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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転槠洫氂屑夹g(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，測量各種表型參數(shù)達(dá)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專用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(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(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)，對植物無輻射升溫效應(yīng)

·          尺寸：9120mm×1200×2800mm，可根據(jù)用戶需求定制

·          容量：13盆植物同時進(jìn)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

·          最大測量植物體積：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成像專用旋轉(zhuǎn)臺：0-360°自由旋轉(zhuǎn)，用于3D模型重建

·          專用成像光源板：冷白光LED光源板，可自動調(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、植物最大高度和寬度、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(xiàn)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(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，配備專用掃描光源

·          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(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)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，配備專用掃描光源

·          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

·          專用成像光源：冷白LED光源板，用于給測量植物提供穩(wěn)定熱環(huán)境，最大光強(qiáng) 1000μmol(photons)/m2.s，0-100%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、最終重量、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（絕對克數(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(zhǔn)，還可通過已知重量（如砝碼）物品自動進(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，保證最佳澆灌位置

9.      自動化植物傳送系統(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(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

·          移動控制系統(tǒng)：中央處理單元CJ2M-CPU33；數(shù)字輸入/輸出最大2560點；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(yùn)轉(zhuǎn)整個過程可實現(xiàn)完全自動控制，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(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，無風(fēng)效應(yīng)，層流式氣體交換，專用通風(fēng)氣流通道

·          內(nèi)部材料：專用生物相容性材料

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專用分析軟件等

·          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(biāo)簽

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

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