz son detectables en el volumen para muestras. Dicha interferencia puede producir como resultado “marcadores fantasma”.
Tambien son posibles sistemas opticos basados en seguimiento de movimiento de camara de un objeto sin el uso de marcadores (“seguimiento de movimiento sin marcadores”), pero por lo general son menos precisos que los sistemas basados en marcadores. No obstante, en algunas realizaciones puede ser deseable el seguimiento de movimiento sin marcadores, por ejemplo, en aquellas realizaciones en las que se desea evitar por completo el contacto ffsico de un objeto con un marcador. El seguimiento de movimiento sin marcadores se describe con mayor detalle mas adelante.
Los “sistemas opticos activos” triangulan posiciones de marcadores iluminando un marcador de fuente de luz (por ejemplo, un LED situado dentro de o sobre un marcador) en cada instante muy rapidamente, o iluminando multiples marcadores de fuente de luz a la vez, y utilizando software para identificar los marcadores por sus posiciones relativas. En un sistema optico activo, en vez de reflejar luz que es generada externamente, los mismos marcadores emiten su propia luz. Al proporcionar 1/4 de la potencia a dos veces la distancia (ley de la Inversa de los Cuadrados de la Distancia), los sistemas opticos activos pueden incrementar las distancias y el volumen para muestras para captura de movimiento. A cada marcador se le puede proporcionar potencia secuencialmente en fase con el sistema de captura, proporcionando de este modo una identificacion unica de cada marcador para un marco temporal de captura dado. La capacidad de identificar cada marcador de esta manera puede ser util en aplicaciones en tiempo real. Un metodo alternativo de identificar marcadores en un sistema optico activo es hacerlo de forma algontmica.
Los sistemas de marcadores activos se pueden refinar aun mas iluminando un marcador en cada instante (es decir, “iluminando estroboscopicamente”), o siguiendo a multiples marcadores a lo largo del tiempo y modulando la amplitud o la anchura de los pulsos para identificar de manera unica marcadores concretos. Las identificaciones de marcadores unicos pueden reducir el tiempo necesario para el procesamiento de datos, por ejemplo, eliminando el intercambio de marcadores y proporcionando datos mucho mas limpios que otras tecnologfas. Los LEDs con procesamiento incorporado y sincronizacion por radio permiten captura de movimiento en exteriores con luz solar directa, a la vez que capturan al menos 480 fotogramas por segundo mediante el uso de un obturador electronico de alta velocidad. El procesamiento informatico de marcadores modulados permite menos “limpieza a mano” o resultados filtrados, y de esta forma puede conducir a costes operativos menores.
Los “sistemas opticos pasivos” utilizan marcadores que estan construidos de, o recubiertos con, un material reflectante para reflejar luz emitida en otro lugar hacia las lentes de las camaras. En realizaciones concretas, un umbral del sensor de marcador reflectante se puede ajustar, de tal manera que solo se muestrearan los marcadores reflectantes, por ejemplo, hasta la exclusion de luz reflejada por material natural de planta. A diferencia de los sistemas activos y de los sistemas magneticos, los sistemas pasivos no requieren que se fijen cables o equipos electronicos al objeto sometido a seguimiento. En vez de esto, objetos pequenos (por ejemplo, bolas o perlas de goma) se pueden fijar solo a una ubicacion sobre el objeto que se mueve. Estos objetos pequenos se pueden fijar mediante cualquier medio de fijacion apropiado (por ejemplo, cinta adhesiva, Velcro, cordones, etc.). Los objetos pequenos pueden ser ellos mismos reflectantes, o al objeto que se mueve se puede fijar un objeto no reflectante con unos medios de fijacion reflectantes. Los marcadores reflectantes para ser utilizados en un sistema optico pasivo
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pueden ser mas pequenos y mas ligeros que los marcadores para sistemas activos, y de esta forma su uso puede producir como resultado menor alteracion ffsica para una planta en crecimiento. Por consiguiente, en algunas realizaciones, se prefieren los sistemas opticos pasivos.
En algunas realizaciones tambien se puede utilizar ”seguimiento de movimiento no tradicional”, en el cual proyectores IR de LEDs multiples construidos especialmente codifican opticamente el volumen para muestras, y marcadores fotosensibles para decodificar las senales opticas. Un ejemplo de uno de estos sistemas no tradicionales es Prakash™, el cual utiliza proyectores de alta velocidad de LEDs multiples. Fijando “marcadores de decodificacion” (llamados asf porque estos marcadores decodifican senales, en lugar de transmitir una senal que es decodificada por equipos diferentes) con sensores de luz en ubicaciones sobre una planta situada dentro del volumen para muestras, los marcadores de decodificacion pueden calcular, no solo sus propias posiciones en el volumen para muestras a lo largo del tiempo, sino tambien sus orientaciones, iluminaciones incidentes, y reflectancias. Dichos marcadores de decodificacion pueden trabajar en condiciones de iluminacion natural, y se pueden fijar a una ubicacion sobre una planta mediante cualquier medio de fijacion apropiado. Los sistemas de seguimiento de movimiento no tradicionales pueden soportar un numero ilimitado de marcadores dentro de un volumen para muestras, estando cada marcador identificado de forma unica para eliminar problemas de readquisicion de marcadores. Dado que un sistema como este puede eliminar la necesidad de disponer de una camara de alta velocidad, y de un correspondiente flujo de imagenes de alta velocidad, requiere un ancho de banda de datos significativamente menor. Como se ha indicado anteriormente, los marcadores de decodificacion tambien pueden proporcionar datos de iluminacion incidente, los cuales se pueden utilizar para monitorizar cambios en la luz experimentada por la planta en la ubicacion del marcador a lo largo del tiempo.
Captura de movimiento sin marcadores: recientemente se ha producido un rapido desarrollo en el area de la “captura de movimiento sin marcadores”. Los sistemas sin marcadores actuales estan basados en gran medida en tecnicas de vision artificial de reconocimiento de patrones, y a menudo requieren considerables recursos computacionales. Se han disenado algoritmos informaticos especiales para permitir que el sistema analice multiples flujos de entrada optica, identifique las formas de objetos contenidos en el volumen para muestras, y reduzca computacionalmente los objetos a sus partes constituyentes para realizar un seguimiento de ellas. Ejemplos de metodos para seguimiento de movimiento sin marcadores se describen, por ejemplo, en la Patente de EE.UU. 7.257.237.
Rasgo: Tal como se utiliza en este documento, el termino “rasgo” se refiere a una caractenstica medible de un individuo. Algunos rasgos pueden ser utiles para agrupar o tipificar varios individuos en una unica cohorte. En este documento los terminos “rasgo” y “fenotipo” se utilizan de manera intercambiable. De particular interes en algunas realizaciones de la invencion son los rasgos relacionados con el crecimiento y/o la morfologfa de las plantas.
Algunas realizaciones incluyen uno o mas “rasgo(s) agronomicos”. Tal como se utiliza en este documento, el termino “rasgo agronomico” se puede referir a rasgos tales como, por ejemplo y sin limitacion, caractensticas de crecimiento aumentadas o alteradas, tolerancia al estres (por ejemplo, a falta de agua, NUE, al calor, al sal, etc.), resistencia a las enfermedades y a los insectos, composicion del aceite de la semilla modificada, protema de semilla modificada, y expresion de uno o mas transgenes en un organismo transgenico. Algunos ejemplos incluyen rasgos agronomicos que producen como resultado un crecimiento de la planta aumentado o reducido en una condicion ambiental concreta o en un conjunto de condiciones concreto.
IV. Captura de cinetica de crecimiento de planta por seguimiento de movimiento y obtencion de imagenes Los metodos y composiciones descritos en este documento emplean deteccion y seguimiento de movimiento para abordar problemas de crecimiento, morfologfa, y fisiologfa de las plantas. En algunas realizaciones, se pueden utilizar equipos, software, y tecnicas de deteccion y seguimiento de movimiento para cuantificar con precision parametros de crecimiento de plantas; por ejemplo, elongacion de hojas de la planta, y altura de la planta. En realizaciones concretas, estos parametros se pueden cuantificar en tiempo real, y opcionalmente de una manera totalmente automatica.
Adquisicion de Imagenes
Tfpicamente, el seguimiento de movimiento utiliza uno o mas marcadores en un espacio tridimensional (denominado en algunos lugares de este documento el “volumen para muestras”), y el equipo de seguimiento de movimiento esta configurado para localizar con precision el marcador o los marcadores en ese espacio. El equipo de seguimiento de movimiento se puede utilizar para muestrear la ubicacion del marcador o marcadores a alta frecuencia. Cuando se analizan una serie de muestras de este tipo, se puede reconstruir el movimiento del marcador o marcadores a lo largo de la duracion del experimento. En sistemas opticos, la seleccion del intervalo de tiempo para la obtencion de imagenes depende, por ejemplo, de la velocidad necesaria para capturar el desplazamiento del objeto cuando este se produce. Dependiendo de la fuente de luz utilizada, la seleccion del intervalo tambien puede depender de los requisitos del sistema (por ejemplo, mantener baja la luz del laser debido a su efecto danino sobre las plantas). El tamano del marcador o marcadores utilizado(s) puede influir en la sensibilidad del muestreo de ubicacion del marcador o marcadores. Sin embargo, localizando el centroide del marcador, se pueden medir desplazamientos menores que el diametro o la anchura del marcador.
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En un sistema optico de seguimiento de movimiento se produce oclusion cuando una trayectoria de luz deseada entre un marcador y un sensor de marcador esta bloqueada, por ejemplo, por una parte de planta que se mueve colocandose entre el marcador y el sensor durante el crecimiento de la planta. La oclusion se puede solucionar utilizando mas camaras. Ademas, se puede utilizar post-procesamiento manual para recuperar trayectorias cuando un marcador se pierde de vista. La seleccion de una camara concreta para su utilizacion en algunas realizaciones queda a discrecion del profesional, y puede implicar consideracion de muchas variables, incluyendo por ejemplo y sin limitacion, compatibilidad con otros equipos, coste, campo de vision, espacio de movimiento, velocidad de adquisicion de imagenes, y resolucion. Por ejemplo, generalmente una camara concreta puede proporcionar mayor resolucion de desplazamiento si se enfoca sobre un campo de vision mas pequeno, pero esto limita el tamano de los desplazamientos cuyo seguimiento se puede realizar. En vista de estas limitaciones de sistemas concretos, con estos sistemas se pueden utilizar procedimientos de post-procesamiento para analizar, procesar, y limpiar datos antes de que se apliquen.
En algunas realizaciones que utilizan un sistema optico, se puede utilizar un objeto con marcadores fijados en posiciones conocidas para calibrar las camaras y obtener sus posiciones, y se puede medir la distorsion de la lente de cada camara. Si dos camaras calibradas pueden localizar un marcador concreto en cada uno de sus dos campos de obtencion de imagenes bidimensionales, se puede obtener una posicion tridimensional del marcador. En algunas realizaciones, un sistema optico puede comprender aproximadamente dos, tres o mas camaras. Por ejemplo, en realizaciones concretas, un sistema optico puede comprender entre aproximadamente 2 y aproximadamente 25 camaras (por ejemplo, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24, 25, 26, y 27 camaras). Existen sistemas de mas de 100 camaras para reducir el intercambio de marcadores. En algunos ejemplos puede ser necesaria la adicion de mas camaras para proporcionar cobertura total del volumen para muestras y seguimiento de movimiento de multiples plantas. El “intercambio de marcadores” se puede producir en realizaciones que utilizan marcadores que son identicos con respecto a los sensores de marcador. Software restringido que reduce el intercambio de marcadores esta disponible comercialmente de varias fuentes.
Los sistemas opticos de seguimiento de movimiento pueden, en algunas realizaciones, capturar grandes numeros de marcadores a frecuencias de obtencion de imagenes tal altas como, por ejemplo, 2000 Hz. La frecuencia de obtencion de imagenes disponible para un dado es un compromiso entre resolucion y velocidad. Tfpicamente, el video NTSC proporciona una velocidad de muestreo de aproximadamente 30 Hz. Las personas con experiencia en la tecnica apreciaran que la mayona de los procesos de crecimiento de plantas se producen a velocidades que son suficientemente lentas para que se pueda realizar su seguimiento con exito a velocidades de muestreo mucho menores. De esta manera, por lo general para la mayona de las aplicaciones y en la mayona de las realizaciones sera suficiente video NTSC o ATSC.
En realizaciones de la presente invencion, se puede utilizar cualquier sistema de seguimiento de movimiento, y la seleccion de un sistema concreto queda a discrecion del profesional, en vista del fenomeno de crecimiento de planta cuyo seguimiento se quiere hacer, y de otras consideraciones de diseno. Por ejemplo y sin limitacion, en realizaciones concretas se pueden utilizar sistemas basados en imagen, sistemas opticos, sistemas activos, sistemas pasivos, sistemas no tradicionales, sistemas opticos sin marcadores, sistemas magneticos, sistemas mecanicos, y sistemas de radiofrecuencia. Sistemas opticos de seguimiento de movimiento que pueden ser utiles en realizaciones concretas incluyen, por ejemplo y sin limitacion, un sistema de camara MX™ (Vicon Peaks Inc.), un sistema OptiTrack™ (Natural Point Inc.), y un sistema Hawk Digital System™ (Motion Analysis Corp.).
Procesamiento de Imagenes
En algunas realizaciones, el procesamiento y el analisis de imagenes se puede utilizar en un sistema de seguimiento de movimiento, entre otras cosas, para determinar la forma y el tamano de plantas y tejidos de plantas presentes en un volumen para muestras, y para determinar la relacion espaciotemporal entre ubicaciones discretas sobre dichas plantas y tejidos de plantas. El procesamiento de imagenes puede producir datos para el diseno, validacion, y optimizacion de modelos del proceso de crecimiento de las plantas. Estos datos, los cuales realizaciones de la invencion permiten adquirir con una precision sin precedentes para procesos de crecimiento de plantas macroscopicas, permiten el ensamblaje de representaciones informaticas realistas que representan la geometna de plantas, partes de plantas, y tejidos de plantas en crecimiento, y redes de conexiones entre ellas, que pueden formar la base para modelos mecanicos. En general, el procesamiento de imagenes puede proporcionar una descripcion geometrica detallada de plantas, partes de plantas, y tejidos de plantas en crecimiento, necesaria para el redimensionamiento y reconformado de plantas a medida que van creciendo, la cual puede formar la base para modelos de crecimiento. Algunos aspectos de ejemplo del procesamiento de imagenes pueden incluir visualizacion de datos espaciotemporales; segmentacion (extraccion de rasgos a partir de imagenes); calculo de crecimiento; y/o creacion de una geometna realista para un modelo.
Visualizacion de datos espaciotemporales: Visualizar un conjunto de datos espaciotemporales producidos por un sistema optico de seguimiento de movimiento requiere por lo general software especializado. Paquetes de analisis de imagenes con capacidades de renderizacion de volumenes permiten la creacion de visualizaciones tridimensionales que se pueden girar libremente y que se pueden recortar. Procedimientos de mejora del contraste, de reduccion de ruido, de enfoque de imagenes borrosas, y procedimientos similares tambien pueden mejorar las imagenes en preparacion para su segmentacion.
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Segmentacion: El calculo de forma y tamano se puede determinar como la salida de un canal de procesamiento de imagenes que incluye segmentacion. La segmentacion de imagenes es el proceso de dividir una imagen en regiones distintas, cada una de las cuales representa un unico objeto homogeneo. Gonzalez y Woods (2008) Digital Image Processing. Upper Saddle River, N.J.: Prentice Hall. Con respecto a la cuantificacion de morfologfa, la segmentacion genera mascaras digitales a partir de las cuales se pueden calcular propiedades de volumen, area, longitud, y forma para cada objeto segmentado (por ejemplo, una parte o un tejido de una planta). La segmentacion tambien se puede utilizar para calcular la conectividad (topologfa) entre objetos, generando mascaras digitales para cada objeto, y encontrando posteriormente sus vecinos.
Traduccion de la obtencion de imagenes a geometna realista para modelos: La reconstruccion de la relacion espaciotemporal entre geometna y topologfa de planta, de parte de planta, y/o de tejido de planta a partir de imagenes bidimensionales permite la construccion de mallas de elementos finitos que son necesarias para simulaciones de procesos de crecimiento de plantas.
V. Estacion de obtencion de imagenes y de seguimiento del movimiento de crecimiento de plantas De acuerdo con lo anterior, algunas realizaciones incluyen un aparato y metodo para capturar datos de cinetica de crecimiento de plantas, que comprenden un volumen para muestras adaptado para contener al menos una muestra de planta (por ejemplo, una planta, parte de planta, o tejido de planta) que tiene marcadores posicionales que definen una o mas ubicaciones ffsicas sobre la muestra. El volumen para muestras puede tener cualquier forma geometrica deseada, por ejemplo y sin limitacion, ovalada, redonda, rectangular, cuadrada, y poligonal. Una pluralidad de sensores de marcador (por ejemplo, camaras) pueden estar situados alrededor, a lo largo, o en el interior de una periferia del volumen para muestras. Sensores de marcador pueden estar situados de tal manera que mientras la planta esta creciendo los marcadores posicionales estan dentro del campo de vision de al menos uno de los sensores de marcador substancialmente en todo momento durante un periodo de adquisicion de datos. Un procesador de captura de movimiento puede estar acoplado a los sensores de marcador para producir un modelo digital que refleja el movimiento de los marcadores durante un periodo de adquisicion de datos (es decir, el crecimiento de la muestra de planta durante este periodo).
En algunas realizaciones, el volumen para muestras puede comprender un area plana subdividida en una pluralidad de cuadrantes. Cada uno de los cuadrantes puede comprender ademas una pluralidad de bordes coincidentes con la periferia del volumen para muestras. La pluralidad de sensores de marcador puede comprender una primera parte de la pluralidad de sensores de marcador que estan situados a una primera altura por encima del punto mas bajo del volumen para muestras, y al menos una segunda parte de la pluralidad de sensores de marcador que estan situados a una segunda altura por encima del punto mas bajo del volumen para muestras que es mayor que la primera altura. En algunas realizaciones, el volumen para muestras tambien puede comprender al menos una fuente de luz (por ejemplo, una fuente de luz polarizada, y una fuente de luz filtrada) orientada para iluminar todo el volumen para muestras o una parte del mismo. Por ejemplo, una fuente de luz puede estar orientada para iluminar toda una planta en crecimiento o una parte de la misma dentro del volumen para muestras. En ejemplos concretos, cada sensor de marcador de la pluralidad de sensores de marcador puede comprender una fuente de luz. En estos ejemplos y en otros adicionales, cada sensor de marcador puede comprender un filtro polarizado para bloquear luz polarizada procedente de algunas o de todas las fuentes de luz adicionales situadas a traves del volumen para muestras.
Haciendo referencia en primer lugar a la Figura 1, un diagrama de bloques ilustra un sistema 10 de seguimiento de movimiento de ejemplo de acuerdo con algunas realizaciones. El sistema 10 de seguimiento de movimiento incluye un procesador 12 de captura de movimiento adaptado para comunicarse con una pluralidad de sensores de marcador (por ejemplo, camaras) 14-i-14n. El procesador 12 de captura de movimiento puede comprender un ordenador programable que tiene un dispositivo 16 de almacenamiento de datos adaptado para permitir el almacenamiento de archivos de datos asociados. Una estacion de trabajo informatica 18 puede estar acoplada al procesador 12 de captura de movimiento utilizando una red para facilitar la adquisicion, el almacenamiento, y/o el analisis de datos. Los sensores de marcador 14-i-14n pueden estar situados con respecto al volumen para muestras de tal manera que capturen la posicion a lo largo del tiempo de puntos fijos sobre la superficie de una o mas muestras de plantas que crecen en el interior del volumen para muestras.
Al menos una muestra de planta puede estar marcada con marcadores que son detectados por los sensores de marcador 14-i-14n durante un periodo de tiempo en el cual la muestra de planta esta situada en el interior del volumen para muestras. Los marcadores pueden ser, por ejemplo y sin limitacion, elementos reflectantes (por ejemplo, perlas, cinta, y pintura), elementos retrorreflectantes, elementos iluminados, LEDs, y etiquetas radiotransmisoras (vease la Patente de EE.UU. 7.009.561). De forma alternativa, en otras realizaciones (por ejemplo, en aquellas que utilizan seguimiento de movimiento sin marcadores), al menos una muestra de planta que no esta marcada con marcadores puede estar situada en el interior del volumen para muestras durante un periodo de tiempo de muestreo. En ejemplos concretos, una muestra de planta puede estar marcada con uno o mas marcadores (por ejemplo, perlas reflectantes) situadas en una o mas posiciones sobre la muestra de planta, por ejemplo y sin limitacion, posiciones sobre el sistema de brote; sistema radicular (cuando el sistema radicular esta creciendo en un medio a traves del cual puede pasar una senal marcadora espedfica, tal como un medio de
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crecimiento translucido); punta del brote; yema apical; epidermis; flor, yema lateral; nudo; entrenudo; hoja; punta de la hoja; meristemos apicales; meristemos laterales; y tejido fundamental.
Para marcar una unica muestra de planta se puede utilizar un marcador, o numeros crecientes de marcadores mayores de uno. Por ejemplo y sin limitacion, en ciertas realizaciones se pueden utilizar 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, aproximadamente 20, aproximadamente 30, aproximadamente 40, aproximadamente 50, o mas marcadores. El uso de numeros crecientes de marcadores puede proporcionar un incremento de resolucion correspondiente en una medida de crecimiento de la planta que se ha obtenido finalmente. Los marcadores pueden tener una anchura o diametro de, por ejemplo, al menos aproximadamente 2 milfmetros (por ejemplo, aproximadamente 2 mm, aproximadamente 4 mm, aproximadamente 6 mm, aproximadamente 8 mm, aproximadamente 10 mm, aproximadamente 15 mm, aproximadamente 20 mm, aproximadamente 25 mm, aproximadamente 30 mm, aproximadamente 40 mm, aproximadamente 50 mm, aproximadamente 75 mm, o mas). La posicion del centroide de uno o mas de los marcadores de cualquier diametro se puede calcular por metodos conocidos para las personas con experiencia en la tecnica de analisis de imagenes.
El procesador 12 de captura de movimiento procesa imagenes bidimensionales recibidas desde los sensores de marcador 14i-14n para producir una representacion digital tridimensional del movimiento capturado. En particular, el procesador 12 de captura de movimiento puede recibir los datos bidimensionales procedentes de cada camara, y guardar los datos en forma de multiples archivos de datos en un dispositivo 16 de almacenamiento de datos como parte de un proceso de captura de imagenes. A continuacion, los archivos de datos bidimensionales se pueden convertir en un unico conjunto de coordenadas tridimensionales que estan conectadas entre sf en forma de archivos de trayectoria que representan movimiento de marcadores individuales como parte de un proceso de procesamiento de imagenes. El proceso de procesamiento de imagenes utiliza imagenes procedentes de uno o mas sensores de marcador para determinar la ubicacion de cada marcador. Por ejemplo, un marcador puede ser visible solo para un subconjunto de los sensores de marcador debido a oclusion por partes de la planta u otros elementos situados dentro del volumen para muestras. En ese caso, la funcion de procesamiento de imagenes del procesador 12 de captura de movimiento utiliza imagenes procedentes de otros sensores de marcador que tienen una vista sin obstrucciones de ese marcador para determinar la ubicacion del marcador en el espacio.
Utilizando imagenes procedentes de multiples camaras para determinar la ubicacion de un marcador, la funcion de procesamiento de imagenes evalua la informacion de la imagen desde multiples angulos y utiliza un proceso de triangulacion para determinar la ubicacion espacial. A continuacion se realizan calculos cineticos sobre los archivos de trayectoria para generar la representacion digital que refleja, por ejemplo, extension o desplazamiento de parte(s) de planta y/o tejidos de planta correspondientes a crecimiento de la planta. Utilizando la informacion espacial a lo largo del tiempo, los calculos determinan el avance de cada marcador a medida que se va moviendo a traves del espacio. Para controlar el almacenamiento y la recuperacion del gran numero de archivos asociados con todo el proceso en/desde el dispositivo 16 de almacenamiento de datos se puede utilizar un proceso de gestion de datos apropiado. El procesador 12 de captura de movimiento o una estacion de trabajo 18 conectada puede utilizar un paquete software comercial (tal como los que se pueden obtener de las empresas Vicon Motion Systems, Motion Analysis Corp., etc.) para realizar estas y otras funciones de procesamiento de datos.
Las Figuras 2 y 3 ilustran un volumen 20 de muestra de ejemplo de acuerdo con algunas realizaciones rodeado por una pluralidad de camaras de captura de movimiento. El volumen 20 de muestra incluye un borde 22 periferico. El volumen 20 de muestra se ilustra como una zona de forma rectangular subdividida por lmeas de cuadncula. Se debena apreciar que el volumen 20 de muestra comprende en realidad un espacio tridimensional, definiendo la cuadncula un punto mas bajo (por ejemplo, una superficie en seccion transversal mas baja) del volumen 20 de muestra. El movimiento se capturana en el interior del espacio tridimensional por encima del punto mas bajo (o de la superficie mas baja). En algunas realizaciones, el volumen 20 de muestra comprende una superficie mas baja de aproximadamente 4 pies por aproximadamente 4 pies (aproximadamente 1,2192 m por aproximadamente 1,2192 m), con una altura de aproximadamente 8 pies (2,4384 m) por encima de la superficie mas baja. Tambien se pueden seleccionar, a discrecion del profesional, volumenes de muestra con otro tamano y volumen para su utilizacion en aplicaciones concretas en vista de los requisitos de las mismas (por ejemplo, el tamano de las plantas que se quieren cultivar en el volumen para muestras, y el tamano del desplazamiento del marcador que se va a medir).
La Figura 2 ilustra una vista en planta del volumen 20 de muestra de acuerdo con algunas realizaciones con la pluralidad de camaras de captura de movimiento situadas alrededor del borde 22 periferico en una matriz generalmente circular. Sin embargo, tambien se pueden utilizar otros patrones (por ejemplo, una o mas matrices lineales o rectangulares). Sensores de marcador individuales se ilustran como triangulos, con el angulo agudo representando la direccion de la lente de la camara, de modo que se debena apreciar que la pluralidad de sensores de marcador estan dirigidos hacia el volumen 20 de muestra desde una pluralidad de direcciones distintas. En realizaciones concretas, la pluralidad de sensores de marcador incluye, por ejemplo y sin limitacion, al menos tres sensores de marcador (por ejemplo, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, o mas camaras). En realizaciones adicionales, se pueden utilizar dos sensores de marcador con al menos un marcador de referencia fijo (es decir, un marcador que no esta sometido a desplazamiento durante el periodo de muestreo) en el interior del volumen para muestras que es visible para ambos sensores de marcador.
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La Figura 3 ilustra una vista lateral del volumen 20 de muestra de acuerdo con realizaciones concretas, estando la pluralidad de camaras de captura de movimiento situadas en aproximadamente dos niveles por encima de la superficie mas baja del volumen para muestras. Un nivel inferior incluye una pluralidad de sensores de marcador 14i-14n situados a lo largo o por fuera de los bordes 22 perifericos del volumen 20 de muestra. En algunos ejemplos, cada uno de los sensores de marcador 14i-143 del nivel inferior apunta ligeramente hacia arriba para no incluir un sensor de marcador situado aproximadamente enfrente del volumen 20 de muestra que este incluido dentro del campo de vision. Los sensores de marcador pueden incluir una fuente de luz (por ejemplo, una matriz de diodos emisores de luz) utilizada para iluminar el volumen 20 de muestra. Puede ser deseable no hacer que un sensor de marcador “vea” la fuente de luz de otro marcador, por ejemplo, dado que la fuente de luz de una primera camara de captura de movimiento puede aparecer para una segunda camara de captura de movimiento como una reflectancia brillante que machacara datos procedentes de los marcadores reflectantes. Este problema se puede evitar o mitigar mediante la disposicion ffsica de sensores de marcador situados unos enfrente de otros a traves del volumen 20 de muestra, y/o mediante el uso de filtros polarizados situados delante de las lentes de los sensores de marcador. Un nivel superior incluye una pluralidad de sensores de marcador 144-146 situados a lo largo o por fuera de los bordes 22 perifericos del volumen 20 de muestra. En algunos ejemplos, cada uno de los sensores de marcador 144-146 apuntan ligeramente hacia abajo para no incluir una camara situada aproximadamente enfrente del volumen 20 de muestra que este incluida dentro del campo de vision.
Cada uno de los sensores de marcador de un primer nivel de sensores de marcador puede tener un campo de vision mas amplio que los de un segundo nivel de sensores de marcador, permitiendo cada sensor de marcador del primer nivel incluir una mayor cantidad del volumen 20 de muestra dentro de su respectivo campo de vision. Se debena apreciar que en ejemplos concretos tambien se pueden utilizar de manera ventajosa numerosas realizaciones alternativas de los sensores de marcador. Por ejemplo, se puede utilizar un numero mayor o menor de niveles diferentes de sensores de marcador, y se puede variar la altura real de cada sensor de marcador dentro de un nivel individual.
En algunas realizaciones, los sensores de marcador registran imagenes de los marcadores desde muchos angulos diferentes, de manera que substancialmente todas las superficies laterales de la muestra de planta estan expuestas a al menos un sensor de marcador en todo momento. Mas espedficamente, la disposicion de sensores de marcador puede hacer que substancialmente todas las superficies laterales de la muestra de planta esten expuestas a al menos tres sensores de marcador en todo momento. Colocando los sensores de marcador a multiples alturas, se pueden modelar superficies irregulares ya que cada marcador en la muestra de la planta en crecimiento se mueve en el interior del campo 20 de captura de movimiento.
La Figura 4 es una vista en planta del volumen 20 de muestra de acuerdo con algunas realizaciones que ilustra una disposicion de ejemplo de sensores de marcador (por ejemplo, 141-14n). El volumen 20 de muestra esta dividido graficamente en cuadrantes, etiquetados A, B, C, y D. Ventajosamente, en ejemplos adicionales tambien se pueden utilizar otras disposiciones de sensores de marcador 141-14n. En el ejemplo ilustrado, los sensores de marcador 141 y 142 estan situados ffsicamente contiguos el uno al otro, aunque separados horizontalmente el uno con respecto al otro por una distancia discernible. Cada uno de los sensores de marcador 141 y 142 esta enfocado sobre el borde delantero del cuadrante D formando un angulo de aproximadamente 45°. El primer sensor 141 de marcador tiene un campo de vision que se extiende desde parcialmente el interior del borde delantero del cuadrante B hasta el extremo derecho del borde delantero del cuadrante D. El segundo sensor 142 de marcador tiene un campo de vision que se extiende desde el extremo izquierdo del borde delantero del cuadrante D hasta parcialmente el interior del borde delantero del cuadrante C. De esta manera, los respectivos campos de vision de los sensores de marcador primero 141 y segundo 142 se solapan sobre la longitud substancial del borde delantero del cuadrante D. Se puede incluir una disposicion similar de sensores de marcador (por ejemplo, 143-14n) para cada uno de los bordes exteriores (coincidentes con el borde 22 periferico) de los cuadrantes A, B, C y D.
La Figura 5 es una vista en planta del volumen 20 de muestra que ilustra otra disposicion de ejemplo de sensores de marcador (por ejemplo, 141-14n). Como en la Figura 14, el volumen 20 de muestra esta dividido graficamente en cuadrantes A, B, C, y D. Como en la realizacion de la Figura 4, los sensores de marcador 141-14n pueden estar situados a diferentes alturas. En el ejemplo ilustrado en la Figura 5, los sensores de marcador 141 y 142 estan situados en esquinas del volumen 20 de muestra mirando hacia el interior del volumen para muestras. Estos sensores de marcador 141 y142 registrarian imagenes que no son recogidas por los otros sensores de marcador (por ejemplo, 143-14n), por ejemplo debido a oclusion. Otros sensores de marcador similares (por ejemplo, 143-14n) tambien pueden estar situados en las otras esquinas del volumen 20 de muestra.
En algunas realizaciones, todos los sensores de marcador permanecen fijos en su sitio, con respecto al volumen para muestras del que se estan obteniendo imagenes. De esta manera, el procesador 12 de captura de movimiento tiene un punto de referencia fijo contra el cual se puede medir el movimiento de los marcadores. En realizaciones alternativas, una parte de los sensores de marcador permanecen fijos, mientras que otros se pueden mover con respecto al volumen para muestras. Las camaras moviles se pueden mover utilizando servomotores controlados por ordenador, o se pueden mover manualmente. En estas ultimas realizaciones, el procesador 12 de captura de movimiento puede seguir el movimiento de los sensores de marcador, y eliminar este movimiento en el posterior
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procesamiento de los datos capturados para generar la representacion digital tridimensional del movimiento del marcador.
Algunas realizaciones proporcionan un aparato y un metodo automaticos para capturar datos de cinetica de crecimiento de plantas. Estas realizaciones pueden estar adaptadas para adquisicion y analisis de datos de imagen de alto rendimiento, y de este modo pueden reducir en gran medida el coste y/o el esfuerzo necesario para la medida de cinetica de crecimiento de plantas. En realizaciones concretas, los sensores de marcador se pueden mover (por ejemplo, montandolos de forma fija sobre un elemento movil), o se pueden mover muestras de planta concretas. En algunos ejemplos, sin embargo, los sensores de marcador y/o las muestras de plantas en estos sistemas automaticos permanecen fijos con respecto al volumen para muestras. Los principios implicados en estos sistemas automaticos se ilustran a modo de ejemplo en la Figura 6.
La Figura 6a muestra una ilustracion de una realizacion de ejemplo que incluye una matriz de camaras 14i-143 conectada a un portico 24 elevado asociado con un procesador 12 de captura de movimiento (que puede ser capaz de realizar captura de imagenes, procesamiento de imagenes, y ensamblaje de un modelo digital), una estacion de trabajo 18 conectada, un dispositivo 16 de almacenamiento de datos, y conexiones de equipos. La Figura 6b ilustra una realizacion que incluye una plataforma de automatizacion gravimetrica de alto rendimiento. En esta realizacion, el portico 24 elevado puede tener permitido el movimiento (por ejemplo, de una manera automatica) en al menos una dimension, con respecto a la superficie 26 que sostiene a las muestras de plantas. En estas y en otras realizaciones, la superficie 26 puede tener permitido el movimiento (por ejemplo, de una manera automatica) en al menos una dimension, con respecto al portico 24 elevado.
Se apreciara que un sistema de seguimiento de movimiento automatico, como el ilustrado por los ejemplos representados en la Figura 6, limita los posibles tamanos de los marcos temporales asociados y las posibles velocidades de muestreo de imagen asociadas. Por ejemplo, el tiempo necesario para adquirir una imagen para cada muestra en un sistema automatico de este tipo proporcionara tfpicamente un lfmite inferior para la velocidad de muestreo de imagenes para cada muestra concreta. Sin embargo, este no es necesariamente el caso, ya que se pueden adquirir multiples imagenes para una muestra antes de que el sistema se ajuste para permitir la medida de la siguiente muestra. La mayona de los procesos de crecimiento de plantas se producen con una cinetica suficientemente lenta para que un sistema automatico pueda estar disenado para admitir un gran numero de muestras, y tambien para adquirir imagenes con una frecuencia suficientemente alta para proporcionar informacion espaciotemporal detallada relacionada con el proceso analizado. La utilizacion de este rasgo de la cinetica de las plantas que es peculiar con respecto a los tipos de movimiento que tfpicamente se busca capturar en tiempo real es un rasgo concreto de algunas realizaciones de la presente invencion.
VI. Examen por cribado de plantas que tienen un rasgo de crecimiento de interns
En realizaciones concretas, una composicion, un metodo, y/o un aparato para capturar cinetica de crecimiento de plantas mediante seguimiento de movimiento se puede utilizar para comparar el crecimiento de plantas individuales bajo condiciones ambientales iguales o diferentes, proporcionando de este modo un sistema relativamente barato, rapido, y/o de alto rendimiento para examinar plantas por cribado de sus rasgos agronomicos espedficos. De esta manera, algunas realizaciones incluyen metodos para examinar plantas por cribado de un rasgo o fenotipo que tiene un efecto sobre el crecimiento de una planta. Dichos rasgos y fenotipos incluyen, por ejemplo y sin limitacion, tolerancia a la falta de agua, NUE, tolerancia al calor, y tolerancia a la sal. Muchos fenotipos de plantas deseables implican cambios en el crecimiento y el desarrollo de la planta mas alla de lo que se muestra en plantas de tipo salvaje u otros cultivares.
La obtencion de imagenes en vivo es un primer paso en la medida y modelizacion del crecimiento y desarrollo de plantas vivas. Los modelos matematicos espaciotemporales permiten el ensayo de hipotesis de crecimiento de plantas a traves de simulaciones dinamicas de crecimiento, Y por ultimo, los modelos de crecimiento de plantas y sus predicciones se pueden validar mediante experimentos de obtencion de imagenes en vivo adicionales. Por consiguiente, en algunas realizaciones, se utiliza seguimiento de movimiento de cinetica de crecimiento de plantas para medir un parametro cinetico de crecimiento de plantas en una pluralidad de muestras de plantas. En estas y en otras realizaciones, se pueden construir modelos matematicos para describir proceso(s) de crecimiento de plantas, por ejemplo, para extrapolar los efectos de dichos procesos a diferentes plantas de la misma especie o de una especie relacionada.
En una planta se pueden introducir rasgos y fenotipos de plantas, por ejemplo, por medio de reproduccion convencional de plantas o transformacion genetica. Tfpicamente, estas dos metodologfas producen un gran numero de plantas candidatas (progenie y transformantes putativos, respectivamente) que deben ser examinadas por cribado de la aparicion del rasgo o fenotipo. Incluso el examen por cribado de rasgos o fenotipos que son visibles por simple inspeccion puede ser un proceso largo y caro. Los fenotipos de crecimiento de plantas pueden ser visibles solo mediante tecnicas convencionales despues de largos periodos de tiempo, tras los cuales el efecto del fenotipo sobre la morfologfa global de la planta se puede poner de manifiesto.
Utilizando composiciones, aparatos, y metodos de algunas realizaciones de la presente invencion, fenotipos de crecimiento de plantas que aparecen demasiado lentamente para ser observables a simple vista por el ojo humano,
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pero los cuales tambien estan apareciendo antes de cualquier efecto definitivo sobre la morfolog^a de la planta, se pueden poner de manifiesto, se pueden medir y modelar en tiempo real, con mmima manipulacion de la muestra de planta durante el periodo de adquisicion de datos. Por ejemplo, utilizando un sistema automatico de seguimiento de movimiento de acuerdo con algunas realizaciones, se pueden analizar un gran numero de muestras de plantas en una unica plataforma de una manera con alto rendimiento.
Todas las publicaciones y patentes citadas en este documento se incorporan completamente mediante dicho documento.
Los siguientes ejemplos se proporcionan para ilustrar algunos rasgos y/o realizaciones concretas, tales como los descritos anteriormente. No se debena interpretar que los ejemplos limitan la invencion a los rasgos o realizaciones concretas ejemplificados.
EJEMPLOS
Ejemplo 1: Materiales y Metodos Crecimiento y Cuidados de Material de Plantas
Plantulas de lmeas consangumeas de Zea mays c.v. B104, cultivadas bajo condiciones optimas de riego y nutrientes, se utilizaron para hacer un seguimiento de medidas de cinetica de plantas. Las plantulas se cultivaron en macetas de tubena para aguas residuales de PVC blanco (United Pipe Supply, Boise, ID), con las dimensiones de 15” de alto por 6” de ancho (381 mm de alto por 152,4 mm de ancho), en sustrato para cultivo (Tualatin Valley Landscape Supply, Tualatin, OR) mezclado con HP Promix (Growers Nursery Supply, Salem, OR) en un ratio 1:1, y se fertilizaron con Osmocote™ Plus 15-9-12 NPK, fertilizantes de liberacion lenta en 3-4 meses (Scott's Company, Marysville, OH). La semilla se sembro a 1,5” (38,1 mm) de profundidad, y el suelo se mantuvo saturado con eventos regulares de irrigacion con agua limpia que se realizaron cada 3 dfas desde la siembra. Tras la germinacion, las plantulas se regaron lo necesario para mantener condiciones de suelo saturado.
Las plantulas se cultivaron bajo condiciones estandar de invernadero. Las condiciones incluyeron aproximadamente 50% de luz incidente media, 50% de humedad relativa media, y un ciclo de temperatura diurna de entre 28 °C y 35 °C, con un ciclo de luz solar de 16 horas. La fuente de luz consistio en un sistema de bombillas halogenas y de sodio de alta presion configurado para un mmimo de 350 PAR a 1 metro por encima del banco sobre el que se colocaron las plantas. Aproximadamente en la etapa V4 de desarrollo, se utilizaron las plantulas para experimentos de obtencion de imagenes, como se describe posteriormente.
Descripcion de la Estacion de Obtencion de Imagenes y Configuracion del Equipo
Obtencion de Imagenes Digitales. Se realizo un seguimiento de los cambios de posicion de marcadores reflectantes colocados sobre hojas individuales de planta, monitorizando de este modo medidas de cinetica de la planta. Las medidas de cinetica de la planta registraron y monitorizaron caractensticas de crecimiento de la planta, tales como movimiento y elongacion de las hojas. El experimento se realizo utilizando obtencion de imagenes con camara digital de los marcadores reflectantes colocados sobre hojas de la planta para hacer un seguimiento de cambios de posicion bidimensionales. La captura de imagenes se produjo utilizando una estructura de portico de obtencion de imagenes con bastidor de aluminio que se puede hacer maniobrar a mano, dotado de un bloque de montaje capaz de realizar movimientos horizontales. Esta estructura fue capaz de admitir el montaje de una camara digital estandar apuntada formando un angulo de 90° con respecto al plano de la copa de la planta. Durante la obtencion de imagenes se desactivo la opcion de flash de la camara para impedir una iluminacion excesiva de superficies brillantes de las hojas, y evitar de esta manera oclusion de la visibilidad de marcadores durante el procesamiento de las imagenes. En el mismo plano que la copa de la planta se montaron dos escalas graduadas perpendiculares para ayudar con la calibracion de escala de imagen para procesamiento de imagenes digitales.
Captura de Imagenes de Seguimiento de Movimiento OPTITRACK™. Para experimentos de seguimiento de movimiento, se montaron tres camaras OPTITRACK™ FLEX:V100R2 (Natural Point, Corvalis, OR) en el techo (aproximadamente a 8' (2,4384 m) del nivel del suelo) de una estacion de obtencion de imagenes (8'H x 4'W x 4'L; 2,4384mH x 1,2192 mW x 1,2192 mL). El interior de la estacion de obtencion de imagenes se pinto totalmente con un acabado negro mate, y la entrada delantera se tapo con una lona negra flexible para impedir iluminacion o reflectancia desde fuentes de luz o superficies brillantes exteriores. Las camaras se colocaron equidistantes unas de otras con cada camara angulada para quedar orientada hacia el suelo central de la cabina de obtencion de imagenes, produciendo como resultado un volumen de captura de aproximadamente 3 m3 con minima cobertura de camara de 2 m3. Las camaras se conectaron unas a otras utilizando el USB OPTIHUB™ incluido, el cual se conecto a continuacion a un ordenador portatil PANASONIC TOUGHBOOK™ (Panasonic, Kadoma, Osaka, Japon) en el que se habfa instalado el software OPTITRACK™ Tracking Tool para captura de archivos de datos/secuencias. La velocidad de captura se establecio en aproximadamente 1 fotograma por segundo, durando las grabaciones generalmente no mas de 5-10 segundos por cada evento de obtencion de imagenes. El nivel de exposicion de la camara se establecio en 55 lumenes, el umbral en 160 (sin unidades) y la intensidad en 15 ms. Un esquema de esta configuracion se ilustra en la Figura 6. La calibracion se realizo antes de cada evento de medida utilizando la varilla de calibracion OPTITRACK™ durante 10 segundos para definir y capturar tantos puntos unicos dentro del volumen
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medido, y para garantizar que los Smites del volumen medido estaban definidos. El nivel de la superficie se identifico utilizando la herramienta de escuadra de referencia OPTITRACK™ Las camaras y el software estuvieron funcionando activamente solo durante el periodo de medida. En otros momentos, el equipo estuvo apagado.
Ensayo de Prueba de Concepto de Obtencion de Imagenes Digitales. Se monitorizaron y se midieron los cambios cineticos en elongacion de las hojas y movimiento general de plantas de Zea mays utilizando marcadores reflectantes y obtencion de imagenes digitales. Los cambios cineticos en elongacion de las hojas y movimiento general en un subconjunto de plantas cultivadas bajo condiciones estandar, bien regadas, se compararon con plantas cultivadas bajo condiciones de estres tndrico por falta de agua (descrito mas adelante). En la etapa de desarrollo V6, se colocaron marcadores reflectantes de 3 mm a cada lado de la hoja emergente mas reciente (tfpicamente la hoja 11-12), a aproximadamente 0,5 cm de la punta de la hoja. Se colocaron las plantas debajo del portico manual de obtencion de imagenes, y se dejo que crecieran y se desarrollaran bajo condiciones estandar de invernadero. La obtencion de imagenes comenzo con todas las plantulas mantenidas bajo condiciones bien regadas. Entonces se retiro el agua de las plantulas del bloque de falta de agua, y a lo largo de los 6 dfas siguientes se tomaron imagenes en oscuridad entre las 5:00 a.m. y las 6:15 a.m. hora estandar del padfico (PST) para minimizar las fuentes de luz exteriores que pudieran interferir con la deteccion de marcadores (en este estudio preliminar las plantas se mantuvieron sobre partes superiores de bancos y no colocadas en una estacion de obtencion de imagenes oscurecida).
Procesamiento de Imagenes Digitales. La obtencion de imagenes ceso cuando las plantulas cultivadas en condiciones de falta de agua se habfan enrollado y marchitado completamente. Las imagenes digitales se procesaron dibujando a mano lmeas de cuadncula de una metrica establecida calibrada a la escala graduada visible en cada imagen. Para valoracion preliminar, las imagenes se marcaron utilizando software grafico, y se evaluaron visualmente los cambios entre marcos temporales.
Procesamiento de Secuencias de Imagenes. Despues de la captura de la secuencia de imagenes, se convirtieron los datos al formato .csv para procesarlos en Microsoft EXCEL™ (Microsoft, Seattle, WA). A cada marcador detectado durante el periodo de medida se le dio una coordenada tridimensional (x, y, z) espedfica para cada marco temporal. Las diferencias entre puntos en el tiempo entre estos puntos de coordenadas se calcularon para cada marcador de cada plantula y de cada hoja utilizando una formula de distancia tridimensional estandar. Figura 7.
Ejemplo 2: Ensayo de Obtencion de Imagenes de Seguimiento del Movimiento OPTITRACK™
Se ensayaron tres disenos consecutivos para validar la utilidad de seguimiento de movimiento en medidas de invernadero, cada uno con distintos objetivos de complejidad creciente.
Seguimiento de una unica planta, una unica hoja por planta
El primer diseno midio el desplazamiento de marcadores sobre una unica hoja de una plantula individual en el espacio tridimensional. Las medidas de cinetica de plantas comenzaron en la etapa V4 del desarrollo. A cada lado de la punta de la hoja emergente mas reciente (tfpicamente la hoja numero 8 o 9) se colocaron dos marcadores de seguimiento reflectantes (de 4 mm de longitud), con al menos 1 cm de punta de la hoja sobresaliendo desde el verticilo primario. Se tomaron medidas entre las 6:00 a.m. y las 12:00 del mediodfa PST, durante un periodo de 7 dfas. La plantula se coloco sobre un carrito multiusos rodante de plataforma baja, y el carrito se movio cada dfa hasta el centro de la estacion de obtencion de imagenes, y se empujo contra bloques de posicionamiento para garantizar un posicionamiento identico con cada evento de medida. Con una lona de entrada a la estacion de obtencion de imagenes completamente cerrada, se realizo la captura de datos durante aproximadamente 10 segundos. Inmediatamente despues de la captura de datos, la plantula se volvio a colocar en el interior del ambiente de crecimiento de invernadero estandar.
El movimiento de las hojas de la planta y la medida cuantificable de desplazamiento a lo largo del tiempo se capturaron utilizando las camaras y el software de la herramienta de seguimiento. La Figura 8 ilustra las fotograffas de captura de pantalla que fueron monitorizadas con la herramienta de seguimiento. La Figura 9 ilustra el cambio diario de la posicion tridimensional en el espacio desde la ubicacion inicial hasta la ubicacion final, medido en metros (convertido a cm).
Seguimiento de movimiento de tres hojas diferentes de una unica planta en el espacio tridimensional A continuacion, se midio el desplazamiento en espacio tridimensional de marcadores fijados a tres hojas diferentes de madurez creciente de una plantula individual. Las medidas de cinetica de la planta comenzaron en la etapa V4 del desarrollo. El primer conjunto de marcadores de seguimiento se coloco (utilizando tecnicas similares a las del primer experimento) en uno de los dos lados de la punta de la hoja emergente mas reciente, sobresaliendo al menos 1 cm de punta de la hoja (tfpicamente la hoja 8-9) desde el verticilo primario. El segundo conjunto se coloco a 1 cm del extremo de la punta de la hoja sobre la hoja mas reciente (tfpicamente la hoja 7-8), y un tercer conjunto se coloco sobre la siguiente hoja mas reciente (tfpicamente la hoja 6-7). Se tomaron medidas entre las 6:00 a.m. y las 12:00 del mediodfa PST, durante un periodo de 7 dfas. Como se ha descrito anteriormente, las plantulas se colocaron sobre el carrito multiusos rodante y se midieron en la estacion de obtencion de imagenes oscurecida durante 10 segundos cada dfa, despues de lo cual las plantulas se devolvieron al ambiente de crecimiento estandar.
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Se observo que la deteccion y la medida cuantificable del desplazamiento de marcadores colocados en las puntas de tres hojas emergentes consecutivamente mas recientes de una unica planta eran posibles utilizando este sistema de seguimiento de movimiento. La Figura 10 ilustra el desplazamiento acumulado de marcadores fijados a tres hojas diferentes a lo largo del tiempo.
Multiples plantas, una unica hoja por planta
A continuacion, se midio el desplazamiento en espacio tridimensional de marcadores fijados a una unica hoja en una fila de 9 plantulas diferentes. El inicio de las medidas comenzo en la etapa V4 del desarrollo. Se colocaron marcadores sobre hojas (utilizando tecnicas similares a las del primer experimento), tipicamente sobre la hoja 8-9 de cada plantula. Se tomaron medidas entre las 6:00 a.m. y las 12:00 del mediodfa PST, durante un periodo de 7 dfas. Las plantulas se alinearon (estaban alineadas) en una unica fila sobre el carrito multiusos, sin huecos entre bordes de las macetas, y se tomaron medidas una vez posicionadas en la estacion de obtencion de imagenes oscurecida durante 10 segundos cada dfa, despues de lo cual las plantulas se devolvieron al ambiente de crecimiento estandar.
Se observo que era posible seguir marcadores reflectantes en multiples plantas en espacio tridimensional. La Figura 11 ilustra fotograffas de captura de pantalla de la captura de imagen con herramientas de seguimiento a lo largo del transcurso de 12 dfas. La Figura 12 ilustra los valores diarios de desplazamiento de hoja para multiples plantas medidos utilizando las herramientas de seguimiento de movimiento.
Ejemplo 3: El Seguimiento Digital Distingue Diferencias Visuales en Elongacion de Hojas Entre Plantas Bien Regadas y Plantas con Estres Hfdrico
Las plantas Z. mays que fueron sometidas a estres hudrico por falta de agua o que fueron mantenidas bajo condiciones optimas de riego se monitorizaron en busca de movimiento y elongacion de hojas reducidos. Los resultados de los experimentos utilizando fotograffa digital y marcadores altamente reflectantes colocados sobre una unica hoja mostraron diferencias cualitativas en elongacion de hojas de la planta a lo largo del tiempo entre los dos grupos de tratamiento. Las plantas sometidas a estres hfdrico por falta de agua inicialmente mostraron patrones de crecimiento similares a los controles bien regados. Sin embargo, al cabo de 4-5 dfas de condiciones de falta de agua aguda, las plantas sometidas a estres hfdrico por falta de agua mostraron movimiento y desplazamiento de los marcadores sobre la superficie de la hoja visualmente reducidos, que condujeron en ultima instancia a un posicionamiento completamente estatico de los marcadores en relacion con el fondo. Para el dfa 6, parecio que el crecimiento habfa cesado en las plantas sometidas a estres hfdrico por falta de agua, mientras que las plantas bien regadas siguieron mostrando elongacion de hojas que se extendfa mas alla del campo de vision.
Este estudio se realizo tambien para determinar la logfstica de utilizacion de marcadores reflectantes, el posicionamiento optimo, y para comprobacion de la visibilidad de marcadores en una cubierta vegetal de multiples plantas para identificar posibles problemas de obstruccion relacionados con cubiertas vegetales excesivamente pobladas. Se realizo un seguimiento de imagenes digitales que representaban cambios diarios en marcadores reflectantes seleccionados de plantas bien regadas y de plantas con estres hfdrico. Se encontro que, aunque algunos marcadores desaparedan temporalmente de la vista, la mayona de los marcadores permanedan visibles a lo largo del transcurso del experimento.

Claims (24)

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    1. Una estacion de obtencion de imagenes y de seguimiento del movimiento de crecimiento de muestras de plantas, que comprende:
    un volumen (20) para muestras adaptado para contener al menos una muestra de planta que tiene al menos un marcador que define puntos ffsicos sobre la muestra de planta;
    una pluralidad de sensores (14i-14n) de marcador situados en la periferia del volumen para muestras; y un procesador (12) de captura de movimiento acoplado a la pluralidad de sensores de marcador para recibir datos de captura de movimiento procedentes de la pluralidad de sensores de marcador, y producir una representacion digital que refleja el crecimiento de la muestra de planta.
  2. 2. La estacion de obtencion de imagenes y de seguimiento del movimiento de crecimiento de muestras de plantas de la reivindicacion 1, en la cual la representacion digital comprende informacion espacial en tres dimensiones e informacion temporal.
  3. 3. La estacion de obtencion de imagenes y de seguimiento del movimiento de crecimiento de muestras de plantas de
    la reivindicacion 2, en la cual al menos uno de los sensores de marcador es una camara.
  4. 4. La estacion de obtencion de imagenes y de seguimiento del movimiento de crecimiento de muestras de plantas de la reivindicacion 3, en la cual el volumen para muestras esta adaptado para contener al menos una muestra de planta que tiene al menos un marcador que comprende un elemento reflectante.
  5. 5. La estacion de obtencion de imagenes y de seguimiento del movimiento de crecimiento de muestras de plantas de la reivindicacion 4, en la cual el al menos un marcador que comprende un elemento reflectante es una perla.
  6. 6. La estacion de obtencion de imagenes y de seguimiento del movimiento de crecimiento de muestras de plantas de
    la reivindicacion 4, en la cual cada uno de los al menos un marcador tiene una anchura o un diametro de entre
    aproximadamente 2 y aproximadamente 10 miffmetros.
  7. 7. La estacion de obtencion de imagenes y de seguimiento del movimiento de crecimiento de muestras de plantas de la reivindicacion 4, en la cual el volumen para muestras esta adaptado para contener al menos una muestra de planta que tiene 2 o mas marcadores.
  8. 8. La estacion de obtencion de imagenes y de seguimiento del movimiento de crecimiento de muestras de plantas de la reivindicacion 2, en la cual el volumen para muestras esta adaptado para contener al menos dos plantas.
  9. 9. La estacion de obtencion de imagenes y de seguimiento del movimiento de crecimiento de muestras de plantas de la reivindicacion 1, en la cual el procesador de captura de movimiento es capaz de realizar captura de imagenes y procesamiento de imagenes.
  10. 10. La estacion de obtencion de imagenes y de seguimiento del movimiento de crecimiento de muestras de plantas de la reivindicacion 1, que comprende ademas una estacion de trabajo (18) y un dispositivo (16) de almacenamiento de datos, en la cual la estacion de trabajo y el dispositivo de almacenamiento de datos estan acoplados al procesador de captura de movimiento.
  11. 11. La estacion de obtencion de imagenes y de seguimiento del movimiento de crecimiento de muestras de plantas de la reivindicacion 2, que comprende ademas un portico (24) elevado con el movimiento permitido que comprende al menos un sensor de marcador de la pluralidad de sensores de marcador.
  12. 12. La estacion de obtencion de imagenes y de seguimiento del movimiento de crecimiento de muestras de plantas de la reivindicacion 11, en la cual el portico elevado con el movimiento permitido comprende toda la pluralidad de sensores de marcador.
  13. 13. Un metodo para monitorizar la cinetica de crecimiento de una muestra de planta, comprendiendo el metodo:
    definir un volumen (20) para muestras adaptado para contener al menos una muestra de planta que tiene al menos un marcador que define puntos ffsicos sobre la muestra de planta;
    colocar una pluralidad de sensores (14-i-14n) de marcador en la periferia del volumen para muestras; adquirir datos de captura de movimiento utilizando la pluralidad de sensores de marcador; y recibir datos de captura de movimiento procedentes de la pluralidad de sensores de marcador y producir una representacion digital que refleja el crecimiento de la muestra de planta.
  14. 14. El metodo de acuerdo con la reivindicacion 13, en el cual la representacion digital comprende informacion espacial en tres dimensiones e informacion temporal.
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  15. 15. El metodo de acuerdo con la reivindicacion 14, en el cual al menos uno de los sensores de marcador es una camara.
  16. 16. El metodo de acuerdo con la reivindicacion 13, que comprende ademas:
    introducir en el volumen para muestras una muestra de planta que tiene dos o mas marcadores que definen puntos ffsicos sobre la muestra de planta.
  17. 17. El metodo de acuerdo con la reivindicacion 13, que comprende ademas:
    introducir en el volumen para muestras al menos dos muestras de plantas que tienen al menos un marcador que define puntos ffsicos sobre la muestra de planta.
  18. 18. El metodo de acuerdo con la reivindicacion 13, en el cual al menos uno de sensores de marcador de la pluralidad de sensores de marcador esta fijado a unos medios para mover el volumen para muestras sin mover los sensores de marcador con respecto al volumen para muestras.
  19. 19. El metodo de acuerdo con la reivindicacion 18, en el cual los medios para mover el volumen para muestras sin mover los sensores de marcador con respecto al volumen para muestras son un portico (24) elevado con el movimiento permitido, y en el cual los sensores de marcador estan fijados al portico.
  20. 20. El metodo de acuerdo con la reivindicacion 18, en el cual los medios para mover el volumen para muestras sin mover los sensores de marcador con respecto al volumen para muestras estan controlados por un sistema automatico.
  21. 21. Un metodo para examinar una muestra de planta por cribado de un rasgo de crecimiento de interes, comprendiendo el metodo:
    definir un volumen (20) para muestras adaptado para contener al menos una muestra de planta que tiene al menos un marcador que define puntos ffsicos sobre la muestra de planta;
    colocar una pluralidad de sensores (14-i-14n) de marcador en la periferia del volumen para muestras; introducir en el volumen para muestras una muestra de planta que tiene al menos un marcador que define puntos ffsicos sobre la muestra de planta;
    adquirir datos de captura de movimiento utilizando la pluralidad de sensores de marcador; y
    recibir datos de captura de movimiento procedentes de la pluralidad de sensores de marcador y producir una
    representacion digital que refleja el crecimiento de la muestra de planta; y
    analizar la reflexion digital para determinar si la muestra de planta comprende el rasgo de crecimiento de interes.
  22. 22. El metodo de acuerdo con la reivindicacion 21, en el cual la muestra de planta es una planta entera.
  23. 23. El metodo de acuerdo con la reivindicacion 21, en el cual el rasgo de crecimiento de interes es un rasgo que proporciona crecimiento aumentado de la planta en una condicion de estres.
  24. 24. El metodo de acuerdo con la reivindicacion 23, en el cual la condicion de estres se selecciona de un grupo que comprende falta de agua, poca luz, mucha sal, poco nitrogeno, exposicion a un producto qrnmico, e infestacion por una plaga.
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