PlantScreen植物表型成像分析系统（植物自动传送版）

PlantScreen植物表型成像分析系统（植物自动传送版）

PlantScreen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，以ZY化的方式实现大量植物样品——从拟南芥、玉米到各种其它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。植物自动传送版PlantScreen系统主要适用于0-40cm高的植物样品。

PlantScreen系统包括如下成像分析功能：

1.叶绿素荧光成像分析：单幅成像面积35x35cm，成像测量参数包括Fo, Fm, Fv, Fo’, Fm’, Fv’, Ft, Fv/Fm, Fv’/Fm’, Phi_PSII, NPQ, qN, qP, Rfd等几十个叶绿素荧光参数

2.RGB成像分析：成像测量参数包括：

1)叶面积（Leaf Area: Useful for monitoring growth rate）

2)植物紧实度／紧密度（Solidity/Compactness. Ratio between the area covered by the plant’s convex hull and the area covered by the actual plant）

3)叶片周长（Leaf Perimeter: Particularly useful for the basic leaf shape and width evaluation (combined with leaf area)）

4)偏心率（Eccentricity: Plant shape estimation, scalar number, eccentricity of the ellipse with same second moments as the plant (0...circle, 1...line segment)）

5)叶圆度（Roundness: Based on evaluating the ratio between leaf area and perimeter. Gives information about leaf roundness）

6)叶宽指数（Medium Leaf Width Index: Leaf area proportional to the plant skeleton (i.e. reduction of the leaf to line segment)）

7)叶片细长度SOL (Slenderness of Leaves)

8)植物圆直径（Circle Diameter. Diameter of a circle with the same area as the plant）

9)凸包面积（Convex Hull Area. Useful for compactness evaluation）

10) 植物质心（Centroid. Center of the plant mass position (particularly useful for the eccentricity evaluation)）

11) 节间距（Internodal Distances）

12) 生长高度（Growth Height）

13) 植物三维ZD高度和宽度（Maximum Height and Width of Plant in 3 Dimensions）

14) 相对生长速率（Relative growth rate）

15) 叶倾角（Leaf Angle）

16) 节叶片数量（Leaf Number at Nodes）

17) 其它参数如用于植物适合度估算的颜色定量分级、绿度指数（Other parameters such as color segmentation for plant fitness evaluation, greening index and others）

3.高光谱成像分析（选配），可成像并分析如下参数：

1)归一化指数（Normalized Difference Vegetation Index (NDVI)）

2)简单比值指数（Simple Ratio Index, Equation: SR = RNIR / RRED）

3)改进的叶绿素吸收反射指数（Modified Chlorophyll Absorption in Reflectance Index (MCARI1), Equation: MCARI1 = 1.2 * [2.5 * (R790- R670) - 1.3 * (R790- R550)]）

4)ZY化土壤调整植被指数（Optimized Soil-Adjusted Vegetation Index (OSAVI) , Equation: OSAVI = (1 + 0.16) * (R790- R670) / (R790- R670 + 0.16)）

5)绿度指数（Greenness Index (G), Equation: G = R554 / R677）

6)改进的叶绿素吸收反射指数（Modified Chlorophyll Absorption in Reflectance Index (MCARI), Equation: MCARI = [(R700- R670) - 0.2 * (R700- R550)] * (R700/ R670)）

7)转换类胡罗卜素指数（Transformed CAR Index (TCARI), Equation: TSARI = 3 * [(R700- R670) - 0.2 * (R700- R550) * (R700/ R670)]）

8)三角植被指数（Triangular Vegetation Index (TVI), Equation: TVI = 0.5 * [120 * (R750- R550) - 200 * (R670- R550)]）

9)ZMI指数（Zarco-Tejada & Miller Index (ZMI), Equation: ZMI = R750 / R710）

10) 简单比值色素指数（Simple Ratio Pigment Index (SRPI), Equation: SRPI = R430 / R680）

11) 归一化脱镁作用指数（Normalized Phaeophytinization Index (NPQI), Equation: NPQI = (R415- R435) / (R415+ R435)）

12) 光化学植被反射指数（Photochemical Reflectance Index (PRI), Equation: PRI = (R531- R570) / (R531+ R570)）

13) 归一化叶绿素指数（Normalized Pigment Chlorophyll Index (NPCI), NPCI = (R680- R430) / (R680+ R430)）

14) Carter指数（Carter Indices , Equation: Ctr1 = R695 / R420; Ctr2 = R695 / R760）

15) Lichtenthaler指数（Lichtenthaler Indices, Equation: Lic1 = (R790 - R680) / (R790 + R680); Lic2 = R440 / R690）

16) SIPI指数（Structure Intensive Pigment Index (SIPI), Equation: SIPI = (R790- R450) / (R790+ R650)）

17) Gitelson-Merzlyak指数 （Gitelson and Merzlyak Indices, Equation: GM1 = R750/ R550; GM2 = R750/ R700）

4.热成像分析（选配）：用于成像分析植物在光辐射情况下的二维发热分布，良好的散热可以使植物耐受较长时间的高光辐射或低水条件（干旱）

5.近红外成像分析（选配）：用于观测分析植物的水分状态及其在不同组织间的分布变异，处于良好浇灌状态的植物表现出对近红外光谱的高吸收性，而处于干旱状态的植物则表现出对近红外光谱的高反射性，通过分析软件可以监测分析从干旱胁迫到再浇灌过程中的整个过程动态及植物对干旱胁迫的响应和水分利用效率，并形成假彩图像，可以与植物的形态指数及叶绿素荧光指数进行相关分析研究。

系统配置与工作原理：

整套系统由自动化植物传送系统、光适应室、RGB成像、FluorCam叶绿素荧光成像、高光谱成像、植物热成像、植物近红外成像、自动浇灌施肥与称重系统、植物标识系统等组成，光适应室内的植物可由传送带传送到成像室进行成像分析等。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.自动装载与卸载植物样品，通过条形码或RFID标签识别跟踪样品

2.光适应室：用于光照适应或植物培养，LED光源光照强度达1000μmol/m².s，无热效应，强度0-100%可调，可通过实验程序预设光照周期变化，可选配通用型或专用型如水稻生长观测室等，还可选配三维扫瞄成像分析功能（包括XYZ三维扫瞄成像系统和软件）

3.标配托盘架35×30cm，用于安放盆栽植物或可以盛放多个小花盆的托盘，每个托盘可盛放20个标配植物培养盆（58mm×58mm×95mm），可定制ZD花盆L35cm×W28cm

4.自动传送系统由光适应室到成像室形成一个环形传送通道，传送带采用具变速器的三相异步马达，200-1000W，传送带宽320mm，负载力130kg，速度9m/min

5.移动控制系统ZY处理单元：CJ2M-CPU33；数字I/O：ZD2560点；PLC通讯：通过以太网100Mb/s高端PC；OMRON MECHATROLINK-II ZD16轴精确定位

6.植物成像测量室：150cm(长)×150cm(宽)×220cm(高)，与环境光隔离（light-isolated），快速自动开启关闭门，开启关闭周期小于3秒，传送带入口具光幕传感系统、条码识别器和RFID读取器

7.标配成像室成像单元高度0-50cm可调，可选配100cm或更高范围高度以研究高的植物，标配焦距范围22-27cm

8.RFID读取器辨识距离：2-20cm；通讯：RS485；条码识别器可读取1维、2维和QR码，具LED光源便于弱光下辨识，RS485通讯

9.客户定制F3EM2光幕系统，精确测量植物高度和宽度以便进入成像测量室后摄像头自动精确定位，测量范围150cm，分辨率5mm；标配激光测高0-50cm，精确度5mm

10. 叶绿素荧光成像：包括光隔离成像室、自动开启与关闭门、传送带、PLC控制自动上下移动聚焦系统、大型73×73cm LED光源板、7位滤波轮等，单幅成像面积35×35cm，测量光橙色620nm，橙色和白色双波长光化学光，饱和光闪为白色，ZD光强3600 μmol.m-2 .s-1，镜头分辨率1360×1024像素

11.自动灌溉与称重，可同时对5个植物种植盆进行浇灌和称重，精确度±1g；称重后精确浇灌，可通过实验程序（protocol）预设浇灌过程（regime）或干旱胁迫状态，还可选配营养供给系统随浇灌定量供给植物营养（如氮肥等）；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；防护级别：IP66

12. 客户定制称重系统由4个称重单元组成，安全承载限：150% Ln；温度补偿：-10-40°C，标配测量范围7kg，可选配10kg、15kg或20kg；标配称重系统用于对标配植物培养盆精确称重，ZD承重300g，分辨率1g，精确度0.5g，测量参数包括实际重量、浇水量等

13. RGB成像：顶部和侧面三维成像（3个摄像头），每个摄像头各自拥有独立的控制面盘以设置曝光时间、增益、白平衡等，通过控制面盘的快照键可即时拍照并显示分辨率等信息，还可通过自动模式自动成像并存储数据库，每次扫瞄成像时间小于10秒，可选配3D建模功能

14.RGB成像系统包括成像室（光隔离）、传送带及位置传感器、3个摄像头、光源及成像分析软件，标配成像面积35×35cm，焦距范围22-27cm，LED冷白光源（不对植物产生热效应）

15.标配USB以太网摄像头，有效像素2592×1944，比特分辨率12比特，光量子效率：蓝光峰值465nm，绿色峰值540nm，红色峰值610nm；28mm光学镜头，口径43.2mm，光圈范围2.8-F16

16. NIR近红外成像单元：可成像采集1450-1600nm水吸收波段，以反映植物水分状况，在供水充沛情况下表现出高NIR吸收值，干旱胁迫情况下则表现出高NIR反射，NIR假彩色成像可以通过软件反映和分析植物水分状况

17.高光谱成像单元包括光隔离成像测量室、自动开启关闭门、传送带、PLC控制自动移动聚焦镜头包括SWIR和VNIR镜头、光源、成像分析系统等，VNIR镜头波段380nm-1000nm，光圈F/0.2，缝隙宽度25μm，缝隙长度18mm，帧速12-236 fps；SWIR镜头波段900-2500nm，光圈F/0.2，缝隙宽度25μm，缝隙长度18mm，帧速60或100 fps，成像面积35×35cm

18.用户可通过实验程序选择SWIR成像、VNIR成像或两个镜头全波段成像，每个镜头成像时间分别为15秒

19.热成像单元：分辨率640×480像素，温度范围-20-120°C，灵敏度NETD<0.05°C@30°C/50mK，精确度±2°C，标配成像面积可达35×35cm、焦距范围40-50cm，白色光源，ZD光强500 μmol.m-2 .s-1，0-100%可调

20.FS-WI大型植物生长室

Ø 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

Ø ZD均质光强：1000µmol(photons)/m².s，可定制更高光强

Ø 控温范围：10℃-40℃（控制效果与光强和环境温度有关，室温ZG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

Ø 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

21.系统控制与数据采集分析系统：

Ø 用户友好的图形界面

Ø 用户定义、可编辑自动测量程序（protocols）

Ø 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

Ø 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

Ø 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

Ø 可用默认程序进行所有测量，也可通过开发工具创建自定义的工作过程，或者手动操作LED光源开启或关闭、RGB扫面成像、叶绿素荧光成像、称重及浇灌等

Ø 实验程序（Protocols）具备起始键、终止键、暂停键

Ø 可根据实验需求自动控制植物样品的移动和单一成像站的激活

Ø 可提供3个相机视角的RGB数字生长分析，包含阈值分析和颜色分析

Ø 对于叶绿素荧光成像图片，软件可批量进行淬灭参数分析，包含了在背景去除图像上用户感兴趣区域和像素值的平均。分析数据以原始图像和分析数据的形式存储在数据库中。

Ø 对FIR热成像图，16位图可直接导出到MATLAB或通过软件生成温度分布的假彩图像。

产地：欧洲