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PlantScreen高通量植物表型成像分析平臺(tái)（傳送帶版）（一） 

 PlantScreen高通量植物表型成像分析平臺(tái)由國(guó)際知名公司PSI公司研制生產(chǎn),，整合了LED植物智能培養(yǎng),、自動(dòng)化控制系統(tǒng),、葉綠素?zé)晒獬上駵y(cè)量分析（可擴(kuò)展多光譜熒光成像）,、植物熱成像分析,、植物近紅外成像分析,、RGB真彩3D成像,、高光譜成像,、3D激光掃描成像分析,、RhizoTron根系成像分析、自動(dòng)條碼識(shí)別管理,、自動(dòng)稱重與澆灌系統(tǒng)等多項(xiàng)先進(jìn)技術(shù),，以最優(yōu)化的方式實(shí)現(xiàn)大量植物樣品的全方位生理功能與形態(tài)結(jié)構(gòu)自動(dòng)成像分析，用于玉米,、水稻,、小麥,、大豆及椰樹等熱帶作物高通量表型成像分析測(cè)量、脅迫響應(yīng)成像分析測(cè)量,、生長(zhǎng)分析測(cè)量,、生態(tài)毒理學(xué)研究、性狀識(shí)別,、抗性篩選,、作物遺傳育種及植物生理生態(tài)分析研究等。

PlantScreen技術(shù)特點(diǎn)

1.模塊式結(jié)構(gòu),，配置靈活,，可選配不同的功能模塊，系統(tǒng)具備強(qiáng)大的可擴(kuò)展性

2.全球領(lǐng)先的FluorCam葉綠素?zé)晒獬上窦夹g(shù),，是作物生理生態(tài)功能性狀的必備分析技術(shù),，配備獨(dú)有的高靈敏度葉綠素?zé)晒獬上耒R頭，成像面積可選配35cm x 35cm或80cm x 80cm

3.可選配不同的表型成像分析模塊：

 1)葉綠素?zé)晒獬上駟卧?，單幅成像面積35cm x 35cm或選配80cm x 80cm

 2)多激發(fā)光,、多光譜熒光成像模塊,，包括GFP等熒光蛋白成像,、多光譜熒光成像分析等

 3)3D RGB可見光成像分析單元，包括頂部和側(cè)面兩個(gè)高分辨率RGB鏡頭,、0－360度旋轉(zhuǎn)平臺(tái),、光源燈

 4)高光譜成像分析單元,，有VNIR高光譜和SWIR高光譜供選配

 5)紅外熱成像分析單元（標(biāo)配頂部2維成像分析，可選配頂部與側(cè)面3D成像分析）,，用于對(duì)植物干旱脅迫,、氣孔導(dǎo)度成像分析

 6)3D激光掃描單元，用于對(duì)作物3D點(diǎn)云模型和形態(tài)結(jié)構(gòu)分析,，PSI專業(yè)技術(shù),，可以把葉綠素?zé)晒獬上瘛⒏吖庾V成像等投射到3D點(diǎn)云模型上進(jìn)行3D分析,、作物生長(zhǎng)模型研究等

 7)根系成像分析單元,，RhizoTron根窗技術(shù)

 8)NIR（近紅外）成像單元，用于對(duì)植物水分狀態(tài)分析,，可選配3D近紅外成像

 9)自動(dòng)稱重與澆灌系統(tǒng)

4.世界獨(dú)創(chuàng)的智能LED光適應(yīng)室,，確保作物表型成像分析前穩(wěn)定可比的光適應(yīng)和暗適應(yīng)

5.Shoot & Root Phenotyping全面分析植物表型

6.植物傳送系統(tǒng)可根據(jù)客戶需求定制、擴(kuò)展

7.客戶定制智能LED溫室或作物生長(zhǎng)室（選配）,，可模擬晝夜節(jié)律,、多云天氣等，傳送系統(tǒng)可自動(dòng)將植物從生長(zhǎng)室中傳送至光適應(yīng)室然后進(jìn)入成像室進(jìn)行成像分析,，并遠(yuǎn)程在線瀏覽分析

8.功能強(qiáng)大的操作系統(tǒng)及作物表型大數(shù)據(jù)平臺(tái),，具備葉片跟蹤監(jiān)測(cè)功能,、3D投射功能

9.PSI表型研究中心專家團(tuán)隊(duì)技術(shù)支持，每年在美國(guó)和歐洲分別組織舉辦一次世界植物表型研討會(huì)

國(guó)際植物表型分析技術(shù)應(yīng)用情況

作為全球第一家研制生產(chǎn)FluorCam植物葉綠素?zé)晒獬上裣到y(tǒng)的廠家,，PSI公司在植物表型成像分析領(lǐng)域處于全球的技術(shù)前列,，其FluorCam葉綠素?zé)晒獬上裣到y(tǒng)最先應(yīng)用于植物表型分析研究，代表性論文如Celine Rousseau等（High throughput quantitative phenotyping of plant resistance using chlorophyll fluorescence image analysis, Plant Methods 2013）,。在FluorCam技術(shù)基礎(chǔ)上集成RGB 3D成像分析、高光譜成像分析,、近紅外成像分析,、紅外熱成像分析及激光雷達(dá)掃描分析等先進(jìn)技術(shù)的PlantScreen全自動(dòng)高通量植物表型成像分析平臺(tái)，成為目前世界上最先進(jìn)的表型組學(xué)和作物遺傳育種研究設(shè)備（應(yīng)用案例另附）,。

系統(tǒng)配置與工作原理

整套系統(tǒng)由自動(dòng)化植物傳送系統(tǒng),、光適應(yīng)室、FluorCam葉綠素?zé)晒獬上?、RGB成像,、高光譜成像、根系成像,、植物紅外熱成像,、植物近紅外成像、自動(dòng)澆灌與稱重系統(tǒng),、植物標(biāo)識(shí)系統(tǒng),、控制系統(tǒng)及表型大數(shù)據(jù)平臺(tái)等組成，溫室或生長(zhǎng)室內(nèi)植物通過自動(dòng)識(shí)別傳送系統(tǒng)運(yùn)送到光適應(yīng)室內(nèi),，然后進(jìn)行必要的澆灌稱重,，再由傳送帶到成像室進(jìn)行成像分析等，最后植物自動(dòng)返回原位,。系統(tǒng)服務(wù)器及數(shù)據(jù)分析平臺(tái)在線采集分析并自動(dòng)存儲(chǔ)至數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)

技術(shù)指標(biāo)

1.光適應(yīng)室：

 ·對(duì)作物成像分析前進(jìn)行均一穩(wěn)定的光適應(yīng)或暗適應(yīng),，以確保植物表型分析數(shù)據(jù)的可靠性

 ·智能冷白LED（6500K）+遠(yuǎn)紅LED（735nm）光源，對(duì)植物無輻射升溫效應(yīng),，光強(qiáng)1000 μmoles /m2/s 0-100%（步進(jìn)增幅1%）可調(diào)

 ·適應(yīng)室內(nèi)由通風(fēng)系統(tǒng)保持空氣交流通風(fēng)

 ·具備植物高度激光監(jiān)測(cè)系統(tǒng),，以根據(jù)高度調(diào)整成像高度等

 ·具備激光定位系統(tǒng)，以調(diào)整控制植物移動(dòng)與成像程序（imaging protocols）的同步性

 ·垂直簾門確保與環(huán)境光線及成像系統(tǒng)的隔離

 ·具備IP監(jiān)測(cè)鏡頭以始終保持對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行和植物移動(dòng)狀況的監(jiān)視

 ·規(guī)格容量8盆／培養(yǎng)托

2.RGB 3D結(jié)構(gòu)成像分析單元

 a)2個(gè)高分辨率RGB鏡頭（頂部和側(cè)面）,，新一代CMOS彩色傳感器,，分辨率12.8Mpix（4096x3000），像素大小3.45μm

 b)成像高度可客戶定義或設(shè)置,，范圍0-1050mm,，精確度3mm

 c)360度旋轉(zhuǎn)平臺(tái)、LED均一光源照明

 d)數(shù)據(jù)傳輸：千兆以太網(wǎng)

 e)測(cè)量參數(shù)：葉面積,、植物緊實(shí)度／緊密度,、葉片周長(zhǎng),、偏心率、葉圓度,、葉寬指數(shù),、植物圓直徑、凸包面積,、植物質(zhì)心,、生長(zhǎng)高度、植物最大高度和寬度,、相對(duì)生長(zhǎng)速率等

 f)可進(jìn)行顏色分割分析,、植物適合度評(píng)價(jià)、實(shí)驗(yàn)生長(zhǎng)期葉面積動(dòng)態(tài)變化比較分析,、綠度指數(shù),、顏色分級(jí)分析（健康綠色、亮綠色,、暗綠色,、其他顏色）等表型參數(shù)

3.FluorCam葉綠素?zé)晒獬上駟卧?/span>

 a)成像面積：35×35cm或選配80x80cm

 b)橙色620nm LED脈沖調(diào)制測(cè)量光源

 c)雙色光化學(xué)光，橙色620nm LED和冷白LED光源

 d)冷白LED飽和光閃,，最大光強(qiáng)4000 μmol(photons)/m2.s

 e)735nm LED紅外光源用于測(cè)量Fo’等

 f)可選配藍(lán)色光源與7位濾波輪,，用于GFP穩(wěn)態(tài)熒光測(cè)量

 g)高靈敏度葉綠素?zé)晒獬上駥I(yè)CCD傳感器，1.4M分辨率,， A/D 16比特,，具備視頻模式和快照模式

 h)測(cè)量參數(shù)：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、適合度,、生物與非生物脅迫及作物抗性,、恢復(fù)力等

 i)Fv/Fm,、Kautsky誘導(dǎo)效應(yīng)、熒光淬滅分析等完備自動(dòng)化測(cè)量程序（protocols）與測(cè)量參數(shù),，如Fv/Fm程序測(cè)量時(shí)間僅需10s

 j)葉綠素?zé)晒鈹?shù)據(jù)在線分析,，包括柱狀圖、測(cè)量參數(shù)圖,、數(shù)據(jù)表格等,，具備自定義圖像分割等功能

4. 多光譜熒光成像模塊

 ·不僅可以運(yùn)行PAM葉綠素?zé)晒獬上瘢€可以進(jìn)行GFP/YFP等熒光蛋白成像,、多光譜熒光成像

 ·9種LED激發(fā)光源：UV（365nm）,、青色光源（440nm）、藍(lán)色光源（470nm）,、綠色光源（530nm）、琥珀色光源（590nm）,、橙色光源（630nm）,、深紅色光源（660nm）、遠(yuǎn)紅光源（730nm）及冷白光源（5700K）

 ·可成像分析多酚類（黃酮醇類,、花青素等）,、N素指數(shù)等

 ·分辨率1360x1024像素，binning 2x2,、680x512像素

5. 紅外熱成像單元

 ·成像傳感器：焦平面陣列微測(cè)熱輻射計(jì),，分辨率 640×480 像素，靈敏度30mK（0.03°C）,，波段7.5-13μm,；

 ·可選配高分辨率紅外熱成像，分辨率可達(dá)1024x768像素,，靈敏度20mK（0.02°C）

 ·溫度范圍 -20 – 120℃,，分辨率<0.03℃@30℃/30mK

 ·專用成像光源：冷白LED光源板，用于給測(cè)量植物提供穩(wěn)定熱環(huán)境,，6500K,，最大光強(qiáng) 1000 μmol(photons)/m2.s，0-100%可調(diào)

 ·具備溫度動(dòng)態(tài)Protocols,，光照強(qiáng)度,、持續(xù)時(shí)間、熱成像分布數(shù)據(jù)同步獲取,，以研究分析植物溫度分布動(dòng)態(tài)等

 ·具備溫度參考傳感器（reference sensors）

 ·測(cè)量參數(shù)：植物每一點(diǎn)的實(shí)際溫度,，植物表面溫度分布圖

 ·專業(yè)分析軟件用于數(shù)據(jù)獲取、分析,、存儲(chǔ)等

6. NIR成像分析單元（選配）

 ·用于成像監(jiān)測(cè)分析植物水分狀態(tài)分布,，具備假彩調(diào)色板,，可以方便對(duì)比分析，快速監(jiān)測(cè)脫水植物,，因而可以監(jiān)測(cè)評(píng)估干旱脅迫條件下植物水分的動(dòng)態(tài)變化響應(yīng)及水分利用效率等

 ·可與RGB成像形態(tài)結(jié)構(gòu)參數(shù)及FluorCam光合效率參數(shù)進(jìn)行相關(guān)分析等,；可完整記錄追溯干旱過程與復(fù)水過程的動(dòng)態(tài)響應(yīng)等

 ·通過測(cè)量水分吸收光譜和940nm參考光譜，有效避免環(huán)境光及陰影效應(yīng)

 ·InGaAs傳感器,，有效芯片大小9.6x7.7mm,，波段范圍900－1700nm，分辨率638x510像素,，幀頻118fps,，A/D 14比特

 ·可選配頂部與側(cè)面雙鏡頭三維成像分析

 ·選配根系成像分析單元，以對(duì)根系進(jìn)行近紅外成像分析

7. 可見光-近紅外高光譜成像單元

 ·成像波長(zhǎng)范圍：400-950nm（或350-900nm）

 ·成像傳感器：推掃式線性掃描傳感器,，配備專用掃描光源

 ·像素色散：0.28nm／pixel

 ·光譜分辨率0.8nm FWHM

 ·光譜帶數(shù)（波段數(shù)）：1920個(gè)波段

 ·空間分辨率：1000

 ·入射狹縫寬度：25μm

 ·幀頻：45fps

 ·CMOS檢測(cè)器,，光圈F/2.0，GigE網(wǎng)絡(luò)接口

 ·自動(dòng)參考校準(zhǔn),，線性掃描,，高度可調(diào)

 ·測(cè)量參數(shù)：每個(gè)波段的反射光譜成像圖及全光譜曲線，并可自動(dòng)計(jì)算以下植被指數(shù)：歸一化指數(shù)NDVI,、簡(jiǎn)單比值指數(shù)SR,、改進(jìn)的葉綠素吸收反射指數(shù)MCARI、改進(jìn)的葉綠素吸收反射指數(shù)1MCARI1,、最優(yōu)化土壤調(diào)整植被指數(shù)OSAVI,、綠度指數(shù)G、轉(zhuǎn)換類胡羅卜素指數(shù)TCARI,、三角植被指數(shù)TVI,、ZMI指數(shù)、簡(jiǎn)單比值色素指數(shù)SRPI,、歸一化脫鎂作用指數(shù)NPQI,、光化學(xué)植被反射指數(shù)PRI、歸一化葉綠素指數(shù)NPCI,、Carter指數(shù),、Lichtenthaler指數(shù)、SIPI指數(shù),、Gitelson－Merzlyak指數(shù),、花青素反射指數(shù)等等

8. 短波紅外高光譜成像單元

 ·成像波長(zhǎng)范圍：900-1700nm

 ·成像傳感器：推掃式線性掃描傳感器，配備專用掃描光源

 ·光譜分辨率：2nm（FWHM）

 ·光譜帶數(shù)：510個(gè)波段

 ·空間分辨率636

 ·測(cè)量參數(shù)：每個(gè)波段的反射光譜成像圖及全光譜曲線,，無損測(cè)量植物整體及不同部位水分含量變化（右圖中藍(lán)色越深含水量越高）

9. 3D激光掃描單元

 ·頂部與側(cè)面激光掃描,，660nm激光，用于植物精確3D模型構(gòu)建，分辨率低于1mm

 ·頂部掃描距離60cm,，客戶定義側(cè)面掃描距離

 ·3D點(diǎn)云模型,，RGB成像、葉綠素?zé)晒獬上駭?shù)據(jù)等可與3D模型疊加分析

 ·植物結(jié)構(gòu),、生物量,、葉片數(shù)量、葉面積,、葉片傾斜角度,、植物高度等結(jié)構(gòu)形態(tài)參數(shù)