移动式植物表型成像分析平台

全球首款移动式（Mobile）PlantScreen植物表型分析平台在荷兰植物生态表型中心（NPEC）安装运行，这是该中心成立后安装运行的首套植物表型分析系统，整个平台采用可移动式设计，有轮子可以方便在温室内移动，被称为“可移动的高通量植物表型成像分析平台”。 该表型平台包括3个功能模块：自动叶绿素荧光成像测量、3D激光三角测量、RGB 3D成像测量。Automated Chlorophyll Fluorescence, 3D laser triangulation and RGB imaging. The data looks promising !主要功能特点? 自动叶绿素荧光成像：PSI于上世纪90年代首次将叶绿素荧光脉冲调制技术（PAM）与CCD技术结合，研制成功叶绿素荧光成像技术并商业化生产（FluorCam）(Ladislav Nedbal, etc. Kinetic imaging of chlorophyll fluorescence using modulated light. Photosynthesis Research, 2000)，开创了叶绿素荧光技术的二维甚至三维时代，FluorCam叶绿素荧光成像技术成为植物生理性状表型分析的必选技术，也是目前灵敏度高、应用广泛、发表论文多的植物生理生态与表型分析技术，脉冲调制叶绿素荧光成像技术是目前被学术界广泛认可和应用的植物生理性状表型分析技术（Henning Tschiersch, etc. Establishment of integrated protocols for automated high throughput kinetic chlorophyll fluorescence analyses. Plant Methods, 2017），适用于从拟南芥、种苗（种子萌发幼苗）到水稻、小麦等中型作物及玉米等大型作物（可高达300cm）的光合作用效率、胁迫与抗胁迫等生理性状表型高通量分析与筛选。 ? 3D激光扫描成像测量：可对植株进行 3D建模；并自动获得叶面积、植株总叶面积、叶片投影面积、植株叶片投影总面积、叶面积指数、植株总叶面积指数、叶片紧实度、植株紧实度、株高、数字生物量、茎秆高度、茎秆长度、分枝数量等形态学参数。并可将叶绿素荧光成像、高光谱成像、红外热成像等在激光3D模型上进行投射，生成叶绿素荧光、高光谱、温度3D图像，实现真正的3D表型成像分析。? RGB 3D成像：对植株进行形态结构分析测量和颜色分割测量并计算相应参数指数等。独有的叶片生长追踪分析技术（leaf tracking protocol）和RGB“面具”功能，可为其它叶绿素荧光成像、高光谱成像、热成像等设置精准的ROI或者定义边界。 运行leaf tracking protocol叶片追踪分析功能、叶片分割分析功能、颜色分析? 可选配VNIR高光谱（光谱范围350-900nm或400-950nm）或SWIR高光谱（900-1700nm或1000-2350nm）成像分析单元，在线分析归一化指数NDVI、简单比值指数SR、改进的叶绿素吸收反射指数MCARI、改进的叶绿素吸收反射指数1MCARI1、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、ZMI指数、简单比值色素指数SRPI、归一化脱镁作用指数NPQI、光化学植被反射指数PRI、归一化叶绿素指数NPCI、Carter指数、Lichtenthaler指数、SIPI指数、Gitelson－Merzlyak指数、花青素反射指数等 ? 可选配标配版红外热成像（分辨率640x480像素，灵敏度0.03摄氏度）或高分辨率高灵敏度红外热成像分析单元（分辨率1024x768像素，灵敏度0.02摄氏度）? 可选配3D NIR红外热成像单元，以研究分析植物水分分布情况，波段范围900-1700nm，分辨率638x500像素? 可选配可移动（集装箱式）生长舱/气候舱（Growth Capsule）。该生长舱/气候舱采用集装箱式设计，可方便移动运输,由一个独立的单元或两个单元组成其主要技术特点：1) 每个单元可独立调节环境条件，温度、湿度、光照及CO2调控并在线监测显示在触摸屏上2) 光照调控采用智能多通道LED光源，可选配冷白光、RGB三色光源、近红外等多色光源，不同波段光源可按不同比例搭配组成不同光质条件，可模拟昼夜节律、有云天气等，具备day/night、dawn/dusk、cloudy/sky等protocols3) 温度控制范围：-5～40摄氏度或10～40摄氏度（不受光照影响）4) 湿度控制范围：40%～80%5) 大小（双座）：12.2m(L) x 2.45m(W) x 2.9m(H)6) 可遥控、远程数据下载7) 应用于植物培养监测：可选配叶绿素荧光、植物生理生态、光合作用监测8) 应用于植物表型分析：可选配XYZ三维扫描式PlantScreen植物表型成像分析系统 易科泰生态技术公司为您提供植物表型分析全面解决方案:? 手持式或便携式叶绿素荧光测量与成像技术? 手持式或便携式植物光谱与高光谱成像测量技术? 手持式或便携式红外热成像技术 ? FluorCam叶绿素荧光成像全面解决方案? FluorCam多光谱荧光成像技术全面解决方案? FKM多光谱荧光动态显微成像技术方案——细胞亚细胞水平分析植物性状? Specim高光谱成像技术全面解决方案? PlantScreen高通量植物表型成像分析技术? 叶绿素荧光成像、高光谱成像、红外热成像、多光谱成像、RGB成像综合集成技术方案

PlantScreen-R移动式植物表型分析系统（PlantScreen rover system）为知名大型移动式叶绿素荧光成像系统（Rover FluorCam）的升级版，4个轮子带驱动，以便于大田移动，适于温室及野外大田作物原位表型成像分析测量，具备PlantScreen几乎所有成像分析功能及表型大数据数据库等。标配为RGB成像分析、FluorCam（35x35cm）叶绿素荧光成像分析，可选配高光谱成像、红外热成像、3D激光扫描等功能模块，成像高度可调（标配最高植株高度可达1m），是田间作物高通量表型分析、植物生理生态研究的重要仪器设备，可直接对野外植物或田间栽培作物进行原位成像测量分析，还可与SoilTron多功能小型蒸渗仪配合使用，直接对SoilTron培养植物进行成像分析。 主要技术特点：1) 结构紧凑，配置灵活，功能全面，大田等环境使用方便，非损伤、高通量，表型大数据采集与在线分析并可视化展示2) 全球领先的FluorCam叶绿素荧光成像技术，是作物生理生态功能性状的必备分析技术，配备独有的高灵敏度叶绿素荧光成像镜头，大量参考文献和应用案例3) 可选配不同的表型成像分析模块：a) 叶绿素荧光成像单元，单幅成像面积35cm x 35cmb) RGB可见光成像分析单元c) 高光谱成像分析单元，有VNIR高光谱和SWIR高光谱供选配d) NIR（近红外）成像单元，用于对植物水分状态分析e) 红外热成像分析单元，用于对植物干旱胁迫、气孔导度成像分析f) 3D激光扫描单元，用于对作物3D成像和形态结构分析4) 可选配大田环境监测单元或定制网络化监测方案、微环境监测方案，如空气温湿度与太阳辐射/PAR（光合有效辐射）监测、土壤水分温度与盐分监测（不同点或不同剖面深度）、降雨量监测、CO2/O2测量监测等5) 可选配作物根系监测方案6) 可选配冠层温度监测、冠层光谱监测、冠层O2与CO2监测等技术指标：1) 主机框架平台：标配为铝制结构，具4个驱动轮便于大田移动，高度可调（标配植株最高高度可达100cm）；可选配其它农具车式平台（需客户定制） 2) FluorCam叶绿素荧光成像分析（详细指标参见FluorCam叶绿素荧光成像技术），用于植物生理功能性状如光合效率、胁迫与抗性筛选等a) 成像面积：35×35cmb) 橙色620nm LED脉冲调制测量光源，用于测量最小荧光Fo等c) 双色光化学光，橙色620nm LED和冷白LED光源d) 冷白LED饱和光闪，最大光强4000 μmol(photons)/m2.s，用于测量最大荧光产量Fm等e) 735nm LED红外光源用于测量Fo’等f) 高灵敏度CCD传感器镜，分辨率1.4M，A/D 16比特，具备视频模式和快照模式g) 测量参数：Fo、Fm、Fv、Fo' 、Fm' 、Fv' 、Ft、Fv/Fm、Fv' /Fm' 、PhiPSII、NPQ、qN、qP、Rfd、ETR等，用于分析植物光合效率、适合度、生物与非生物胁迫及作物抗性、恢复力等h) Fv/Fm、Kautsky诱导效应、荧光淬灭分析等完备自动化测量程序（protocols）与测量参数，如Fv/Fm程序测量时间仅需10si) 叶绿素荧光数据在线分析，包括柱状图、测量参数图、数据表格等，具备自定义图像分割等功能3) RGB成像，用于植物形态结构与颜色成像分析a) CMOS彩色传感器，分辨率5MPix、2560 x 1920（可选配12MPix镜头）、1/2”、14.1fps，像素大小2.2μmb) 测量参数：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、生长高度、相对生长速率等c) 可进行颜色分割分析、植物适合度评价、实验生长期叶面积动态变化比较分析、绿度指数、颜色分级分析（健康绿色、亮绿色、暗绿色、其他颜色）等表型参数 4) 红外热成像，用于气孔导度、干旱胁迫指数及其它胁迫成像分析a) 成像传感器：焦平面阵列微测热辐射计，分辨率 640×480 像素，灵敏度30mK（0.03°C），波段7.5-13μmb) 温度范围 -20 – 120℃，分辨率0.03℃@30℃/30mKc) 具备温度动态Protocols，光照强度、持续时间、热成像分布数据同步获取，以研究分析植物温度分布动态等d) 具备温度参考传感器（reference sensors）e) 测量参数：植物每一点的实际温度，植物表面温度分布图5) NIR近红外成像分析单元：用于成像监测分析植物水分状态分布，具备假彩调色板，可以方便对比分析，快速监测脱水植物，因而可以监测评估干旱胁迫条件下植物水分的动态变化响应及水分利用效率等a) 可与RGB成像形态结构参数及FluorCam光合效率参数进行相关分析等；可完整记录追溯干旱过程与复水过程的动态响应等b) 通过测量水分吸收光谱和940nm参考光谱，有效避免环境光及阴影效应c) InGaAs传感器，有效芯片大小9.6x7.7mm，波段范围900－1700nm，分辨率638x510像素，帧频118fps，A/D 14比特6) 3D激光扫描分析，可建立3D点云模型，用于植物形态结构分析，可分析植物结构、生物量、叶片数量、叶面积、叶片倾斜角度、植物高度等结构形态参数7) 表型组学研究分析系统：包括客户端应用服务器、可编程序逻辑控制器及专业分析软件等a) 自动控制与分析功能：具备用户定义、可编辑自动测量程序（protocols），根据用户设定程序自动完成全部实验。数据结果自动存储并分析，分析的数据结果可自动以动态曲线的形式显示b) 触摸屏操作界面，在线显示植物状态（可视化）、光线强度、分析测量状态及结果等c) 所测量的所有数据都是透明的、可以追溯的d) 具备用户权限分级功能，防止其他人员误操作影响实验e) 厂家远程故障诊断，软件终身免费升级

PlantScreen野外高通量植物表型分析平台——Field-based High-throughput Phenotyping PlatForm 建立对野外生长植物迅速、准确、高通量非损伤多性状表型分析能力，是21世纪作物遗传育种面临的最 大挑战（Andrade-Sanchez et al.2014, Furbank and Tester 2011, Houle et al. 2010）。野外高通量植物表型分析平台对遗传学、生物技术、作物育种，及作物对气候变化、土壤、耕作管理的响应研究监测等，特别是现代农业、智慧农业都具有无比重要的意义。 PlantScreen野外高通量植物表型分析平台集成了自动化控制系统、叶绿素荧光成像测量分析、植物热成像分析、植物高光谱分析、RGB彩色成像分析及互联网＋表型大数据平台等现代先进技术，以最 优化的方式实现野外植物原位高通量表型分析测量、植物胁迫响应与作物抗性成像分析测量筛选、植物生长分析测量、性状识别及植物生理生态分析研究等。作为全球第 一家研制生产植物叶绿素荧光成像系统的厂家，PSI公司在植物表型成像分析领域处于全球的技术前列，大面积叶绿素荧光成像分析等成像分析平台使PlantScreen成为植物表型分析与功能成像分析的最为先进的仪器设备。 功能特点：1) 大型多功能成像平台（Multi-functional sensor platform），集成了叶绿素荧光成像、RGB成像、红外热成像、LiDAR、高光谱成像等各种先进高端传感设备，全面分析：a) 结构性状表型分析（RGB成像及LiDAR）b) 功能表型分析（叶绿素荧光成像）c) 形状与生长评估（RGB成像及LiDAR）d) 光合作用表现（叶绿素荧光成像）e) 生物胁迫与非生物胁迫响应（叶绿素荧光成像、高光谱成像、红外热成像）f) 生理生态表现包括光合生理、气孔动态、生化代谢指标等等（叶绿素荧光成像、高光谱成像、红外热成像）2) 全球领 先的FluorCam叶绿素荧光成像技术，是作物生理生态功能性状的必备分析技术，智能LED光源提供调制测量光可以在白天自动成像测量光适应条件下的叶绿素荧光及光合效率；配备独有的高灵敏度叶绿素荧光成像镜头，成像面积达35cm x 35cm（可客户定制80cm x 80cm），是世界上单幅叶绿素荧光成像面积最 大的技术设备3) 可安装在拖拉机上进行移动式自动成像分析，也可安装在专用自动运行平台上沿样带轨道自动运行的同时进行样带全覆盖自动扫描成像和在线分析4) 表型分析大数据平台，包括系统控制、数据采集、数据处理分析与可视化在线显示、数据库等5) PSI表型研究中心专家团队技术支持，每年在美国和欧洲分别组织举办一次世界植物表型研讨会6) 可选配基于无人机技术（UAV-based）的PhenoUAS无人机高通量表型分析平台，使基于地面的表型分析scalling-up到空中大区域快速表型分析7) 可选配土壤气象监测站，全面分析环境条件与表型性状的关系8) 可选配植物生理生态监测系统，同步监测植物光合作用及果实生长等信息9) 可选配自动称重数字化培养盆，进行精确称重、土壤水分监测、自动浇灌等主要技术指标：1. 一体式多功能自动成像分析平台，集成了智能LED光源及叶绿素荧光成像模块、RGB成像分析模块及其它如红外热成像、LiDAR激光扫描、高光谱等选配成像模块，通过操作系统自动运行、自动分类存储、自动在线分析等2. 叶绿素荧光成像分析（标配）： a) 3色智能LED激发光源，620nm脉冲测量光、白色光化学光和最 大饱和光闪、735nm红外光用于测量Fo’等b) 可选配蓝色光源与7位滤波轮用于多光谱多波段荧光测量如GFP成像测量c) 独有高灵敏度CCD叶绿素荧光成像传感器，帧频达50fps，有效捕捉叶绿素荧光瞬变，分辨率720x560像素，A/D 12比特，具备视频模式和快照模式；可选配高分辨率CCD，分辨率1360x1024，帧频20fps，A/D 16比特d) 单幅成像面积35x35cme) 成像测量参数：可进行黑夜暗适应测量及白昼光适应测量，测量参数包括Fo, Fm, Fv, Fo’, Fm’, Fv’, Ft, Fv/Fm, Fv’/Fm’, Phi_PSII, NPQ, qN, qP, Rfd等叶绿素荧光参数，用于分析植物光合效率、适合度、生物与非生物胁迫及作物抗性、恢复力等f) Fv/Fm、Kautsky诱导效应、荧光淬灭分析等完备自动化测量程序（protocols）与测量参数，如Fv/Fm程序测量时间仅需10sg) 叶绿素荧光数据在线分析，包括柱状图、测量参数图、数据表格等，具备自定义图像分割等功能，可进行不同时间尺度（如日、月、整个生长季节等）的多参数动态分析h) 是真正的二维同步成像，所得叶绿素荧光参数是真正的基于像素点的二维分布参数，避免简单化的“激光诱导成像”（优点是轻便、省电）仅仅是一维成像（点或线）、不能同步化二维成像、易受环境因素影响（如风吹草动即产生严重误差）、成像参数只是模拟参数（根据激光扫描快慢得到的快速测量荧光与慢速测量荧光不是真正的最小荧光和最 大荧光，所得参数“光量子产量”只是模拟光量子产量需要用进行校准后参数才能使用）、测量参数单一（只能得到快速测量荧光和慢速测量荧光及由此计算出的模拟光量子产量或称光量子效率）、技术不成熟（找不到参考文献）等问题i) 是世界上用于植物高通量表型分析应用最广、发表论文最多的技术手段3. RGB成像分析（标配）：可对植物的形状、颜色绿度等进行成像分析，分辨率5Mpx，并可自动对植物花朵数量、水稻分蘖等进行统计分析，主要分析测量参数包括：1) 叶面积（Leaf Area: Useful for monitoring growth rate） 及其动态变化2) 植物紧实度／紧密度（Solidity/Compactness. Ratio between the area covered by the plant’s convex hull and the area covered by the actual plant）3) 叶片周长（Leaf Perimeter: Particularly useful for the basic leaf shape and width evaluation (combined with leaf area)）4) 偏心率（Eccentricity: Plant shape estimation, scalar number, eccentricity of the ellipse with same second moments as the plant (0...circle, 1...line segment)）5) 叶圆度（Roundness: Based on evaluating the ratio between leaf area and perimeter. Gives information about leaf roundness）6) 叶宽指数（Medium Leaf Width Index: Leaf area proportional to the plant skeleton (i.e. reduction of the leaf to line segment)）7) 叶片细长度SOL (Slenderness of Leaves)8) 植物圆直径（Circle Diameter. Diameter of a circle with the same area as the plant）9) 凸包面积（Convex Hull Area. Useful for compactness evaluation）10) 植物质心（Centroid. Center of the plant mass position (particularly useful for the eccentricity evaluation)）11) 扁平指数（Flattening index）12) 相对生长速率（Relative growth rate）13) 绿度指数与分级分析（暗绿、健康绿、浅绿等）14) 颜色分级与分区分析（Color segmentation for plant fitness evaluation）15) 其它性状与颜色分级动态分析4. 3D激光扫描分析（选配）：用于植物结构表型分析，通过点云模型自动分析计算植物结构、生物量、叶片数量、叶面积、叶片倾斜角度、植物高度等各种形态结构参数5. 红外热成像分析（选配）：焦平面阵列微测热辐射计，分辨率 640×480 像素，波段7.5-13μm，温度范围 -20 – 120℃，分辨率0.05℃@30℃/50mK，成像面积35x35cm，用于成像植物在光辐射情况下的冠层温度分布，并分析植物的气孔导度动态、干旱胁迫及抗干旱能力评估等，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）6. 高光谱成像分析（选配）：波长范围380-1000nm，光谱带数（波段数）675个波段，可成像并分析归一化指数（Normalized Difference Vegetation Index (NDVI)）简单比值指数（Simple Ratio Index, Equation: SR = RNIR / RRED）、改进的叶绿素吸收反射指数（Modified Chlorophyll Absorption in Reflectance Index (MCARI1), ?Equation: MCARI1 = 1.2 * [2.5 * (R790- R670) - 1.3 * (R790- R550)]）、优化土壤调整植被指数（Optimized Soil-Adjusted Vegetation Index (OSAVI)?, Equation: OSAVI = (1 + 0.16) * (R790- R670) / (R790- R670 + 0.16)）、光化学植被反射指数（Photochemical Reflectance Index (PRI), Equation: PRI = (R531- R570) / (R531+ R570)）等7. 野外移动平台：平台臂12m跨度，多功能成像平台可在移动平台上左右自动扫描成像分析，可自动扫描宽度达10m的样带，每一次扫描成像面积可达10x0.35m（3.5m2），完成一次扫描时间从不足1分钟到几分钟（根据实验测量程序Protocol而定），移动平台可沿轨道自动运行，运行距离原则上不受限制（受轨道长度限制）；移动平台高度2.5m，多功能成像平台高度可调节，以适应不同高度作物成像分析；移动平台4个橡胶轮既可在轨道上通过控制系统自动运行并自动扫描成像，还便于在一般地面上移动、拐弯等，对于75x20m的样方，移动平台可以载荷多功能成像平台一次完成75x10m的样带，然后手动拐弯后再自动完成另一半75x10m的成像分析；配备GPS系统精度达2cm，通过软件自动记录测量数据、位置、时间等，可由柴油发电机提供动力驱动整个平台移动8. 可选配环境测量传感器网络，自动监测记录PAR、环境CO2浓度、空气温湿度、降雨量及土壤水分等。9. 系统控制与数据采集分析系统（表型大数据平台）：1) 用户友好的图形界面2) GPS定位功能可进行空间分布信息及时空分布格局分析3) 已内置各种成熟的Protocols，具备用户定义、可编辑自动测量程序（protocols），根据用户设定程序自动完成全部实验。数据结果自动存储并分析，分析的数据结果可自动以动态曲线的形式显示4) MySQL数据库管理系统，可以处理拥有上千万条记录的大型数据库，支持多种存储引擎，相关数据自动存储于数据库中的不同表中5) 可用默认程序进行所有测量，也可通过开发工具创建自定义的工作过程，或者手动操作LED光源开启或关闭、RGB扫面成像、叶绿素荧光成像等6) 实验程序（Protocols）具备起始键、终止键、暂停键7) 系统可通过互联网无线远程控制，允许用户通过互联网远程访问，进行数据处理、下载及更改实验设计，具备用户权限分级功能，防止其他人员误操作影响实验产地：欧洲PSI应用案例： 应用FluorCam叶绿素荧光技术，对野外植物进行原位不同季节长期监测，同时监测植物光合作用（CO2同化）A，结果参见下图。FluorCam叶绿素荧光技术采用激发光脉冲调制技术、高灵敏度CCD传感器（采样频率达每秒50次）技术及智能LED光源，可以大面积（标配每帧成像面积35x35cm）植物／作物成像分析，在野外既可在夜间进行暗适应条件下的叶绿素荧光成像分析，还可在环境光适应条件下进行叶绿素荧光成像分析，比简单的激光诱导叶绿素荧光测量（通过一束点状或线型单色激发光源激发叶绿素荧光并进行测量，优点是省电且可以更轻便）相比有诸多功能优势，不仅测量参数多、可以进行各种叶绿素荧光实验程序成像测量分析，而且一次二维成像（真正的成像分析）避免了点状或线型激发光扫描造成的叶绿素荧光测量不同步、野外风吹草动分辨率严重降低等问题。 附：其它野外表型成像分析系统：1) PhenoUAS无人机高通量大田作物表型分析平台2) FluorCam野外移动式叶绿素荧光与RGB成像分析系统3) FluorCam样带扫描式叶绿素荧光与RGB成像分析系统（可选配红外热成像）