PlantScreen大型版植物表型成像分析系统

PlantScreen大型版植物表型成像系统由捷克PSI公司研制生产，整合了LED植物智能培养、自动化控制系统、叶绿素荧光成像测量分析、植物热成像分析、植物近红外成像分析、植物高光谱分析、自动条码识别管理、RGB真彩3D成像、自动称重与浇灌系统等多项先进技术。主要适用于40cm-120cm高的水稻、小麦、玉米、棉花等大型植物的全方位生理生态与形态结构成像分析，用于高通量植物表型成像分析测量、植物胁迫响应成像分析测量、植物生长分析测量、生态毒理学研究、性状识别及植物生理生态分析研究等。作为全球第一家研制生产植物叶绿素荧光成像系统的厂家，PSI公司在植物表型成像分析领域处于全球的技术前列，大面积叶绿素荧光成像分析功能为其独有技术，使PlantScreen成为植物表型分析与功能成像分析的最为先进的仪器设备，测量各种表型参数达100多个。

系统组成：

整套系统由自动化植物传送系统、光适应室、3D结构RGB成像单元、FluorCam叶绿素荧光成像单元、可见光-近红外高光谱成像单元、短波红外高光谱成像单元、热成像单元、自动浇灌与称重单元以及由控制调度服务器、应用服务器、数据服务器、可编程序逻辑控制器及专用分析软件组成的主控制大数据平台等子系统组成。全部成像分析单元与传送系统都放置于可精确控制环境条件的FS-WI大型植物生长室内，保证植物样品生长条件的可控性和均一性。整套系统可根据用户实际需要定制，高度契合用户的实际需求。

技术指标：

1.光适应室

·          提供均一稳定的环境条件，使植物在进入成像测量单元前调整到相同的生长状态；同时为叶绿素荧光成像测量进行暗适应或光适应预处理

·          光源：冷白LED（6500K）+远红LED（735nm），光强0-100%可调，对植物无辐射升温效应

·          尺寸：9120mm×1200×2800mm，可根据用户需求定制

·          容量：13盆植物同时进行适应（高1200mm，直径600mm）

2.      光幕系统

·          测量参数：精确测量植物高度，各成像单元根据测量结果调整成像传感器高度和位置

·          测量范围：0 – 1250 mm

·          分辨率：2.5mm 

3.3D结构RGB成像单元

·          最大测量植物体积：1010 mm×1010 mm×1250 mm（长×宽×高）

·          高度调整范围：0 – 1250 mm

·          调整精度：±3mm

·          分辨率：2560×1920，可选配线性扫描传感器4096 - 6144像素/线，17-26000线/秒

·          成像时间：<10s

·          数据传输：千兆以太网

·          3D成像专用旋转台：0-360°自由旋转，用于3D模型重建

·          专用成像光源板：冷白光LED光源板，可自动调整不同光强以获得最佳成像效果，侧面光源板1010 mm×1250 mm，顶部光源板1010 mm×1010 mm

·          测量参数：叶面积、植物紧实度／紧密度、叶片周长、偏心率、叶圆度、叶宽指数、植物圆直径、凸包面积、植物质心、生长高度、植物最大高度和宽度、相对生长速率、颜色划分的植物适应度评价、叶面积差异比较、绿度指数、颜色贡献度分级（健康绿色、亮绿色、暗绿色、其他颜色）等表型参数，并可选配3D重建模型功能

4.      FluorCam叶绿素荧光成像单元   

·       成像面积：35×35cm或80×80cm

·          高度调整范围：0 – 2005 mm

·          测量光源：橙色618nmLED

·          光化学光源：双色光化学光，橙色618nm LED和冷白LED，可选配蓝色（455nm）、品蓝（470nm）、青色（505nm）、绿色（570nm）、橙色（605nm）等，最大光强300-2500µmol(photons)/m².s，可升级至5000µmol(photons)/m².s

·          饱和光源：冷白光LED，最大光强3000 µmol(photons)/m².s，可升级至10000 µmol(photons)/m².s

·          远红光源：735nmLED

·          7位滤波轮（选配）：加装不同波段滤波片，配合相应的光源测量GFP等荧光蛋白

·          成像传感器：高分辨率TOMI-2 CCD传感器

a)  逐行扫描CCD

b)  最高图像分辨率：1360×1024像素

c)  时间分辨率：在最高图像分辨率下可达每秒20帧

d)  A/D 转换分辨率：16位（65536灰度色阶）

e)  像元尺寸：6.45µm×6.45µm

f)  运行模式：1）动态视频模式，用于叶绿素荧光参数测量；2）快照模式，用于GFP等荧光蛋白和荧光染料测量

g)  通讯模式：千兆以太网

·          测量程序与测量参数：

a)  Fv/Fm：测量参数包括Fo，Fm，Fv，QY等

b)  Kautsky诱导效应：Fo，Fp，Fv，Ft_Lss，QY，Rfd等荧光参数

c)  荧光淬灭分析：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多个参数

d)  光响应曲线LC：Fo，Fm，QY，QY_Ln，ETR等荧光参数

5.可见光-近红外高光谱成像单元

·          成像面积：顶部1010mm×传送带长度，侧面1250mm×传送带长度

·          高度调整范围：0 – 1250 mm

·          调整精度：±3mm

·          成像波长范围：380-1000nm

·          成像传感器：推扫式线性扫描传感器，配备专用扫描光源

·          像素色散：0.98nm

·          光谱带：675

·          帧率：12-236

·          测量参数：每个波段的反射光谱成像图及全光谱曲线，并可自动计算以下植被指数：归一化指数NDVI、简单比值指数SR、改进的叶绿素吸收反射指数MCARI、改进的叶绿素吸收反射指数1MCARI1、最优化土壤调整植被指数OSAVI、绿度指数G、转换类胡罗卜素指数TCARI、三角植被指数TVI、ZMI指数、简单比值色素指数SRPI、归一化脱镁作用指数NPQI、光化学植被反射指数PRI、归一化叶绿素指数NPCI、Carter指数、Lichtenthaler指数、SIPI指数、Gitelson－Merzlyak指数等

 6.      短波红外高光谱成像单元

·          成像面积：顶部1010mm×传送带长度，侧面1250mm×传送带长度，可与可见光-近红外高光谱成像单元共用一个成像室

·          高度调整范围：0 – 1250 mm

·          调整精度：±3mm

·          成像波长范围：900-2500nm

·          成像传感器：推扫式线性扫描传感器，配备专用扫描光源

·          像素色散：0.75nm

·          光谱带：200

·          帧率：60-100

·          测量参数：每个波段的反射光谱成像图及全光谱曲线，无损测量植物整体及不同部位水分含量变化

7.热成像单元

·          高度调整范围：0 – 1250 mm

·          调整精度：±3mm

·          成像传感器：焦平面阵列微测热辐射计，分辨率 640×480 像素，温度范围 -20– 120℃，热灵敏度<0.05℃@30℃/50mK，焦距范围 40– 50cm

·          专用成像光源：冷白LED光源板，用于给测量植物提供稳定热环境，最大光强 1000µmol(photons)/m².s，0-100%可调

·          测量参数：植物每一点的实际温度，植物表面温度分布图

8.      自动浇灌与称重单元     

·         测量参数：实际重量、浇水体积、最终重量、每个培养盆的相对重量

·          操作指令：每个培养盆浇相同量的水（绝对克数或者实际重量的百分比）；保持相对重量；自定义每个培养盆的浇灌量模拟不同干旱或者内涝胁迫；可选配营养供给系统随浇灌定量供给植物营养（如氮肥等），模拟不同养分缺失状况；称重前自动零校准，还可通过已知重量（如砝码）物品自动进行再校准

·          最大承载量：大型植物10000g，小型植物500g，安全负载200%

·          称重精度：大型植物±2g，小型植物±0.2g

·          浇灌单元：流速3L/min，浇灌口高度可自动上下前后调整，保证最佳浇灌位置

9.      自动化植物传送系统

·          传送植物大小：高度最大1500mm，直径最大1000mm

·          同步传送培养植物数量：大型单株植物176株，每列22株，共8列；小型植物3520株，176个样品托盘，每托盘20株；可根据用户需求定制

·          培养盆：防UV聚丙烯材料，直径9英寸、6英寸大型培养盆或35×30cm小型植物托盘

·          环形传送通道：具变速箱的三相异步马达，功率200-1000W，最大负载500kg，速度150mm/s，传送带材料为防UV高耐用PVC

·          移动控制系统：中央处理单元CJ2M-CPU33；数字输入/输出最大2560点；输入/输出单元最大40；温度传感器Pt1000，Pt100，PTC；PLC通讯百兆以太网；OMRON MECHATROLINK-II 最大16轴精确定位

·          二维码读取器：自动读取每个样品托盘上的二维编码；辨识距离2-20cm；通讯RS485；可读取1维、2维和QR码；配备LED光源便于弱光下辨识

·          环境监测传感器：温湿度传感器、PAR光合有效辐射传感器、LM500光谱传感器

·          由主控制系统分别自动调控每一个样品托盘的测量时间、测量顺序、测量参数、浇灌时间和浇灌量，从测量单元到培养室的样品运转整个过程可实现完全自动控制，在无人值守情况下根据预设程序自行完成全部实验测量工作。

10.  FS-WI大型植物生长室

·          尺寸：11m×5.5m；可根据用户需求定制

·          培养面积：60.5m²；可根据用户需求定制

·          光源：冷白LED（6500K）+远红LED（735nm），其他光源如RGB三色光源板可定制，可0-100%调控，专用光源制冷气流通道，可编程模拟昼夜周期变化、日升日落等自然界中光环境变化以及其他各种任意变化

·          最大均质光强：1000µmol(photons)/m².s，可定制更高光强

·          控温范围：10℃-40℃（控制效果与光强和环境温度有关，室温最高为30℃），可定制更大控温范围，可编程模拟昼夜周期变化、日升日落等自然界中温度变化以及其他各种任意变化

·          控湿范围：40-80%±7%（控制效果与光强有关），可编程模拟昼夜周期变化、日升日落等自然界中湿度变化以及其他各种任意变化

·          通风流速：1200L/hour，无风效应，层流式气体交换，专用通风气流通道

·          内部材料：专用生物相容性材料

韩国大邱庆北科学技术院为PlantScreen表型成像系统配备的FS-WI大型植物生长室

11.  主控制大数据平台

·          组成：控制调度服务器、应用服务器、数据服务器、可编程序逻辑控制器及专用分析软件等

·          自动控制与分析功能：具备用户定义、可编辑自动测量程序（protocols），根据用户设定程序自动完成全部实验。数据结果自动存储并分析，分析的数据结果可自动以动态曲线的形式显示。

·          MySQL数据库管理系统，可以处理拥有上千万条记录的大型数据库，支持多种存储引擎，相关数据自动存储于数据库中的不同表中

·          植物编码注册功能：包括植物识别码、所在托盘的识别码等存储在数据库中，测量时自动提取自动读取条形码或RFID标签

·          触摸屏操作界面，在线显示植物托盘数量、光线强度、分析测量状态及结果等，轻松通过软件完全控制所有的机械部件和成像工作站

·