植物表型成像系统

PlantScreen SC植物表型成像分析系统 PlantScreen SC移动式植物表型成像分析平台为实验室和温室植物表型分析的理想平台，植物传送系统与成像分析系统内置于一体式紧凑机箱内，有脚轮可以移动，方便大型温室内不同区域间移动使用，极大地提高了载样方便性和使用效率。植物样品放入平台传送带上自动传送至成像单元进行成像分析，最 后自动传送归原位完成一个测量循环。PlantScreen SC包括叶绿素荧光成像测量和RGB 3D成像测量，以提供完备的作物表型形态测量和光合生理测量分析，可选配或客户定制3D激光扫描三角测量、高光谱成像分析、红外热成像分析等其它成像测量单元。标配PlantScreen SC适于最 大高度70cm、冠幅50cm的植物表型分析，可定制其它规格大小。 功能特点l FluorCam叶绿素荧光成像分析l RGB三维成像形态结构与颜色分析l 传送带系统自动传送植物、自动定位成像分析、自动将植物传出l 整套系统有脚轮可以移动l 可选配3D激光扫描，三维形体结构测量并构建3D模型l 可选配高光谱成像、红外热成像、NIR近红外成像l 可选配大型步入式生长室 系统组成1. 传送系统PlantScreen SC配备半自动化的植物装载和识别系统。只需将盛有植物的标准托盘放于传送带上，按下装载按钮，植物即可进入封闭的成像室内进行成像测量，测量完成后自动传送出来。标准托盘上贴有二维码，进入成像室后能够被识读并录入数据库，用于植物的自动编号。传送系统使实验过程变得简单轻松。标准托盘有4种规格：5 × 4（盆，250 mL）、2 x 2（盆，1L）、1 x 2（盆，3L）、1 × 1（盆，5L），适用于拟南芥、草莓、草坪草、烟草及大豆、玉米等作物的幼苗。 2. 测量成像单元测量成像单元包含基本的RGB成像单元和叶绿素荧光成像单元。RGB成像单元包括顶端及侧面多角度的RGB成像，通过高质量RGB图像的采集和专业的图像分析，获得植物的形态参数（如冠层面积、株高、冠幅、形状系数）及颜色分布情况。 叶绿素荧光成像单元采用脉冲调制式叶绿素荧光成像技术，能够对植株的光合生理进行无损、非接触的测量，高灵敏度、高通量检测和评估各类胁迫因子对植株的生理影响。 3. 环境传感器系统包含温湿度等环境传感器，持续记录测量环境的温湿度变化。环境信息数据和测量数据同步存储在数据库中，便于特定实验的相关性分析。4. 软件系统配备的高性能服务器电脑预装了用于系统控制、实验规划、数据自动采集、数据自动分析和数据库管理的全套软件。此外，系统配备了RGB分析和叶绿素荧光成像分析的独立软件，便于数据的再处理。安装案例1. 瓦赫宁根大学Shared Research Facilities，2018年11月安装，是荷兰植物生态-表型中心（Netherlands Plant Eco-phenotyping centre）的第 一台安装完成的设备，面向科研用户和商业伙伴开放使用。 2. 成都某生物技术公司，2020年10月安装，是国内首套由公司购买使用，用于生物农药、植物源生物刺激剂及土壤调理剂研发的大型高通量表型分析系统。 3. 孟加拉国，2020年4月，技术和生物测试完成。 易科泰生态技术公司提供植物/作物表型分析全面技术方案：1) 叶绿素荧光成像分析、多光谱荧光成像分析2) 高光谱成像分析、Thermo-RGB成像分析3) 细胞亚细胞水平显微叶绿素荧光成像、多光谱荧光成像分析4) RhizoTron根系表型分析系统、PhenoTron实验室植物表型成像分析系统5) PlantScreen植物自动传送式、XYZ三维扫描式植物表型分析平台6) SpectraScan样带扫描式、田间机器人式及PhenoUAS无人机遥感植物表型分析平台Ecolab植物表型实验室装备有400-1700nm高光谱成像、FluorCam叶绿素荧光成像、多光谱荧光成像、Thermo-RGB红外热成像等先进表型分析仪器技术，并与中科院植物所PlantScreen表型分析平台合作，提供全面表型分析技术服务与合作研究。

WIWAM植物表型成像系统由比利时SMO公司与Ghent大学VIB研究所研制生产，整合了LED植物智能培养、自动化控制系统、叶绿素荧光成像测量分析、植物热成像分析、植物近红外成像分析、植物高光谱分析、植物多光谱分析、植物CT断层扫描分析、自动条码识别管理、RGB真彩3D成像等多项先进技术，以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，用于高通量植物表型成像分析测量、植物胁迫响应成像分析测量、植物生长分析测量、生态毒理学研究、性状识别及植物生理生态分析研究等。SMO机械设备制造与设计工程公司是一家将大规模自动化理念和工业级零件和设备整合入植物成像系统的厂家，在机械自动化以及机器视觉成像领域拥有丰富的设计和实践经验，为欧洲客户提供机械设计解决方案，SMO公司将机械领域的先进理念带入了植物表型机器人领域，所采用的配件均为工业界广泛认可的高品质配件，耐受苛刻环境，另外表型设备领域的诸多自动化配件，均由SMO公司自主设计，因公司拥有极为强大的工程师团队，基于工业领域的丰富经验，可针对不同客户需求，一般2-3周就可以提供极复杂表型成像系统的解决方案。目前WIWAM植物表型平台分为WIWAM XY，WIWAM Line以及WIWAM Conveyor3个系列，同时还提供WIWAM Boxing柜式成像系统，也提供野外表型成像系统设计方案。植物表型成像系统WIWAM Line产品说明WIWAM Line是一款高通量可重复性表型机器人，用于对小型植物，如小玉米植物研究。该机器人可定期对多种植物参数进行自动化灌溉和并测量多种植物生长参数。WIWAM line代替了很多手工处理，省时省钱，精度较高。WIWAM Line由花盆定位桌面，不同个体线路，底层端口机器人以及1或多个成像或称重/浇水站组成。全套系统可以安装在现有生长室，内置高品质工业部件。植物在各自花盆内生长，预设时间间隔，机器臂提取植物，将其带到成像和称重浇水工作站。机器人将桌面上的线路移到旁边，生成机械臂到定位花盆所需空间，并将其提升脱离桌面。RFID读取装置以及花盆底部的RFID标签，可作为额外花盆识别法，识别和校正桌面上因手工花盆安置造成的错误。通常旁边取景照相机从不同角度获得图像。成像站可安装一系列照相机系统。组合称重/浇水站集成在机器臂上。花盆中植物在浇水时旋转以获得较佳水分布。灌溉精度较高可达+/- 0.1 mL。另外，灌溉可基于自动目标重量计算或固定量。在整个实验过程中，可有效控制土壤湿度水准。集成光温度和湿度传感器可监控温度，详细记录实验生长条件。植物表型成像系统WIWAM Line产品特点1、浇水时花盆旋转以获得水分布2、高精度灌溉(达0.1mL !).3、WIWAM Line 可配置环境传感器4、WIWAM Line 配有直观用户界面5、开放式数据库结构6、可提供全定制系统成像系统优势所有表型平台均为SMO工程部门自主设计、针对课题组的研究项目快速、准确提供技术方案，设备中诸多备件为自主生产和设计；公司软件设计团队针对具体项目提供有针对性的WIWAM定制软件；SMO和VIB自主开发PIPPA 数据管理、视觉成像和分析软件，系统高效处理整个实验设计的大数据；PIPPA 软件可安装在网络服务器上（包括专有用户管理系统），网络中每个计算机均可操作；在PIPPA软件内，可集成整合外来分析数据和文本；易于获取数据库和原始图像数据；与客户自有IT技术设施进行整合；针对客户对表型设备运行环境了解欠缺的事实，提供表型设备生长室、温室建设交钥匙设计方案，实现环境参数如照明、温度、湿度等控制，提供一站式表型研究解决方案；专门技术人员维护设备、定期指导维护硬件；官方代理密切沟通服务、提供支持反馈；自主电路设计、建筑内电柜设计、机械电缆布线以及PLC管理所有室内设施，将工业领域理念灌输到科研中；多篇利用WIWAM系统进行研究的文章发表在期刊如Nature Biotechnology等上面；迅速增长的用户群；采用开放式框架设计，可整合市面上的所以种类成像模块。应用领域遗传资源和序列数据快速积累，但将该信息与基因功能相关联的进程要缓慢的多，这表明植物表型是理解基因 编码过程以及应用该知识改善作物产量的主要瓶颈。众所周知表型工作是最耗劳力和具技术挑战性的部分，成本高且耗时。但该“表型瓶颈”已可通过集成新型图像获取技术、机器人技术、图像分析技术以及数据处理技术解决。WIWAM 植物表型成像系统集成了这些技术，替代了很多人工处理。该植物表型平台可应用到多个研究领域，包括植物生长调节、耐旱研究、植物生理、盐碱或重金属胁迫反应等。也可在不同光照条件，营养水平或土壤类型下，研究化学物影响.产品可选配模块可见光RGB成像模块可见光RGB成像是所有高通量植物表型平台的核心部分，它分辨率高、测量快速、科研中应用较多、发表文章较多，可以捕获与植物生长和发育相关的大量参数。此外，它们可以提供植物形态和结构的测量，并且包含颜色信息。参数如下：叶面积、植物紧实度／紧密度、叶片周长、偏心率、叶圆度、叶宽指数、植物圆直径、凸包面积、植物质心、节间距、生长高度、植物三维最大高度和宽度、相对生长速率、叶倾角、节叶片数量。叶绿素荧光成像模块叶绿素荧光成像属于定制化设计，成像面积范围是从30x30cm到200x200cm，是目前适合大型植物植株成像的荧光成像系统。它可以顶部成像，也可以侧面成像，甚至顶部和侧面都成像；集成到高通量植物表型平台中，进行高通量的光合表型测量。该模块技术参数如下：Fo, FI, Fm, Ft, Fm’, FI’, Fo’, Fv/Fm, φPSII, φRO, NPQ, qN, qP, Rfd, NDVI, RNIR, RChl, RAnth, RRed, RGreen, RBlue, Chl. Index, Ant. Index等。叶绿素荧光成像技术参数群体植物光合长期监测模块实时对植物进行多传感监控：PSII最大和有效效率，光强，辐射，ETR以及植物面积。群体植物光合长期监测传感器是一款自动多传感器，可测量PSII与最大效率(Fv/Fm)、有效效率相关的参数。通过镜像系统，通过内置计算机控制，激光束打到植物上。每5秒钟，激光束不断变化在植物上的位置，每次循环可生成数百个测量点。系统编程测量每个激光点的PSII效率，光强以及辐射。计算参数有PAR光，Fq’/Fm’以及ETR(电子传 递速率)。ETR与CO2吸收相关。植物面积可从含有叶绿素的测量位置数计算出来。传感器上面有2个内置Licor传感器，PAR传感器以及辐射传感器。传感器可集成在知名的LetsGrow系统中以及wiwam系统中。在系统中，可监测来自该传感器的所有数据并与其它环境数据进行对比。 激光点测量参数：最小(Fo或 Fs)以及最大(Fm或Fm)叶绿素荧光信号、CropObserver顶部光强、CropObserver顶部辐射、计算机24/7实时信息、实时Fv/Fm 和Fq /Fm平均值与分布、实时PAR平均值 μmol/s/ m2、实时辐射平均值 /s/ m2、实时ETR平均值与分布、植物面积近红外成像模块近红外成像主要用于观测分析植物的水分状态及其在不同组织间的分布变异，处于良好浇灌状态的植物表现出对近红外光谱的高吸收性，而处于干旱状态的植物则表现出对近红外光谱的高反射性，通过分析软件可以监测分析从干旱胁迫到再浇灌过程中的整个过程动态及植物对干旱胁迫的响应和水分利用效率，并形成假彩图像，可以与植物的形态指数及叶绿素荧光指数进行相关分析研究。近红外成像模块技术参数红外热成像模块红外热成像主要用于成像分析植物在光辐射情况下的二维发热分布，良好的散热可以使植物耐受较长时间的高光辐 射或低水条件（干旱）。红外热成像模块技术参数高光谱成像模块高光谱成像在估测植物各种生化组分的吸收光谱信息及植物生长情况的检测上表现出了强大的优势，主要用于植物 的营养状况、水分含量、长势情况、病虫害情况监测等。高光谱成像模块技术参数激光3D扫描多光谱成像模块激光3D扫描成像能够耐受全日照辐射而不影响测量，在高精度测量三维点云信息的同时，测量400-900 nm范围内4 个波段的多光谱成像，使得我们可以得到植物在X、Y和Z轴上所有坐标点的多光谱信息，通过点云的空间深度信息和角 度信息，可以对光谱信息进行完美的校准，从而获得更加精准的数据。 激光3D扫描多光谱成像模块技术参数根系CT成像模块根系CT成像是植物表型平台的重要组成部分，成功的实现了原位监测植株根系状态，并对直径20cm花盆内自然土 壤中的根系进行扫描和重建。根系CT成像模块技术参数IT解决方案和储存WIWAM软件在高端工业计算机上运行，触摸屏。该软件配有用户友好图形界面，用于控制机器人站行为以及以极高灵活度设计设计实验。可同时运行多组实验，可运行不同随机模式，可及时规划单个植株或一组植株的处理。在预设启动时间，PC机将向工业PLC发送指令，照管机器人移动。所有成像，称重/浇水以及环境数据均可存于SQL数据库，记录后可用于分析记录。系统采用了开放式数据库结构，可以直接获取图像。该平台可以与高性能计算相连，用于分析储存数据或者可与本地服务器设施整合。SMS邮件服务可以通知用户机器报警和错误，可尽快进行用户干涉。系统可于任一点暂停和停下，UPS(不间断电源)可防止数据丢失和确保在停电后全系统恢复。该软件也有平台管理员系统设置和维护行为通道。图像分析和数据可视化WIWAM Conveyor有VIB开发的图像分析和数据可视化软件支持，此软件包，称为PIPPA，是中央网络界面和数据库，一方面用来为不同类型的WIWAM植物表型平台提供管理的工具，另一方面用于分析图像和数据。PIPPA与该平台通讯，通过将PIPPA网络界面生成的实验结果传到平台。每个花盆的处理和基因型信息已在数据库限定以确保在整个实验中的数据一体性。实验期间PIPPA对来自平台的称重，灌溉测量，环境数据，错误记录以及图像信息进行处理分析。PIPPA支持这些图像后续处理(旋转/收获/等)。图像分析文本可以在PIPPA界面初始化，可设置于网络服务器运行(独立版本)或计算机群运行，以快速生成结果。随后，通过检查数据是否在特定阈值之内可在网络几面对输出文本进行验证，例如，是否生长相关性状，如植物枝条面积一段时间内是否增加。北京博普特科技有限公司是比利时WIWAM植物表型成像系统的中国区总代理，全面负责其系列产品在中国市场的推广、销售和售后服务。

温室盆栽高通量植物表型成像系统集光电技术、自动化控制技术和计算机图形处理技术于一体，实现水稻、玉米、小麦、油 菜、棉花、烟草、柑橘等盆栽植物表型参数全自动、无损、高通量准确提取。系统整体包括栽培单元、输送单元、成像单元、 图形工作站，根据用户选配情况可在线获取植物RGB可见光图像(VISI)、远红外图像(FIRI)、近红外图像(NIRI)、荧光图像 (FLUI)、高光谱图像(HYPSI)、３D激光图像(3D-LSI)、CT断层图像(CT-I)、多光谱图像(MSI)，通过数据软件分析可 得到盆栽植物的株高、株宽、叶片面积、叶片角度等株型参数、鲜重干重等生物量参数、分蘖参数，此外还可根据用户需要定 制化感兴趣的二级性状参数。成像暗室单元暗室尺寸： 2000mm×3300mm×2000mm （可定制）最大植物尺寸：幼苗至 8m自动传送单元传送速度：0-2m/s传送线宽度：500mm定位精度：≤±2mm承重：50-300kg/ 盆（可定制）控制/采集单元控制/采集单元由高性能自动化控制系统和植物图形采集工作站组成，为植物表型成像系统的大脑中枢；可编程序控制器、工 业通讯系统、变频器等均采用国际名牌产品，提供符合Windows标准的友好的人机界面，方便人员操作；单元中充分考虑环 境对设备的影响，保证意外状态下不影响正常运行：故障单元的停机、离线对系统没有任何影响，运用自动均载技术，保证运 行平稳；按照设计规范安装各种探测开关和限位装置防止越程、误操作，并进行信息反馈；采用标准开发协议，支持自有或第 三方平台实时获取植物扫描图像、监控等数据；储存空间无限扩容，以应对不同阶段对数据库性能和存储空间的需求。成像传感器单元RGB可见光成像单元：可测参数：持绿性，卷叶程度，枯死叶比例，生物量，高度等远红外成像单元：可测参数：作物冠层温度分布、叶片蒸腾作用、作物干旱胁迫等相关性状高光谱成像单元：可测参数：无损动态提取海量光谱特征性状，获取不同波段下高光谱图像参数的光谱指数、并基于模型计算植株叶片营养元素含量(N、P、K)、叶绿素含量、水分含量等相关性状。CT成像单元：可测参数：主要用于测量温室盆栽的禾本科植物的分蘖数、分蘖角度、分蘖大小、分蘖形状等分蘖参数、作物植株的茎秆壁粗、壁厚、维管束等茎秆相关参数以及植株内部形态结构、成分含量变化等。多光谱成像单元：三维多光谱冠层扫描仪适用于室外自然光照条件下 农作物冠层的三维多光谱表型数据快速采集，可在 室外自然光条件下采集多光谱数据时，同步测量农 作物冠层的三维点云数据。选型配置表河南大学抗逆改良中心高通量作物表型平台集成高通量表型检测平台、植物生长平台、根系生长平台、植物春化平台，快速高通量计算样品相应表型信息，获取大量高价值 的表型数据，建立表型数据库。