PlantScreen植物表型成像分析系統（植物自動(dòng)傳送版）

PlantScreen植物表型成像分析系統由捷克PSI公司研制生產(chǎn)，整合了LED植物智能培養、自動(dòng)化控制系統、葉綠素熒光成像測量分析、植物熱成像分析、植物近紅外成像分析、植物高光譜分析、自動(dòng)條碼識別管理、RGB真彩3D成像、自動(dòng)稱(chēng)重與澆灌系統等多項*進(jìn)技術(shù)，以*化的方式實(shí)現大量植物樣品——從擬南芥、玉米到各種其它植物的*生理生態(tài)與形態(tài)結構成像分析，用于高通量植物表型成像分析測量、植物脅迫響應成像分析測量、植物生長(cháng)分析測量、生態(tài)毒理學(xué)研究、性狀識別及植物生理生態(tài)分析研究等。作為*家研制生產(chǎn)植物葉綠素熒光成像系統的廠(chǎng)家，PSI公司在植物表型成像分析領(lǐng)域處于的技術(shù)前列，大面積葉綠素熒光成像分析功能使PlantScreen成為植物表型分析與功能成像分析的*的儀器設備，使植物生長(cháng)、脅迫響應等測量參數達100多個(gè)。

左圖為整套PlantScreen系統，中圖為成像室，右圖為成像室中的玉米

PlantScreen系統包括如下成像分析功能：

1. 葉綠素熒光成像分析：?jiǎn)畏上衩娣e35x35cm，成像測量參數包括Fo, Fm, Fv, Fo’, Fm’, Fv’, Ft, Fv/Fm, Fv’/Fm’, Phi_PSII, NPQ, qN, qP, Rfd等幾十個(gè)葉綠素熒光參數

2. RGB成像分析：成像測量參數包括：

1) 葉面積（Leaf Area: Useful for monitoring growth rate）

2) 植物緊實(shí)度／緊密度（Solidity/Compactness. Ratio between the area covered by the plant’s convex hull and the area covered by the actual plant）

3) 葉片周長(cháng)（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) 葉圓度（Roundness: Based on evaluating the ratio between leaf area and perimeter. Gives information about leaf roundness）

6) 葉寬指數（Medium Leaf Width Index: Leaf area proportional to the plant skeleton (i.e. reduction of the leaf to line segment)）

7) 葉片細長(cháng)度SOL (Slenderness of Leaves)

8) 植物圓直徑（Circle Diameter. Diameter of a circle with the same area as the plant）

9) 凸包面積（Convex Hull Area. Useful for compactness evaluation）

10) 植物質(zhì)心（Centroid. Center of the plant mass position (particularly useful for the eccentricity evaluation)）

11) 節間距（Internodal Distances）

12) 生長(cháng)高度（Growth Height）

13) 植物三維zui大高度和寬度（Maximum Height and Width of Plant in 3 Dimensions）

14) 相對生長(cháng)速率（Relative growth rate）

15) 葉傾角（Leaf Angle）

16) 節葉片數量（Leaf Number at Nodes）

17) 其它參數如用于植物適合度估算的顏色定量分級、綠度指數（Other parameters such as color segmentation for plant fitness evaluation, greening index and others）

3. 高光譜成像分析（選配），可成像并分析如下參數：

1) 歸一化指數（Normalized Difference Vegetation Index (NDVI)）

2) 簡(jiǎn)單比值指數（Simple Ratio Index, Equation: SR = RNIR / RRED）

3) 改進(jìn)的葉綠素吸收反射指數（Modified Chlorophyll Absorption in Reflectance Index (MCARI1), ?Equation: MCARI1 = 1.2 * [2.5 * (R790- R670) - 1.3 * (R790- R550)]）

4) *化土壤調整植被指數（Optimized Soil-Adjusted Vegetation Index (OSAVI)?, Equation: OSAVI = (1 + 0.16) * (R790- R670) / (R790- R670 + 0.16)）

5) 綠度指數（Greenness Index (G), Equation: G = R554 / R677）

6) 改進(jìn)的葉綠素吸收反射指數（Modified Chlorophyll Absorption in Reflectance Index (MCARI), ?Equation: MCARI = [(R700- R670) - 0.2 * (R700- R550)] * (R700/ R670)）

7) 轉換類(lèi)胡羅卜素指數（Transformed CAR Index (TCARI)?, Equation: TSARI = 3 * [(R700- R670) - 0.2 * (R700- R550) * (R700/ R670)]）

8) 三角植被指數（Triangular Vegetation Index (TVI)?, ?Equation: TVI = 0.5 * [120 * (R750- R550) - 200 * (R670- R550)]）

9) ZMI指數（Zarco-Tejada & Miller Index (ZMI), Equation: ZMI = R750 / R710）

10) 簡(jiǎn)單比值色素指數（Simple Ratio Pigment Index (SRPI), Equation: SRPI = R430 / R680）

11) 歸一化脫鎂作用指數（Normalized Phaeophytinization Index (NPQI), Equation: NPQI = (R415- R435) / (R415+ R435)）

12) 光化學(xué)植被反射指數（Photochemical Reflectance Index (PRI), Equation: PRI = (R531- R570) / (R531+ R570)）

13) 歸一化葉綠素指數（Normalized Pigment Chlorophyll Index (NPCI), NPCI = (R680- R430) / (R680+ R430)）

14) Carter指數（Carter Indices?, Equation: Ctr1 = R695 / R420; Ctr2 = R695 / R760）

15) Lichtenthaler指數（Lichtenthaler Indices?, Equation: Lic1 = (R790 - R680) / (R790 + R680); Lic2 = R440 / R690）

16) SIPI指數（Structure Intensive Pigment Index (SIPI), Equation: SIPI = (R790- R450) / (R790+ R650)）

17) Gison－Merzlyak指數（Gison and Merzlyak Indices?, ?Equation: GM1 = R750/ R550; GM2 = R750/ R700）

4. 熱成像分析（選配）：用于成像分析植物在光輻射情況下的二維發(fā)熱分布，良好的散熱可以使植物耐受較長(cháng)時(shí)間的高光輻射或低水條件（干旱）

5. 近紅外成像分析（選配）：用于觀(guān)測分析植物的水分狀態(tài)及其在不同組織間的分布變異，處于良好澆灌狀態(tài)的植物表現出對近紅外光譜的高吸收性，而處于干旱狀態(tài)的植物則表現出對近紅外光譜的高反射性，通過(guò)分析軟件可以監測分析從干旱脅迫到再澆灌過(guò)程中的整個(gè)過(guò)程動(dòng)態(tài)及植物對干旱脅迫的響應和水分利用效率，并形成假彩圖像，可以與植物的形態(tài)指數及葉綠素熒光指數進(jìn)行相關(guān)分析研究。

系統配置與工作原理：

整套系統由自動(dòng)化植物傳送系統、光適應室、RGB成像、FluorCam葉綠素熒光成像、高光譜成像、植物熱成像、植物近紅外成像、自動(dòng)澆灌施肥與稱(chēng)重系統、植物標識系統等組成，光適應室內的植物可由傳送帶傳送到成像室進(jìn)行成像分析等。

技術(shù)指標：

1. 自動(dòng)裝載與卸載植物樣品，通過(guò)條形碼或RFID標簽識別跟蹤樣品

2. 光適應室：用于光照適應或植物培養，LED光源光照強度達1000μmol/m2.s，無(wú)熱效應，強度0－100%可調，可通過(guò)實(shí)驗程序預設光照周期變化，可選配通用型或型如水稻生長(cháng)觀(guān)測室等，還可選配三維掃瞄成像分析功能（包括XYZ三維掃瞄成像系統和軟件）

3. 標配托盤(pán)架30x30cm，用于安放盆栽植物或可以盛放多個(gè)小花盆的托盤(pán)

4. 自動(dòng)傳送系統由光適應室到成像室形成一個(gè)環(huán)形傳送通道，傳送帶采用具變速器的三相異步馬達，200-1000W，傳送帶寬320mm，負載力130kg，速度9m/min

5. 移動(dòng)控制系統中央處理單元：CJ2M-CPU33；數字I/O：zui大2560點(diǎn)；PLC通訊：通過(guò)以太網(wǎng)100Mb/sPC；OMRON MECHATROLINK-II zui大16軸精確定位

6. 植物成像測量室：150cm(長(cháng))x150cm(寬)x220cm(高)，與環(huán)境光隔離（light-isolated），快速自動(dòng)開(kāi)啟關(guān)閉門(mén)，開(kāi)啟關(guān)閉周期小于3秒，傳送帶入口具光幕傳感系統、條碼識別器和RFID讀取器

7. RFID讀取器辨識距離：2-20cm；通訊：RS485；條碼識別器可讀取1維、2維和QR碼，具LED光源便于弱光下辨識，RS485通訊

8. F3EM2光幕系統，精確測量植物高度和寬度以便進(jìn)入成像測量室后攝像頭自動(dòng)精確定位，測量范圍150cm，分辨率5mm

9. 葉綠素熒光成像：包括光隔離成像室、自動(dòng)開(kāi)啟與關(guān)閉門(mén)、傳送帶、PLC控制自動(dòng)上下移動(dòng)聚焦系統、4個(gè)LED光源板、8位綠波輪等，單幅成像面積35x35cm，測量光橙色620nm，橙色和白色雙波長(cháng)光化學(xué)光，飽和光閃為白色或藍色

10. 自動(dòng)灌溉與稱(chēng)重，可同時(shí)對5個(gè)植物種植盆進(jìn)行澆灌和稱(chēng)重，精確度±1g；稱(chēng)重后精確澆灌，可通過(guò)實(shí)驗程序（protocol）預設澆灌過(guò)程（regime）或干旱脅迫狀態(tài)，還可選配營(yíng)養供給系統隨澆灌定量供給植物營(yíng)養（如氮肥等）；稱(chēng)重前自動(dòng)零校準，還可通過(guò)已知重量（如砝碼）物品自動(dòng)進(jìn)行再校準；防護級別：IP66

11. 稱(chēng)重系統由4個(gè)稱(chēng)重單元組成，安全承載限：150% Ln；溫度補償：-10－40°C，標配測量范圍7kg，可選配10kg、15kg或20kg

12. RGB成像：頂部和側面三維成像（3個(gè)攝像頭），每個(gè)攝像頭各自擁有獨立的控制面盤(pán)以設置曝光時(shí)間、增益、白平衡等，通過(guò)控制面盤(pán)的快照鍵可即時(shí)拍照并顯示分辨率等信息，還可通過(guò)自動(dòng)模式自動(dòng)成像并存儲至數據庫，每次掃瞄成像時(shí)間小于10秒

13. RGB成像系統包括成像室（光隔離）、傳送帶及位置傳感器、3個(gè)攝像頭、光源及成像分析軟件，標配成像范圍150cm(長(cháng))x150cm(寬)x150cm(高)，LED冷白光源（不對植物產(chǎn)生熱效應）

14. 標配USB以太網(wǎng)攝像頭，有效像素4008x2672，像素大小9.0μm，比特分辨率12比特，光量子效率：藍光峰值465nm，綠色峰值540nm，紅色峰值610nm；28mm光學(xué)鏡頭，口徑43.2mm，光圈范圍2.8－F16

15. NIR近紅外成像單元：可成像采集1450－1600nm水吸收波段，以反映植物水分狀況，在供水充沛情況下表現出高NIR吸收值，干旱脅迫情況下則表現出高NIR反射，NIR假彩色成像可以通過(guò)軟件反映和分析植物水分狀況

16. 高光譜成像單元包括光隔離成像測量室、自動(dòng)開(kāi)啟關(guān)閉門(mén)、傳送帶、PLC控制自動(dòng)移動(dòng)聚焦鏡頭包括SWIR和VNIR鏡頭、光源、成像分析系統等，VNIR鏡頭波段380nm－1000nm，光圈F/0.2，縫隙寬度25μm，縫隙長(cháng)度18mm，幀速12－236 fps；SWIR鏡頭波段900－2500nm，光圈F/0.2，縫隙寬度25μm，縫隙長(cháng)度18mm，幀速60或100 fps，視野150x100cm

17. 用戶(hù)可通過(guò)實(shí)驗程序選擇SWIR成像、VNIR成像或兩個(gè)鏡頭全波段成像，每個(gè)鏡頭成像時(shí)間分別為15秒

18. 熱成像單元：分辨率640x480像素，溫度范圍20－120°C，靈敏度NETD<0.05°C@30°C/50mK，成像面積可達150x150cm

19. 可選配人工氣候室，植物生長(cháng)面積9.5m2，生長(cháng)高度2.0m，溫度穩定性±1°C，430nm－730nm白色和IR LED 光源，1000μmol/m2/s（距離植物100cm高度的光強）,可預設自動(dòng)光照周期動(dòng)態(tài)，

20. 系統控制與數據采集分析系統：

Ø 用戶(hù)友好的圖形界面

Ø 用戶(hù)定義、可編輯自動(dòng)測量程序（protocols）

Ø MySQL數據庫管理系統，可以處理?yè)碛猩锨f(wàn)條記錄的大型數據庫，支持多種存儲引擎，相關(guān)數據自動(dòng)存儲于數據庫中的不同表中

Ø 植物編碼注冊功能：包括植物識別碼、所在托盤(pán)的識別碼等存儲在數據庫中，測量時(shí)自動(dòng)提取自動(dòng)讀取條形碼或RFID標簽

Ø 觸摸屏操作界面，在線(xiàn)顯示植物托盤(pán)數量、光線(xiàn)強度、分析測量狀態(tài)及結果等，輕松通過(guò)軟件*控制所有的機械部件和成像工作站

Ø 可用默認程序進(jìn)行所有測量，也可通過(guò)開(kāi)發(fā)工具創(chuàng )建自定義的工作過(guò)程，或者手動(dòng)操作LED光源開(kāi)啟或關(guān)閉、RGB掃面成像、葉綠素熒光成像、稱(chēng)重及澆灌等

Ø 實(shí)驗程序（Protocols）具備起始鍵、終止鍵、暫停鍵

Ø 可根據實(shí)驗需求自動(dòng)控制植物樣品的移動(dòng)和單一成像站的激活

Ø 可提供3個(gè)相機視角的RGB數字生長(cháng)分析，包含閾值分析和顏色分析

Ø 對于葉綠素熒光成像圖片，軟件可批量進(jìn)行淬滅參數分析，包含了在背景去除圖像上用戶(hù)感興趣區域和像素值的平均。分析數據以原始圖像和分析數據的形式存儲在數據庫中。

Ø 對FIR熱成像圖，16位圖可直接導出到MATLAB或通過(guò)軟件生成溫度分布的假彩圖像。

部分用戶(hù)：

1. 水稻研究所（菲律賓）The International Rice Research Institute, Los Banos Philippines 

2. 澳大利亞聯(lián)邦科學(xué)與工業(yè)研究組織植物表型組學(xué)中心The CSIRO Plant Phenomics Center, Canberra, Australia 

3. 澳大利亞國立大學(xué)The Australian National University, Canberra. Australia 

4. 孟山都公司（美國）Monsanto Corporation, St. Louis, USA. 

5. 杜邦先鋒良種公司Pioneer-Dupont, Des Moines, Iowa 

6. 巴斯夫公司Metanomics（柏林）Metanomics (BASF), Berlin, GDR 

7. 巴斯夫公司CropDesign（比利時(shí)）CropDesign (BASF), Nevele, Belgium 

8. 美國合成基因公司Synthetic Genomics, La Jolla, USA 

9. Palacky 大學(xué)Palacky University Olomouc, Czech Republic

10. Masaryk 大學(xué)Masaryk University Brno, Czech Republic

產(chǎn)地：歐洲