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、植物近紅外成像分析、植物高光譜分析、自動條碼識別管理、RGB真彩3D成像、自動稱重與澆灌系統(tǒng)等多項*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量、植物脅迫響應(yīng)成像分析測量、植物生長分析測量、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?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，大面積葉綠素?zé)晒獬上穹治龉δ転槠?技術(shù)，使PlantScreen成為植物表型分析與功能成像分析的*的儀器設(shè)備，測量各種表型參數(shù)達100多個。

系統(tǒng)組成：

整套系統(tǒng)由自動化植物傳送系統(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?、可見?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、自動澆灌與稱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分析軟件組成的主控制大數(shù)據(jù)平臺等子系統(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大型植物生長室內(nèi)，保證植物樣品生長條件的可控性和均一性。整套系統(tǒng)可根據(jù)用戶實際需要定制，高度契合用戶的實際需求。

技術(shù)指標：

1.光適應(yīng)室

· 提供均一穩(wěn)定的環(huán)境條件，使植物在進入成像測量單元前調(diào)整到相同的生長狀態(tài)；同時為葉綠素?zé)晒獬上駵y量進行暗適應(yīng)或光適應(yīng)預(yù)處理

· 光源：冷白LED（6500K）+遠紅LED（735nm），光強0-*可調(diào)，對植物*升溫效應(yīng)

· 尺寸：9120mm×1200×2800mm，可根據(jù)用戶需求定制

· 容量：13盆植物同時進行適應(yīng)（高1200mm，直徑600mm）

2. 光幕系統(tǒng)

· 測量參數(shù)：精確測量植物高度，各成像單元根據(jù)測量結(jié)果調(diào)整成像傳感器高度和位置

· 測量范圍：0 – 1250 mm

· 分辨率：2.5mm

3.3D結(jié)構(gòu)RGB成像單元

· 大測量植物體積：1010 mm×1010 mm×1250 mm（長×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

· 成像時間：<10s

· 數(shù)據(jù)傳輸：千兆以太網(wǎng)

· 3D成像旋轉(zhuǎn)臺：0-360°自由旋轉(zhuǎn)，用于3D模型重建

· 成像光源板：冷白光LED光源板，可自動調(diào)整不同光強以獲得成像效果，側(cè)面光源板1010 mm×1250 mm，頂部光源板1010 mm×1010 mm

· 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、植物大高度和寬度、相對生長速率、顏色劃分的植物適應(yīng)度評價、葉面積差異比較、綠度指數(shù)、顏色貢獻度分級（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，可選配藍色（455nm）、品藍（470nm）、青色（505nm）、綠色（570nm）、橙色（605nm）等，大光強300-2500µmol(photons)/m2.s，可升級至5000µmol(photons)/m2.s

· 飽和光源：冷白光LED，大光強3000 µmol(photons)/m2.s，可升級至10000 µmol(photons)/m2.s

· 遠紅光源：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) 圖像分辨率：1360×1024像素

c) 時間分辨率：在圖像分辨率下可達每秒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) 運行模式：1）動態(tài)視頻模式，用于葉綠素?zé)晒鈪?shù)測量；2）快照模式，用于GFP等熒光蛋白和熒光染料測量

g) 通訊模式：千兆以太網(wǎng)

· 測量程序與測量參數(shù)：

a) Fv/Fm：測量參數(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.可見光-近紅外高光譜成像單元

· 成像面積：頂部1010mm×傳送帶長度，側(cè)面1250mm×傳送帶長度

· 高度調(diào)整范圍：0 – 1250 mm

· 調(diào)整精度：±3mm

· 成像波長范圍：380-1000nm

· 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：0.98nm

· 光譜帶：675

· 幀率：12-236

· 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、改進的葉綠素吸收反射指數(shù)MCARI、改進的葉綠素吸收反射指數(shù)1MCARI1、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)、Gison－Merzlyak指數(shù)等

6. 短波紅外高光譜成像單元

· 成像面積：頂部1010mm×傳送帶長度，側(cè)面1250mm×傳送帶長度，可與可見光-近紅外高光譜成像單元共用一個成像室

· 高度調(diào)整范圍：0 – 1250 mm

· 調(diào)整精度：±3mm

· 成像波長范圍：900-2500nm

· 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：0.75nm

· 光譜帶：200

· 幀率：60-100

· 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

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：焦平面陣列微測熱輻射計，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

· 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，大光強 1000µmol(photons)/m2.s，0-*可調(diào)

· 測量參數(shù)：植物每一點的實際溫度，植物表面溫度分布圖

8. 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；可選配營養(yǎng)供給系統(tǒng)隨澆灌定量供給植物營養(yǎng)（如氮肥等），模擬不同養(yǎng)分缺失狀況；稱重前自動零校準，還可通過已知重量（如砝碼）物品自動進行再校準

· 大承載量：大型植物10000g，小型植物500g，安全負載200%

· 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

9. 自動化植物傳送系統(tǒng)

· 傳送植物大小：高度大1500mm，直徑大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個樣品托盤，每托盤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

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

· 移動控制系統(tǒng)：*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

· 二維碼讀取器：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、LM500光譜傳感器

· 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。

10. FS-WI大型植物生長室

· 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）+遠紅LED（735nm），其他光源如RGB三色光源板可定制，可0-*調(diào)控，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

· 大均質(zhì)光強：1000µmol(photons)/m2.s，可定制更高光強

· 控溫范圍：10℃-40℃（控制效果與光強和環(huán)境溫度有關(guān)，室溫為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，無風(fēng)效應(yīng)，層流式氣體交換，通風(fēng)氣流通道

· 內(nèi)部材料：生物相容性材料

韓國大邱慶北科學(xué)技術(shù)院為PlantScreen表型成像系統(tǒng)配備的FS-WI大型植物生長室

11. 主控制大數(shù)據(jù)平臺

· 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分析軟件等

· 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

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