PlantScreen高通量植物表型成像分析平臺由公司PSI公司研制生產(chǎn)，整合了LED植物智能培養(yǎng)、自動化控制系統(tǒng)、葉綠素?zé)晒獬上駵y量分析（可擴展多光譜熒光成像）、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、自動條碼識別管理、自動稱重與澆灌系統(tǒng)等多項*進(jìn)技術(shù)。PlantScreen高通量植物表型成像分析平臺以優(yōu)化的方式實現(xiàn)大量植物樣品的多方位生理功能與形態(tài)結(jié)構(gòu)自動成像分析，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量、脅迫響應(yīng)成像分析測量、生長分析測量、生態(tài)毒理學(xué)研究、性狀識別、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：

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)具備強大的可擴展性

2.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*分析技術(shù)，配備*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瑔畏上衩娣e35cm 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)面兩個高分辨率RGB鏡頭、0－360度旋轉(zhuǎn)平臺、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，用于對作物3D點云模型和形態(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點云模型上進(jìn)行3D分析、作物生長模型研究等

7)根系成像分析單元，RhizoTron根窗技術(shù)

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

9)自動稱重與澆灌系統(tǒng)

4.世界*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、擴展

7.客戶定制智能LED溫室或作物生長室（選配），可模擬晝夜節(jié)律、多云天氣等，傳送系統(tǒng)可自動將植物從生長室中傳送至光適應(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.功能強大的操作系統(tǒng)及作物表型大數(shù)據(jù)平臺，具備葉片跟蹤監(jiān)測功能、3D投射功能

9.PSI表型研究中心專家團(tuán)隊技術(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

植物表型分析技術(shù)應(yīng)用情況

作為一家研制生產(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)域處于的技術(shù)前列，其FluorCam葉綠素?zé)晒獬上裣到y(tǒng)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*進(jìn)技術(shù)的PlantScreen全自動高通量植物表型成像分析平臺，成為目前世界上*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)由自動化植物傳送系統(tǒng)、光適應(yīng)室、FluorCam葉綠素?zé)晒獬上瘛GB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、自動澆灌與稱重系統(tǒng)、植物標(biāo)識系統(tǒng)、控制系統(tǒng)及表型大數(shù)據(jù)平臺等組成，溫室或生長室內(nèi)植物通過自動識別傳送系統(tǒng)運送到光適應(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，后植物自動返回原位。系統(tǒng)服務(wù)器及數(shù)據(jù)分析平臺在線采集分析并自動存儲至數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)

技術(shù)指標(biāo)：

1. 光適應(yīng)室：

·對作物成像分析前進(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，對植物無輻射升溫效應(yīng)，光強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)測鏡頭以始終保持對系統(tǒng)運行和植物移動狀況的監(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、LED均一光源照明

d)數(shù)據(jù)傳輸：千兆以太網(wǎng)

e)測量參數(shù)：葉面積、植物緊實度／緊密度、葉片周長、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、生長高度、植物高度和寬度、相對生長速率等

f)可進(jìn)行顏色分割分析、植物適合度評價、實驗生長期葉面積動態(tài)變化比較分析、綠度指數(shù)、顏色分級分析（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，大光強4000 µmol(photons)/m².s

e)735nm LED紅外光源用于測量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化測量程序（protocols）與測量參數(shù)，如Fv/Fm程序測量時間僅需10s

j)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

4. 多光譜熒光成像模塊

·不僅可以運行PAM葉綠素?zé)晒獬上?，還可以進(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：焦平面陣列微測熱輻射計，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

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

·具備溫度動態(tài)Protocols，光照強度、持續(xù)時間、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態(tài)等

·具備溫度參考傳感器（reference sensors）

·測量參數(shù)：植物每一點的實際溫度，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、存儲等

6. NIR成像分析單元（選配）：

·用于成像監(jiān)測分析植物水分狀態(tài)分布，具備假彩調(diào)色板，可以方便對比分析，快速監(jiān)測脫水植物，因而可以監(jiān)測評估干旱脅迫條件下植物水分的動態(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)水過程的動態(tài)響應(yīng)等

·通過測量水分吸收光譜和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

·          成像波長范圍：400-950nm（或350-900nm）

·成像傳感器：推掃式線性掃描傳感器，配備掃描光源

·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個波段

·空間分辨率：1000

·入射狹縫寬度：25μm

·幀頻：45fps

·CMOS檢測器，光圈F/2.0，GigE網(wǎng)絡(luò)接口

·自動參考校準(zhǔn)，線性掃描，高度可調(diào)

·測量參數(shù)：每個波段的反射光譜成像圖及全光譜曲線，并可自動計算以下植被指數(shù)：歸一化指數(shù)NDVI、簡單比值指數(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、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

·成像波長范圍：900-1700nm

·成像傳感器：推掃式線性掃描傳感器，配備掃描光源

·光譜分辨率：2nm（FWHM）

·光譜帶數(shù)：510個波段

·空間分辨率636

·測量參數(shù)：每個波段的反射光譜成像圖及全光譜曲線，無損測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)

10.根系成像分析

·RhizoTron根窗技術(shù)，全自動成像分析，標(biāo)配根窗44x29.5x5.8cm（高x寬x厚度）

·不僅可對根系成像分析，還可對地上苗（shoot）進(jìn)行成像分析，苗高大50cm

·新一代CMOS傳感器，分辨率12.3MP

·均一LED光源

·3層定位（頂部、中部、底部）根系澆灌系統(tǒng)（選配），3個水箱獨立運行

·測量參數(shù)包括：根深（或高度）、根冠寬度、高度與寬度比值、根冠面積、根冠緊實度、根系總長、軸對稱性、根尖數(shù)、根節(jié)數(shù)等

11.自動澆灌與稱重單元

·測量參數(shù)：實際重量、澆水體積、終重量、每個培養(yǎng)盆的相對重量

·操作指令：每個培養(yǎng)盆澆相同量的水（克數(shù)或者實際重量的百分比）；保持相對重量；自定義每個培養(yǎng)盆的澆灌量模擬不同干旱或者內(nèi)澇脅迫；稱重前自動零校準(zhǔn)，還可通過已知重量（如砝碼）物品自動進(jìn)行再校準(zhǔn)

·每個培養(yǎng)盆的澆水量、日期、時間可分別程序控制記錄以創(chuàng)建不同干旱脅迫梯度等，并且與整個系統(tǒng)的表型大數(shù)據(jù)無縫結(jié)合分析

·稱重精度：大型植物±2g，小型植物±0.2g

·澆灌單元：流速3L/min，澆灌口高度可自動上下前后調(diào)整，保證澆灌位置

12.自動化植物傳送系統(tǒng)

·傳送植物大?。焊鶕?jù)客戶需求，高可達(dá)200cm

·傳送帶容納量：50盆植物（1000株小型植物），可擴展100盆、200盆、400盆等更大容量 ；表型分析通量依不同的protocol而定，100分鐘可以完成整個系統(tǒng)載荷植物樣品的表型分析，可隨機傳送至成像室進(jìn)行成像分析、隨機澆灌

·培養(yǎng)盆：防UV聚丙烯材料，標(biāo)準(zhǔn)5L（口徑24cm）培養(yǎng)盆，可通過適配器應(yīng)用3L培養(yǎng)盆，可360度旋轉(zhuǎn)

·具備手動載樣環(huán)（manual loading loop）以便在系統(tǒng)待機模式下手動載樣分析實驗、小組實驗分析等

·具備激光植物高度測量監(jiān)測系統(tǒng)和激光定位系統(tǒng)

·環(huán)形傳送通道：具變速箱的三相異步馬達(dá)，功率200-1000W，大負(fù)載500kg，速度150mm/s，傳送帶材料為防UV高耐用PVC

·移動控制系統(tǒng)：中央處理單元CJ2M-CPU33；數(shù)字輸入/輸出大2560點；輸入/輸出單元大40；溫度傳感器Pt1000，Pt100，PTC；PLC通訊百兆以太網(wǎng)；OMRON MECHATROLINK-II 大16軸精確定位

·RFID標(biāo)簽和QR植物辨識系統(tǒng)，自動讀取每個樣品托盤上的二維編碼；辨識距離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

·環(huán)境監(jiān)測傳感器：溫濕度傳感器、PAR光合有效輻射傳感器

·由主控制系統(tǒng)分別自動調(diào)控每一個樣品托盤的測量時間、測量順序、測量參數(shù)、澆灌時間和澆灌量，從測量單元到培養(yǎng)室的樣品運轉(zhuǎn)整個過程可實現(xiàn)*自動控制，在無人值守情況下根據(jù)預(yù)設(shè)程序自行完成全部實驗測量工作。

13.主控制表型大數(shù)據(jù)平臺

·組成：控制調(diào)度服務(wù)器、客戶端應(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業(yè)分析軟件等，數(shù)據(jù)容量12TB

·自動控制與分析功能：具備用戶定義、可編輯自動測量程序（protocols），根據(jù)用戶設(shè)定程序自動完成全部實驗。數(shù)據(jù)結(jié)果自動存儲并分析，分析的數(shù)據(jù)結(jié)果可自動以動態(tài)曲線的形式顯示。

·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，支持多種存儲引擎，相關(guān)數(shù)據(jù)自動存儲于數(shù)據(jù)庫中的不同表中

·植物編碼注冊功能：包括植物識別碼、所在托盤的識別碼等存儲在數(shù)據(jù)庫中，測量時自動提取自動讀取條形碼或RFID標(biāo)簽

·觸摸屏操作界面，在線顯示植物托盤數(shù)量、光線強度、分析測量狀態(tài)及結(jié)果等，輕松通過軟件*控制所有的機械部件和成像工作站

·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，或者手動操作LED光源開啟或關(guān)閉、RGB成像、葉綠素?zé)晒獬上?、高光譜成像、紅外熱成像、3D激光掃描、稱重及澆灌等

·葉片跟蹤監(jiān)測功能（leaf tracking）模塊，可以持續(xù)跟蹤監(jiān)測葉片的生長、變化等等

·3D投射技術(shù)，可以通過高分辨率RGB鏡頭 或激光掃描構(gòu)建3D模型，通過投射技術(shù)，將與其它傳感器所得數(shù)據(jù)如葉綠素?zé)晒?、紅外熱成像溫度數(shù)據(jù)、近紅外數(shù)據(jù)、高光譜數(shù)據(jù)等投射在3D模型上一起進(jìn)行對比分析等

·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、下載及更改實驗設(shè)計

·所測量的所有數(shù)據(jù)都是透明的、可以追溯的

·具備用戶權(quán)限分級功能，防止其他人員誤操作影響實驗

·廠家遠(yuǎn)程故障診斷，軟件*升級

執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)：

·CE認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)

·CSN EN 60529 防護(hù)等級標(biāo)準(zhǔn)

·CSN 33 01 65 導(dǎo)體側(cè)識別標(biāo)準(zhǔn)

·CSN 33 2000-3 基礎(chǔ)特性標(biāo)準(zhǔn)

·CSN 33 2000-4-41ed.2 電擊保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)

·CSN 33 2000-4-43 電源過載保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)

·CSN 33 2000-5-51ed.2 通用規(guī)則標(biāo)準(zhǔn)

·CSN 33 2000-5-523 容許電流標(biāo)準(zhǔn)

·CSN 33 2000-5-54ed.2 接地與保護(hù)導(dǎo)體標(biāo)準(zhǔn)

·CSN EN 55011 工業(yè)、科學(xué)與醫(yī)學(xué)設(shè)備測量電磁干擾的范圍與方法

·2006/42/EG 機械指令標(biāo)準(zhǔn)

·73/23/EEG 低電壓指令標(biāo)準(zhǔn)

·2004/108/EG 電磁相容性指令標(biāo)準(zhǔn)

附：部分參考文獻(xiàn)

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附：其它表型分析平臺：

1、FKM多光譜熒光動態(tài)顯微成像系統(tǒng)

右圖引自《Nature Plants》2016, Photonic multilayer structure of Begonia chloroplasts enhances photosynthetic efficiency by Heather M. Whitney等

2、PlantScreen-R移動式表型分析平臺（下左圖）：用于大田植物葉綠素?zé)晒獬上穹治觥GB成像分析、紅外熱成像分析、3D激光掃描測量分析等

3、PlantScreen臺式及移動式植物表型分析平臺（參見上右圖）

1)3D RGB彩色成像分析

2)FluorCam葉綠素?zé)晒獬上穹治?/span>

3)FluorCam多光譜熒光成像分析

4)高光譜成像分析

5)紅外熱成像分析

6)PAR吸收／NDVI成像分析

7)近紅外3D成像分析

4、PlantScreen樣帶式表型分析平臺

5、PlantScreen 植物表型三維自動掃描成像分析平臺