植物养分利用与重金属毒害原位研究先进技术综述 3
常用的植被指数有归一化植被指数NDVI、光化学植被反射指数PRI、归一化叶绿素指数NPCI、简单比值指数SR、改进的叶绿素吸收反射指数MCARI、最优化土壤调整植被指数OSAVI、绿度指数G、转换类胡罗卜素指数TCARI、三角植被指数TVI等。而这其中最为常用的就是归一化植被指数NDVI，其计算公式为：
这一指数反映了植物叶绿素在红光波段的高吸收和近红外波段的高反射，与植物的叶绿素浓度密切相关，进而可以反推出植物氮含量（Maarschalkerweerd，2015）。
FluorCam叶绿素荧光系统本身即具备NDVI成像测量功能，可以完成叶绿素荧光与NDVI成像的同步测量。
图11. 使用FluorCam成像系统测量的珊瑚与藻类共生体的NDVI成像（Leal，2015）
而为了满足现代植物表型组学研究的需要，PSI公司在FluorCam叶绿素荧光成像技术的基础上，整合了LED植物智能培养、自动化控制系统、植物热成像分析、植物近红外成像分析、植物高光谱分析、自动条码识别管理、RGB真彩3D成像、自动称重与浇灌系统等多项先进技术建立了PlantScreen植物表型成像系统，以最优化的方式实现大量植物样品——从拟南芥、玉米到各种其它植物的全方位生理生态与形态结构成像分析，是目前植物表型组学包括养分元素与重金属胁迫研究最全面的仪器系统。
图12. PlantScreen植物表型成像分析系统及其各个功能模块
如果需要在更大尺度上进行多光谱/高光谱成像分析，目前最为适合的就是无人机遥感技术。无人机遥感技术是无人机技术与遥感成像分析技术等高新技术的创新性集成系统平台，使植物表型分析真正从实验室走向大田野外、从单个叶片或单株植物或几十平方米的视野一下子跃升到几百亩或者上千亩甚至更大范围、从每天几千株植物的高通量跃升到几百万几千万甚至更多的超高通量测量分析。
International Maize and Wheat Improvement Center利用无人机表型分析技术，对大田玉米贫氮胁迫抗性进行了研究分析，研究结果参见下列图表：
图13. 不同梯度氮胁迫（左图中ss指高度氮胁迫、ms为中度氮胁迫、c为正常施肥）及根据NDVI得出的氮胁迫指数。
UAS-4四旋翼专业表型分析无人机平台或UAS-8八旋翼专业表型分析无人机平台配置高清晰RGB镜头、多光谱镜头、高光谱镜头、红外热成像镜头及LiDAR等传感器，及相应数据处理分析软件组成。多年与PSI植物表型分析研究中心合作，积多年植物／作物表型分析技术服务经验，为植物表型分析提供全面技术方案；PhenoUAS可测量分析植物的形态结构性状如叶面积、覆盖度、株高、冠幅等等，还可测量分析植物的功能性状如长势、抗性、胁迫（包括生物胁迫与非生物胁迫）、产量评估等。
图14. 左：PhenoUAS-8八旋翼无人机植物表型分析平台在陕西杨凌飞行作业示范；右上：西北农林科技大学小麦田NDVI遥测成像图；右下：陕西佛坪大熊猫保护区植被分类遥测图，粉色-松树，绿色-竹子，黄色-裸地道路，蓝色-雪
四、激光诱导击穿光谱分析技术Laser-Induced BreakdownSpectroscopy（LIBS）
叶绿素荧光成像技术、多光谱/高光谱成像分析技术虽然可以最优化地测量植物对元素和重金属的生理生态反应，但毕竟不能直接测量元素和重金属在植物体的具体含量和分布情况。
但是，传统的植物元素测量方法比如比色法colorimetry、光谱测定法spectrometry、高温碱溶high temperature alkaline dissolution和电热气化electro-thermal vaporization 配合上电感耦合等离子体原子发射光谱inductively coupled plasma atomic emission spectroscopy (ICP-AES)、离子淌度谱法ion mobility spectrometry (IMS) 和石墨炉原子吸收光谱法graphite furnace atomic absorption spectrometry (GFAAS)等。
这些技术用于植物元素分析还是有很多问题。比如样品需要消解、样品的预处理需要消耗昂贵的化学药品并耗费大量时间、由此还会导致环境的潜在破坏（Tripathi，2015）。而这些技术更大的局限性是难以表现植物元素的差异性分布，同时又因为必须对样品进行破坏性预处理而不能做到无损/准无损原位测量和长期监测。
激光诱导击穿光谱分析技术Laser-Induced Breakdown
Spectroscopy（LIBS）的逐渐成熟解决了这一问题。该技术通过超短脉冲激光聚焦样品表面形成等离子体，利用光谱仪对等离子体发射光谱进行分析，以此来识别样品中的元素组成成分。该技术的特点有：
快速直接分析，几乎不需要样品制备
2.可进行准无损测量
3. 可进行元素分布二维制图
4.可进行远距离遥测
5.可检测几乎所有元素
6.可同时分析多种元素
7.基体形态多样性 - 可以检测几乎所有固态样品，乃至液体、气体样品
8.精度最高可达到ppm级
图15. 左：Sci-Trace LIBS元素分析系统；右：X-Trace LIBS元素遥测分析系统
