— 生態(tài) · 農(nóng)業(yè) · 健康 —
時(shí)間：2020-02-28
作者：易科泰
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簡介：
PlantScreen野外高通量植物表型分析平臺(tái)
Field-based High-throughput Phenotyping PlatForm
建立對野外生長植物迅速、準(zhǔn)確、高通量非損傷多性狀表型分析能力，是21世紀(jì)作物遺傳育種面臨的最大挑戰(zhàn)（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臺(tái)對遺傳學(xué)、生物技術(shù)、作物育種，及作物對氣候變化、土壤、耕作管理的響應(yīng)研究監(jiān)測等，特別是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)、智慧農(nóng)業(yè)都具有無比重要的意義。
PlantScreen野外高通量植物表型分析平臺(tái)集成了自動(dòng)化控制系統(tǒng)、葉綠素?zé)晒獬上駵y量分析、植物熱成像分析、植物高光譜分析、RGB彩色成像分析及互聯(lián)網(wǎng)＋表型大數(shù)據(jù)平臺(tái)等現(xiàn)代先進(jìn)技術(shù)，以最優(yōu)化的方式實(shí)現(xiàn)野外植物原位高通量表型分析測量、植物脅迫響應(yīng)與作物抗性成像分析測量篩選、植物生長分析測量、性狀識(shí)別及植物生理生態(tài)分析研究等。作為全球第一家研制生產(chǎn)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，大面積葉綠素?zé)晒獬上穹治龅瘸上穹治銎脚_(tái)使PlantScreen成為植物表型分析與功能成像分析的最為先進(jìn)的儀器設(shè)備。
功能特點(diǎn)
1. 大型多功能成像平臺(tái)（Multi-functional sensor platform），集成了葉綠素?zé)晒獬上瘛GB成像、紅外熱成像、LiDAR、高光譜成像等各種先進(jìn)高端傳感設(shè)備，全面分析：
a)結(jié)構(gòu)性狀表型分析（RGB成像及LiDAR）
b)功能表型分析（葉綠素?zé)晒獬上瘢?/span>
c)形狀與生長評估（RGB成像及LiDAR）
d)光合作用表現(xiàn)（葉綠素?zé)晒獬上瘢?/span>
e)生物脅迫與非生物脅迫響應(yīng)（葉綠素?zé)晒獬上?、高光譜成像、紅外熱成像）
f)生理生態(tài)表現(xiàn)包括光合生理、氣孔動(dòng)態(tài)、生化代謝指標(biāo)等等（葉綠素?zé)晒獬上?、高光譜成像、紅外熱成像）
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)，智能LED光源提供調(diào)制測量光可以在白天自動(dòng)成像測量光適應(yīng)條件下的葉綠素?zé)晒饧肮夂闲?；配備?dú)有的高靈敏度葉綠素?zé)晒獬上耒R頭，成像面積達(dá)35cm x 35cm（可客戶定制80cm x 80cm），是世界上單幅葉綠素?zé)晒獬上衩娣e最大的技術(shù)設(shè)備
3. 可安裝在拖拉機(jī)上進(jìn)行移動(dòng)式自動(dòng)成像分析，也可安裝在專用自動(dòng)運(yùn)行平臺(tái)上沿樣帶軌道自動(dòng)運(yùn)行的同時(shí)進(jìn)行樣帶全覆蓋自動(dòng)掃描成像和在線分析
4. 表型分析大數(shù)據(jù)平臺(tái)，包括系統(tǒng)控制、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理分析與可視化在線顯示、數(shù)據(jù)庫等
5. PSI表型研究中心專家團(tuán)隊(duì)技術(shù)支持，每年在美國和歐洲分別組織舉辦一次世界植物表型研討會(huì)
6. 可選配基于無人機(jī)技術(shù)（UAV-based）的PhenoUAS無人機(jī)高通量表型分析平臺(tái)，使基于地面的表型分析scalling-up到空中大區(qū)域快速表型分析
7. 可選配土壤氣象監(jiān)測站，全面分析環(huán)境條件與表型性狀的關(guān)系
8. 可選配植物生理生態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，同步監(jiān)測植物光合作用及果實(shí)生長等信息
9. 可選配自動(dòng)稱重?cái)?shù)字化培養(yǎng)盆，進(jìn)行精確稱重、土壤水分監(jiān)測、自動(dòng)澆灌等
主要技術(shù)指標(biāo)
1.一體式多功能自動(dòng)成像分析平臺(tái)，集成了智能LED光源及葉綠素?zé)晒獬上衲K、RGB成像分析模塊及其它如紅外熱成像、LiDAR激光掃描、高光譜等選配成像模塊，通過操作系統(tǒng)自動(dòng)運(yùn)行、自動(dòng)分類存儲(chǔ)、自動(dòng)在線分析等
2.葉綠素?zé)晒獬上穹治觯?biāo)配）：
a)3色智能LED激發(fā)光源，620nm脈沖測量光、白色光化學(xué)光和最大飽和光閃、735nm紅外光用于測量Fo’等
b)可選配藍(lán)色光源與7位濾波輪用于多光譜多波段熒光測量如GFP成像測量
c)獨(dú)有高靈敏度CCD葉綠素?zé)晒獬上駛鞲衅?，幀頻達(dá)50fps，有效捕捉葉綠素?zé)晒馑沧?，分辨?20x560像素，A/D 12比特，具備視頻模式和快照模式；可選配高分辨率CCD，分辨率1360x1024，幀頻20fps，A/D 16比特
d)單幅成像面積35x35cm
e)成像測量參數(shù)：可進(jìn)行黑夜暗適應(yīng)測量及白晝光適應(yīng)測量，測量參數(shù)包括Fo, Fm, Fv, Fo’, Fm’, Fv’, Ft, Fv/Fm, Fv’/Fm’, Phi_PSII, NPQ, qN, qP, Rfd等葉綠素?zé)晒鈪?shù)，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
f)Fv/Fm、Kautsky誘導(dǎo)效應(yīng)、熒光淬滅分析等完備自動(dòng)化測量程序（protocols）與測量參數(shù)，如Fv/Fm程序測量時(shí)間僅需10s
g)葉綠素?zé)晒鈹?shù)據(jù)在線分析，包括柱狀圖、測量參數(shù)圖、數(shù)據(jù)表格等，具備自定義圖像分割等功能，可進(jìn)行不同時(shí)間尺度（如日、月、整個(gè)生長季節(jié)等）的多參數(shù)動(dòng)態(tài)分析
h)是真正的二維同步成像，所得葉綠素?zé)晒鈪?shù)是真正的基于像素點(diǎn)的二維分布參數(shù)，避免簡單化的“激光誘導(dǎo)成像”（優(yōu)點(diǎn)是輕便、省電）僅僅是一維成像（點(diǎn)或線）、不能同步化二維成像、易受環(huán)境因素影響（如風(fēng)吹草動(dòng)即產(chǎn)生嚴(yán)重誤差）、成像參數(shù)只是模擬參數(shù)（根據(jù)激光掃描快慢得到的快速測量熒光與慢速測量熒光不是真正的最小熒光和最大熒光，所得參數(shù)“光量子產(chǎn)量”只是模擬光量子產(chǎn)量需要用進(jìn)行校準(zhǔn)后參數(shù)才能使用）、測量參數(shù)單一（只能得到快速測量熒光和慢速測量熒光及由此計(jì)算出的模擬光量子產(chǎn)量或稱光量子效率）、技術(shù)不成熟（找不到參考文獻(xiàn)）等問題
i)是世界上用于植物高通量表型分析應(yīng)用最廣、發(fā)表論文最多的技術(shù)手段
3.RGB成像分析（標(biāo)配）：可對植物的形狀、顏色綠度等進(jìn)行成像分析，分辨率5Mpx，并可自動(dòng)對植物花朵數(shù)量、水稻分蘗等進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，主要分析測量參數(shù)包括：
1)葉面積（Leaf Area: Useful for monitoring growth rate） 及其動(dòng)態(tài)變化
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（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(shù)（Medium Leaf Width Index: Leaf area proportional to the plant skeleton (i.e. reduction of the leaf to line segment)）
7)葉片細(xì)長度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)扁平指數(shù)（Flattening index）
12)相對生長速率（Relative growth rate）
13)綠度指數(shù)與分級分析（暗綠、健康綠、淺綠等）
14)顏色分級與分區(qū)分析（Color segmentation for plant fitness evaluation）
15)其它性狀與顏色分級動(dòng)態(tài)分析
4.3D激光掃描分析（選配）：用于植物結(jié)構(gòu)表型分析，通過點(diǎn)云模型自動(dòng)分析計(jì)算植物結(jié)構(gòu)、生物量、葉片數(shù)量、葉面積、葉片傾斜角度、植物高度等各種形態(tài)結(jié)構(gòu)參數(shù)
5.紅外熱成像分析（選配）：焦平面陣列微測熱輻射計(jì)，分辨率 640×480 像素，波段7.5-13μm，溫度范圍 -20 – 120℃，分辨率<0.05℃@30℃/50mK，成像面積35x35cm，用于成像植物在光輻射情況下的冠層溫度分布，并分析植物的氣孔導(dǎo)度動(dòng)態(tài)、干旱脅迫及抗干旱能力評估等，良好的散熱可以使植物耐受較長時(shí)間的高光輻射或低水條件（干旱）
6.高光譜成像分析（選配）：波長范圍380-1000nm，光譜帶數(shù)（波段數(shù)）675個(gè)波段，可成像并分析歸一化指數(shù)（Normalized Difference Vegetation Index (NDVI)）簡單比值指數(shù)（Simple Ratio Index, Equation: SR = RNIR / RRED）、改進(jìn)的葉綠素吸收反射指數(shù)（Modified Chlorophyll Absorption in Reflectance Index (MCARI1), Equation: MCARI1 = 1.2 * [2.5 * (R790- R670) - 1.3 * (R790- R550)]）、優(yōu)化土壤調(diào)整植被指數(shù)（Optimized Soil-Adjusted Vegetation Index (OSAVI) , Equation: OSAVI = (1 + 0.16) * (R790- R670) / (R790- R670 + 0.16)）、光化學(xué)植被反射指數(shù)（Photochemical Reflectance Index (PRI), Equation: PRI = (R531- R570) / (R531+ R570)）等
7.野外移動(dòng)平臺(tái)：平臺(tái)臂12m跨度，多功能成像平臺(tái)可在移動(dòng)平臺(tái)上左右自動(dòng)掃描成像分析，可自動(dòng)掃描寬度達(dá)10m的樣帶，每一次掃描成像面積可達(dá)10x0.35m（3.5m2），完成一次掃描時(shí)間從不足1分鐘到幾分鐘（根據(jù)實(shí)驗(yàn)測量程序Protocol而定），移動(dòng)平臺(tái)可沿軌道自動(dòng)運(yùn)行，運(yùn)行距離原則上不受限制（受軌道長度限制）；移動(dòng)平臺(tái)高度2.5m，多功能成像平臺(tái)高度可調(diào)節(jié)，以適應(yīng)不同高度作物成像分析；移動(dòng)平臺(tái)4個(gè)橡膠輪既可在軌道上通過控制系統(tǒng)自動(dòng)運(yùn)行并自動(dòng)掃描成像，還便于在一般地面上移動(dòng)、拐彎等，對于75x20m的樣方，移動(dòng)平臺(tái)可以載荷多功能成像平臺(tái)一次完成75x10m的樣帶，然后手動(dòng)拐彎后再自動(dòng)完成另一半75x10m的成像分析；配備GPS系統(tǒng)精度達(dá)2cm，通過軟件自動(dòng)記錄測量數(shù)據(jù)、位置、時(shí)間等，可由柴油發(fā)電機(jī)提供動(dòng)力驅(qū)動(dòng)整個(gè)平臺(tái)移動(dòng)
8.可選配環(huán)境測量傳感器網(wǎng)絡(luò)，自動(dòng)監(jiān)測記錄PAR、環(huán)境CO2濃度、空氣溫濕度、降雨量及土壤水分等。
9.系統(tǒng)控制與數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)（表型大數(shù)據(jù)平臺(tái)）：
1)用戶友好的圖形界面
2)GPS定位功能可進(jìn)行空間分布信息及時(shí)空分布格局分析
3)已內(nèi)置各種成熟的Protocols，具備用戶定義、可編輯自動(dòng)測量程序（protocols），根據(jù)用戶設(shè)定程序自動(dòng)完成全部實(shí)驗(yàn)。數(shù)據(jù)結(jié)果自動(dòng)存儲(chǔ)并分析，分析的數(shù)據(jù)結(jié)果可自動(dòng)以動(dòng)態(tài)曲線的形式顯示
4)MySQL數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，可以處理擁有上千萬條記錄的大型數(shù)據(jù)庫，支持多種存儲(chǔ)引擎，相關(guān)數(shù)據(jù)自動(dòng)存儲(chǔ)于數(shù)據(jù)庫中的不同表中
5)可用默認(rèn)程序進(jìn)行所有測量，也可通過開發(fā)工具創(chuàng)建自定義的工作過程，或者手動(dòng)操作LED光源開啟或關(guān)閉、RGB掃面成像、葉綠素?zé)晒獬上竦?/span>
6)實(shí)驗(yàn)程序（Protocols）具備起始鍵、終止鍵、暫停鍵
7)系統(tǒng)可通過互聯(lián)網(wǎng)無線遠(yuǎn)程控制，允許用戶通過互聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程訪問，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、下載及更改實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，具備用戶權(quán)限分級功能，防止其他人員誤操作影響實(shí)驗(yàn)
產(chǎn)地：歐洲PSI
應(yīng)用案例
應(yīng)用FluorCam葉綠素?zé)晒饧夹g(shù)，對野外植物進(jìn)行原位不同季節(jié)長期監(jiān)測，同時(shí)監(jiān)測植物光合作用（CO2同化）A，結(jié)果參見下圖。FluorCam葉綠素?zé)晒饧夹g(shù)采用激發(fā)光脈沖調(diào)制技術(shù)、高靈敏度CCD傳感器（采樣頻率達(dá)每秒50次）技術(shù)及智能LED光源，可以大面積（標(biāo)配每幀成像面積35x35cm）植物／作物成像分析，在野外既可在夜間進(jìn)行暗適應(yīng)條件下的葉綠素?zé)晒獬上穹治?，還可在環(huán)境光適應(yīng)條件下進(jìn)行葉綠素?zé)晒獬上穹治?，比簡單的激光誘導(dǎo)葉綠素?zé)晒鉁y量（通過一束點(diǎn)狀或線型單色激發(fā)光源激發(fā)葉綠素?zé)晒獠⑦M(jìn)行測量，優(yōu)點(diǎn)是省電且可以更輕便）相比有諸多功能優(yōu)勢，不僅測量參數(shù)多、可以進(jìn)行各種葉綠素?zé)晒鈱?shí)驗(yàn)程序成像測量分析，而且一次二維成像（真正的成像分析）避免了點(diǎn)狀或線型激發(fā)光掃描造成的葉綠素?zé)晒鉁y量不同步、野外風(fēng)吹草動(dòng)分辨率嚴(yán)重降低等問題。
附：其它野外表型成像分析系統(tǒng)
1)PhenoUAS無人機(jī)高通量大田作物表型分析平臺(tái)
2)FluorCam野外移動(dòng)式葉綠素?zé)晒馀cRGB成像分析系統(tǒng)
3)FluorCam樣帶掃描式葉綠素?zé)晒馀cRGB成像分析系統(tǒng)（可選配紅外熱成像）
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