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時(shí)間：2020-02-20
作者：易科泰
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PlantScreen大型版植物表型成像分析系統(tǒng)
PlantScreen大型版植物表型成像系統(tǒng)由捷克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、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(shí)別管理、RGB真彩3D成像、自動(dòng)稱(chēng)重與澆灌系統(tǒng)等多項(xiàng)先進(jìn)技術(shù)。主要適用于40cm-120cm高的水稻、小麥、玉米、棉花等大型植物的全方位生理生態(tài)與形態(tài)結(jié)構(gòu)成像分析，用于高通量植物表型成像分析測(cè)量、植物脅迫響應(yīng)成像分析測(cè)量、植物生長(zhǎng)分析測(cè)量、生態(tài)毒理學(xué)研究、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)晒獬上穹治龉δ転槠洫?dú)有技術(shù)，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，測(cè)量各種表型參數(shù)達(dá)100多個(gè)。
系統(tǒng)組成：
整套系統(tǒng)由自動(dòng)化植物傳送系統(tǒng)、光適應(yīng)室、3D結(jié)構(gòu)RGB成像單元、FluorCam葉綠素?zé)晒獬上駟卧?、可?jiàn)光-近紅外高光譜成像單元、短波紅外高光譜成像單元、熱成像單元、自動(dòng)澆灌與稱(chēng)重單元以及由控制調(diào)度服務(wù)器、應(yīng)用服務(wù)器、數(shù)據(jù)服務(wù)器、可編程序邏輯控制器及專(zhuān)用分析軟件組成的主控制大數(shù)據(jù)平臺(tái)等子系統(tǒng)組成。全部成像分析單元與傳送系統(tǒng)都放置于可精確控制環(huán)境條件的FS-WI大型植物生長(zhǎng)室內(nèi)，保證植物樣品生長(zhǎng)條件的可控性和均一性。整套系統(tǒng)可根據(jù)用戶實(shí)際需要定制，高度契合用戶的實(shí)際需求。
技術(shù)指標(biāo)：
1.光適應(yīng)室
· 提供均一穩(wěn)定的環(huán)境條件，使植物在進(jìn)入成像測(cè)量單元前調(diào)整到相同的生長(zhǎng)狀態(tài)；同時(shí)為葉綠素?zé)晒獬上駵y(cè)量進(jìn)行暗適應(yīng)或光適應(yīng)預(yù)處理
· 光源：冷白LED（6500K）+遠(yuǎn)紅LED（735nm），光強(qiáng)0-100%可調(diào)，對(duì)植物無(wú)輻射升溫效應(yīng)
· 尺寸：9120mm×1200×2800mm，可根據(jù)用戶需求定制
· 容量：13盆植物同時(shí)進(jìn)行適應(yīng)（高1200mm，直徑600mm）
2. 光幕系統(tǒng)
· 測(cè)量參數(shù)：精確測(cè)量植物高度，各成像單元根據(jù)測(cè)量結(jié)果調(diào)整成像傳感器高度和位置
· 測(cè)量范圍：0 – 1250 mm
· 分辨率：2.5mm
3.3D結(jié)構(gòu)RGB成像單元
· 最大測(cè)量植物體積：1010 mm×1010 mm×1250 mm（長(zhǎng)×寬×高）
· 高度調(diào)整范圍：0 – 1250 mm
· 調(diào)整精度：±3mm
· 分辨率：2560×1920，可選配線性掃描傳感器4096 - 6144像素/線，17-26000線/秒
· 成像時(shí)間：<10s
· 數(shù)據(jù)傳輸：千兆以太網(wǎng)
· 3D成像專(zhuān)用旋轉(zhuǎn)臺(tái)：0-360°自由旋轉(zhuǎn)，用于3D模型重建
· 專(zhuān)用成像光源板：冷白光LED光源板，可自動(dòng)調(diào)整不同光強(qiáng)以獲得最佳成像效果，側(cè)面光源板1010 mm×1250 mm，頂部光源板1010 mm×1010 mm
· 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、顏色劃分的植物適應(yīng)度評(píng)價(jià)、葉面積差異比較、綠度指數(shù)、顏色貢獻(xiàn)度分級(jí)（健康綠色、亮綠色、暗綠色、其他顏色）等表型參數(shù)，并可選配3D重建模型功能
4. FluorCam葉綠素?zé)晒獬上駟卧?/span>
· 成像面積：35×35cm或80×80cm
· 高度調(diào)整范圍：0 – 2005 mm
· 測(cè)量光源：橙色618nmLED
· 光化學(xué)光源：雙色光化學(xué)光，橙色618nm LED和冷白LED，可選配藍(lán)色（455nm）、品藍(lán)（470nm）、青色（505nm）、綠色（570nm）、橙色（605nm）等，最大光強(qiáng)300-2500μmol(photons)/m2.s，可升級(jí)至5000μmol(photons)/m2.s
· 飽和光源：冷白光LED，最大光強(qiáng)3000 μmol(photons)/m2.s，可升級(jí)至10000 μmol(photons)/m2.s
· 遠(yuǎn)紅光源：735nmLED
· 7位濾波輪（選配）：加裝不同波段濾波片，配合相應(yīng)的光源測(cè)量GFP等熒光蛋白
· 成像傳感器：高分辨率TOMI-2 CCD傳感器
a) 逐行掃描CCD
b) 最高圖像分辨率：1360×1024像素
c) 時(shí)間分辨率：在最高圖像分辨率下可達(dá)每秒20幀
d) A/D 轉(zhuǎn)換分辨率：16位（65536灰度色階）
e) 像元尺寸：6.45μm×6.45μm
f) 運(yùn)行模式：1）動(dòng)態(tài)視頻模式，用于葉綠素?zé)晒鈪?shù)測(cè)量；2）快照模式，用于GFP等熒光蛋白和熒光染料測(cè)量
g) 通訊模式：千兆以太網(wǎng)
· 測(cè)量程序與測(cè)量參數(shù)：
a) Fv/Fm：測(cè)量參數(shù)包括Fo，F(xiàn)m，F(xiàn)v，QY等
b) Kautsky誘導(dǎo)效應(yīng)：Fo，F(xiàn)p，F(xiàn)v，F(xiàn)t_Lss，QY，Rfd等熒光參數(shù)
c) 熒光淬滅分析：Fo, Fo’, Fs, Fm, Fm’, Fp, FtDn, FtLn, Fv, Fv'/ Fm', Fv/ Fm ,Fv',Ft,ΦPSII, NPQ_Dn, NPQ_Ln, Qp_Dn, Qp_Ln, qN, qL, QY, QY_Ln, Rfd, ETR等50多個(gè)參數(shù)
d) 光響應(yīng)曲線LC：Fo，F(xiàn)m，QY，QY_Ln，ETR等熒光參數(shù)
5.可見(jiàn)光-近紅外高光譜成像單元
· 成像面積：頂部1010mm×傳送帶長(zhǎng)度，側(cè)面1250mm×傳送帶長(zhǎng)度
· 高度調(diào)整范圍：0 – 1250 mm
· 調(diào)整精度：±3mm
· 成像波長(zhǎng)范圍：380-1000nm
· 成像傳感器：推掃式線性掃描傳感器，配備專(zhuān)用掃描光源
· 像素色散：0.98nm
· 光譜帶：675
· 幀率：12-236
· 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(lèi)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)等
6. 短波紅外高光譜成像單元
· 成像面積：頂部1010mm×傳送帶長(zhǎng)度，側(cè)面1250mm×傳送帶長(zhǎng)度，可與可見(jiàn)光-近紅外高光譜成像單元共用一個(gè)成像室
· 高度調(diào)整范圍：0 – 1250 mm
· 調(diào)整精度：±3mm
· 成像波長(zhǎng)范圍：900-2500nm
· 成像傳感器：推掃式線性掃描傳感器，配備專(zhuān)用掃描光源
· 像素色散：0.75nm
· 光譜帶：200
· 幀率：60-100
· 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(wú)損測(cè)量植物整體及不同部位水分含量變化
7.熱成像單元
· 高度調(diào)整范圍：0 – 1250 mm
· 調(diào)整精度：±3mm
· 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，溫度范圍 -20– 120℃，熱靈敏度<0.05℃@30℃/50mK，焦距范圍 40– 50cm
· 專(zhuān)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，最大光強(qiáng) 1000μmol(photons)/m2.s，0-100%可調(diào)
· 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
8. 自動(dòng)澆灌與稱(chēng)重單元
· 測(cè)量參數(shù)：實(shí)際重量、澆水體積、最終重量、每個(gè)培養(yǎng)盆的相對(duì)重量
· 操作指令：每個(gè)培養(yǎng)盆澆相同量的水（絕對(duì)克數(shù)或者實(shí)際重量的百分比）；保持相對(duì)重量；自定義每個(gè)培養(yǎng)盆的澆灌量模擬不同干旱或者內(nèi)澇脅迫；可選配營(yíng)養(yǎng)供給系統(tǒng)隨澆灌定量供給植物營(yíng)養(yǎng)（如氮肥等），模擬不同養(yǎng)分缺失狀況；稱(chēng)重前自動(dòng)零校準(zhǔn)，還可通過(guò)已知重量（如砝碼）物品自動(dòng)進(jìn)行再校準(zhǔn)
· 最大承載量：大型植物10000g，小型植物500g，安全負(fù)載200%
· 稱(chēng)重精度：大型植物±2g，小型植物±0.2g
· 澆灌單元：流速3L/min，澆灌口高度可自動(dòng)上下前后調(diào)整，保證最佳澆灌位置
9. 自動(dòng)化植物傳送系統(tǒng)
· 傳送植物大?。焊叨茸畲?500mm，直徑最大1000mm
· 同步傳送培養(yǎng)植物數(shù)量：大型單株植物176株，每列22株，共8列；小型植物3520株，176個(gè)樣品托盤(pán)，每托盤(pán)20株；可根據(jù)用戶需求定制
· 培養(yǎng)盆：防UV聚丙烯材料，直徑9英寸、6英寸大型培養(yǎng)盆或35×30cm小型植物托盤(pán)
· 環(huán)形傳送通道：具變速箱的三相異步馬達(dá)，功率200-1000W，最大負(fù)載500kg，速度150mm/s，傳送帶材料為防UV高耐用PVC
· 移動(dòng)控制系統(tǒng)：中央處理單元CJ2M-CPU33；數(shù)字輸入/輸出最大2560點(diǎn)；輸入/輸出單元最大40；溫度傳感器Pt1000，Pt100，PTC；PLC通訊百兆以太網(wǎng)；OMRON MECHATROLINK-II 最大16軸精確定位
· 二維碼讀取器：自動(dòng)讀取每個(gè)樣品托盤(pán)上的二維編碼；辨識(shí)距離2-20cm；通訊RS485；可讀取1維、2維和QR碼；配備LED光源便于弱光下辨識(shí)
· 環(huán)境監(jiān)測(cè)傳感器：溫濕度傳感器、PAR光合有效輻射傳感器、LM500光譜傳感器
· 由主控制系統(tǒng)分別自動(dòng)調(diào)控每一個(gè)樣品托盤(pán)的測(cè)量時(shí)間、測(cè)量順序、測(cè)量參數(shù)、澆灌時(shí)間和澆灌量，從測(cè)量單元到培養(yǎng)室的樣品運(yùn)轉(zhuǎn)整個(gè)過(guò)程可實(shí)現(xiàn)完全自動(dòng)控制，在無(wú)人值守情況下根據(jù)預(yù)設(shè)程序自行完成全部實(shí)驗(yàn)測(cè)量工作。
10. FS-WI大型植物生長(zhǎng)室
· 尺寸：11m×5.5m；可根據(jù)用戶需求定制
· 培養(yǎng)面積：60.5m2；可根據(jù)用戶需求定制
· 光源：冷白LED（6500K）+遠(yuǎn)紅LED（735nm），其他光源如RGB三色光源板可定制，可0-100%調(diào)控，專(zhuān)用光源制冷氣流通道，可編程模擬晝夜周期變化、日升日落等自然界中光環(huán)境變化以及其他各種任意變化
· 最大均質(zhì)光強(qiáng)：1000μmol(photons)/m2.s，可定制更高光強(qiáng)
· 控溫范圍：10℃-40℃（控制效果與光強(qiáng)和環(huán)境溫度有關(guān)，室溫最高為30℃），可定制更大控溫范圍，可編程模擬晝夜周期變化、日升日落等自然界中溫度變化以及其他各種任意變化
· 控濕范圍：40-80%±7%（控制效果與光強(qiáng)有關(guān)），可編程模擬晝夜周期變化、日升日落等自然界中濕度變化以及其他各種任意變化
· 通風(fēng)流速：1200L/hour，無(wú)風(fēng)效應(yīng)，層流式氣體交換，專(zhuān)用通風(fēng)氣流通道
· 內(nèi)部材料：專(zhuān)用生物相容性材料
韓國(guó)大邱慶北科學(xué)技術(shù)院為PlantScreen表型成像系統(tǒng)配備的FS-WI大型植物生長(zhǎng)室
11. 主控制大數(shù)據(jù)平臺(tái)
· 組成：控制調(diào)度服務(wù)器、應(yīng)用服務(wù)器、數(shù)據(jù)服務(wù)器、可編程序邏輯控制器及專(zhuān)用分析軟件等
· 自動(dòng)控制與分析功能：具備用戶定義、可編輯自動(dòng)測(cè)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。
· MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)，可以處理?yè)碛猩锨f(wàn)條記錄的大型數(shù)據(jù)庫(kù)，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(kù)中的不同表中
· 植物編碼注冊(cè)功能：包括植物識(shí)別碼、所在托盤(pán)的識(shí)別碼等存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)中，測(cè)量時(shí)自動(dòng)提取自動(dòng)讀取條形碼或RFID標(biāo)簽
· 觸摸屏操作界面，在線顯示植物托盤(pán)數(shù)量、光線強(qiáng)度、分析測(cè)量狀態(tài)及結(jié)果等，輕松通過(guò)軟件完全控制所有的機(jī)械部件和成像工作站
·
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