南宫NG28

 

Field-based Phenotyping 大田高通量作物表型成像分析技术规划（一）

 

  手持式、便携式仪器无疑是野表大田作物表型分析性价比高、使用矫捷方便的设备（拜见“便携式植物表型分析全面解决规划”），如手持式FluorPen叶绿素荧光仪、手持式SpectraPen/PolyPen高光谱仪、IQ智能手持式高光谱成像仪、FluorCam便携式叶绿素荧光成像仪、Thermo-RGB冠层温杜纂彩色成像融合分析技术等，不仅能够在叶片水平上（如叶夹式PolyPen高光谱仪、便携式FluorCam叶绿素荧光成像仪等），并且能够在冠层水平上（如IQ智能手持式高光谱成像仪）进行大田作物/植物无危险表型丈量分析与生理生态钻研
。

 

  

 

  本专辑重要介绍大田（野表）作物高通量、无危险表型组学钻研技术规划，以满足野表大田作物分歧尝试钻延注分歧预算前提下作物遗传育种（如抗性筛选等）、表型分析与表型大数据建设、生理生态钻研（如胁迫生理等）、种质资源

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。

 

 

 

PhenoDATA表型分析传感器技术

 

1、Thermo-RGB可见光与红表热成像融合分析技术：用于成像分析作物冠层状态结构及温度动态、阴影效应等，蕴含覆盖度、阳光照射叶片（SL）占比、阴影叶片（ShL）占比、泥土（Soil）占比及相应温度信息（最高温度、最低温度、均匀温度、温度频率直方图等），还能够分析丈量叶片色彩和状态如长、宽、面积、长宽比等等
？缮段猅hermo-NDVI红表热成像与多光谱成像融合分析
。

 

  

 

2、SpectraScan高光谱成像分析技术：蕴含400-1000nm、600-1640nm、900-1700nm、1000-2500nm、400-2500nm及MWIR中波段红表高光谱、LWIR长波段红表高光谱等高端高光谱成像技术，及分歧算法数据分析处置技术规划，全方位、大数据、高活络度、非危险分析作物生理生化及状态结构职能表型数据，如基于植物光谱反射指数的决策树、冠层光谱特点与分辨技术、SAM/SID急剧检测技术等等
。

 

   

 

3、SIF（阳光诱导叶绿素荧光）高光谱成像技术：由Specim公司与德国Juelich钻研中心为欧洲太空局（ESA）地球探测项目（FLEX）研造的Hyplant传感器（AisaIBIS），是世界上第一款贸易化高光谱叶绿素荧光成像仪，选取夫琅和费线深度法，能够检测太阳辐射诱导叶绿素荧光（Sun-induced Fluorescence），用于陆空双基植物叶绿素荧光高光谱成像丈量分析，可得到NDVI、EVI、F760（植物叶绿素荧光）等参数
。

 

4、FluorCam叶绿素荧光成像技术：“作物产量的提高必要同步化综合评估作物状态性状和生理性状，高通量定量化作物生理状态丈量分析技术尤为沉要，而叶绿素荧光成像技术是监测作物生理性状表型的最适合的技术”（德国植物遗传与作物钻研所IPK Henning Tschiersch教授等，2018）
。作为作物生理性状表型（光合生理生态、光合效能、适合度、胁婆纂抗性检测分析等）最活络的“探针”，国际上险些所有的驰名表型钻研机构都建设有FluorCam叶绿素荧光成像设备
。由下面RGB成像（丈量指标为壹积area）、FluorCam叶绿素荧光成像（丈量指标为荧光衰减指数Rfd）及高光谱成像（丈量指标为植被归一化指数NDVI）了局能够看出，Rfd指数最为活络，在胁迫施加2幼时后即可检测出，RGB成像最不活络——20幼时后才检测出胁婆装响
。

 

  

 

5、PhenoCOSM表型尝试仿照技术：基于SoilTron幼型蒸渗仪技术，在野表离体泥土柱体（与大田泥土隔离）或原位miniPlot植物造就情况下，仿照天然前提并利用综合传感器技术在线监测环境因子如泥土水分、泥土温度、营养盐、空气温湿度、太阳辐射，及植物性状如茎干成长、果实成长、光合作用、茎流、NDVI/PRI、叶绿素荧光、根系成长等
。

 

  

 

6、其它技术：蕴含激光扫描技术及NIR红表成像技术等，前者用于作物状态结构丈量和3D点云建模，后者波段领域900-1700nm，用于作物水分散布分析
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PlantScreen-R移动式植物表型成像分析系统

  PlantScreen-R移动式植物表型分析系统（PlantScreen rover system）为驰名大型移动式叶绿素荧光成像系统（Rover FluorCam）的升级版，4个轮子带驱动，以便于大田移动，适于温室及野表大田作物原位表型成像分析丈量，具备PlantScreen险些所有成像分析职能及表型大数据数据库等
。标配为RGB成像分析、FluorCam（35x35cm）叶绿素荧光成像分析，可选配高光谱成像、红表热成像、3D激光扫描等职能？，成像高度可调（标配最高植株高度可达1m），是田间作物高通量表型分析、植物生理生态钻研的沉要仪器设备，可直接对野表植物或田间栽培作物进行原位成像丈量分析，还可与SoilTron多职能幼型蒸渗仪共同使用，直接对SoilTron造就植物进行成像分析
。

 

 

 

重要技术特点：

● 结构紧凑，配置矫捷，职能全面，大田等环境使用方便，非危险、高通量，表型大数据采集与在线分析并可视化展示

● 全球当先的FluorCam叶绿素荧光成像技术，是作物生理生态职能性状的必备分析技术，建设独有的高活络度叶绿素荧光成像镜头，大量参考文件和利用案例

● 可选配分歧的表型成像分析？椋

  a)叶绿素荧光成像单元，单幅成像面积35cm x 35cm

  b)RGB可见光成像分析单元

  c)高光谱成像分析单元，有VNIR高光谱和SWIR高光谱供选配

  d)NIR（近红表）成像单元，用于对植物水分状态分析

  e)红表热成像分析单元，用于对植物干旱胁迫、气孔导度成像分析

  f)3D激光扫描单元，用于对作物3D成像和状态结构分析

● 可选配大田环境监测单元或定造网络化监测规划、微环境监测规划，如空气温湿杜纂太阳辐射/PAR（光合有效辐射）监测、泥土水分温杜纂盐分监测（分歧点或分歧剖面深度）、降雨量监测、CO2/O2丈量监测等

● 可选配作物根系监测规划

● 可选配冠层温度监测、冠层光谱监测、冠层O2与CO2监测等

 

技术指标：

1.主机框架平台：标配为铝造结构，具4个驱动轮便于大田移动，高度可调（标配植株最高高度可达100cm）

；可选配其它农具车式平台（需客户定造）

 

 

 

2.FluorCam叶绿素荧光成像分析（具体指标拜见FluorCam叶绿素荧光成像技术），用于植物生理职能性状如光合效能、胁婆纂抗性筛选等

  a)成像面积：35×35cm

  b)橙色620nm LED脉冲调造丈量光源，用于丈量最幼荧光Fo等

  c)双色光化学光，橙色620nm LED和冷白LED光源

  d)冷白LED鼓和光闪，最大光强4000 ?mol(photons)/m?.s，用于丈量最大荧光产量Fm等

  e)735nm LED红表光源用于丈量Fo’等

  f)高活络度CCD传感器镜，分辨率1.4M，A/D 16比特，具备视频模式和快照模式

  g)丈量参数：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能、适合度、生物与非生物胁迫及作物抗性、复原力等

  h)Fv/Fm、Kautsky诱导效应、荧光淬灭分析等完整自动化丈量法式（protocols）与丈量参数，如Fv/Fm法式丈量功夫仅需10s

  i)叶绿素荧光数据在线分析，蕴含柱状图、丈量参数图、数据表格等，具备自界说图像宰割等职能

 

3.RGB成像，用于植物状态结构与色彩成像分析

  a)CMOS彩色传感器，分辨率5MPix、2560 x 1920（可选配12MPix镜头）、1/2”、14.1fps，像素大幼2.2μm

  b)丈量参数：壹积、植物紧实度／缜密度、叶片周长、偏疼率、叶圆度、叶宽指数、植物圆直径、凸包面积、植物质心、成长高度、相对成长速度等

  c)可进行色彩宰割分析、植物适合度评价、尝试成持久壹积动态变动比力分析、绿度指数、色彩分级分析（健全绿色、亮绿色、暗绿色、其他色彩）等表型参数

 

 

4.红表热成像，用于气孔导度、干旱胁迫指数及其它胁迫成像分析

  a)成像传感器：焦平面阵列微测热辐射计，分辨率 640×480 像素，活络度30mK（0.03°C），波段7.5-13μm

  b)温度领域 -20 – 120℃，分辨率<0.03℃@30℃/30mK

  c)具备温度动态Protocols，光照强度、持续功夫、热成像散布数据同步获取，以钻研分析植物温度散布动态等

  d)具备温度参考传感器（reference sensors）

  e)丈量参数：植物每一点的现实温度，植物表表温度散布图

 

5.NIR近红表成像分析单元：用于成像监测分析植物水分状态散布，具备假彩调色板，能够方便对比分析，急剧监测脱水植物，因而能够监测评估干旱胁迫前提下植物水分的动态变动响应及水分利用效能等

  a)可与RGB成像状态结构参数及FluorCam光合效能参数进行有关分析等

；可齐全纪录追忆干旱过程与复水过程的动态响应等

  b)通过丈量水分吸收光谱和940nm参考光谱，有效预防环境光及阴影效应

  c)InGaAs传感器，有效芯片大幼9.6x7.7mm，波段领域900－1700nm，分辨率638x510像素，帧频118fps，A/D 14比特

 

6.3D激光扫描分析，可成立3D点云模型，用于植物状态结构分析，可分析植物结构、生物量、叶片数量、壹积、叶片倾斜角度、植物高度等结构状态参数

 

7.表型组学钻研分析系统：蕴含客户端利用服务器、可编法式逻辑节造器及专业分析软件等

  a)自动节造与分析职能：具备用户界说、可编纂自动丈量法式（protocols），凭据用户设定法式自动完玉成数尝试
。数据了局自动存储并分析，分析的数据了局可自动以动态曲线的大局显示

  b)触摸屏操作界面，在线显示植物状态（可视化）、光线强度、分析丈量状态及了局等

  c)所丈量的所罕见据都是通明的、能够追忆的

  d)具备用户权限分级职能，预防其他人员误操作影响尝试

  e)厂家远程故障诊断，软件平生

 

PlantScreen野表高通量植物表型分析平台 —— Field-based High-throughput Phenotyping PlatForm

  成立对野表成长植物迅速、正确、高通量非危险多性状表型分析能力，是21世纪作物遗传育种面对的最大挑战（Andrade-Sanchez et al.2014, Furbank and Tester 2011, Houle et al. 2010）
。野表高通量植物表型分析平台对遗传学、生物技术、作物育种，及作物对气象变动、泥土、耕作治理的响应钻研监测等，出格是现代农业、智慧农业都拥有无比沉要的意思
。

  PlantScreen野表高通量植物表型分析平台集成了自动化节造系统、叶绿素荧光成像丈量分析、植物热成像分析、植物高光谱分析、RGB彩色成像分析及互联网＋表型大数据平台等现代先进技术，以最优化的方式实现野表植物原位高通量表型分析丈量、植物胁迫响应与作物抗性成像分析丈量筛选、植物成长分析丈量、性状鉴别及植物生理生态分析钻研等
。作为全球第一家研造出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等成像分析平台使PlantScreen成为植物表型分析与职能成像分析的最为先进的仪器设备
。

 

 

 

职能特点：

● 大型多职能成像平台（Multi-functional sensor platform），集成了叶绿素荧光成像、RGB成像、红表热成像、LiDAR、高光谱成像等各类先进高端传感设备，全面分析：

  a)结构性状表型分析（RGB成像及LiDAR）

  b)职能表型分析（叶绿素荧光成像）

  c)状态与成长评估（RGB成像及LiDAR）

  d)光合作用阐发（叶绿素荧光成像）

  e)生物胁婆纂非生物胁迫响应（叶绿素荧光成像、高光谱成像、红表热成像）

  f)生理生态阐发蕴含光合生理、气孔动态、生化代谢指标等等（叶绿素荧光成像、高光谱成像、红表热成像）

● 全球当先的FluorCam叶绿素荧光成像技术，是作物生理生态职能性状的必备分析技术，智能LED光源提供调造丈量光能够在白日自动成像丈量光适应前提下的叶绿素荧光及光合效能

；建设独有的高活络度叶绿素荧光成像镜头，成像面积达35cm x 35cm（可客户定造80cm x 80cm），是世界上单幅叶绿素荧光成像面积最大的技术设备

● 可装置在专用自动运行平台上沿样带轨路自动运行的同时进行样带全覆盖自动扫描成像和在线分析

● 表型分析大数据平台，蕴含系统节造、数据采集、数据处置分析与可视化在线显示、数据库等

● PSI表型钻研中心专家团队技术支持，每年在美国和欧洲别离组织进行一次世界植物表型钻研会

● 可选配基于无人机技术（UAV-based）的PhenoUAS无人机高通量表型分析平台，使基于地面的表型分析scalling-up到空中大区域急剧表型分析

● 可选配泥土形象监测站，全面分析环境前提与表型性状的关系

● 可选配植物生理生态监测系统，同步监测植物光合作用及果实成长等信息

● 可选配自动称沉数字化造就盆，进行精确称沉、泥土水分监测、自动浇灌等

 

重要技术指标：

1.一体式多职能自动成像分析平台，集成了智能LED光源及叶绿素荧光成像？椤GB成像分析？榧捌渌绾毂砣瘸上瘛iDAR激光扫描、高光谱等选配成像？，通过操作系统自动运杏注自动分类存储、自动在线分析等

 

2.叶绿素荧光成像分析（标配）：

  a)3色智能LED引发光源，620nm脉冲丈量光、白色光化学光和最大鼓和光闪、735nm红表光用于丈量Fo’等

  b)可选配蓝色光源与7位滤波轮用于多光谱多波段荧光丈量如GFP成像丈量

  c)独有高活络度CCD叶绿素荧光成像传感器，帧频达50fps，有效捉拿叶绿素荧光瞬变，分辨率720x560像素，A/D 12比特，具备视频模式和快照模式

；可选配高分辨率CCD，分辨率1360x1024，帧频20fps，A/D 16比特

  d)单幅成像面积35x35cm

  e)成像丈量参数：可进行黑夜暗适应丈量及白昼光适应丈量，丈量参数蕴含Fo, Fm, Fv, Fo’, Fm’, Fv’, Ft, Fv/Fm, Fv’/Fm’, Phi_PSII, NPQ, qN, qP, Rfd等叶绿素荧光参数，用于分析植物光合效能、适合度、生物与非生物胁迫及作物抗性、复原力等

  f)Fv/Fm、Kautsky诱导效应、荧光淬灭分析等完整自动化丈量法式（protocols）与丈量参数，如Fv/Fm法式丈量功夫仅需10s

  g)叶绿素荧光数据在线分析，蕴含柱状图、丈量参数图、数据表格等，具备自界说图像宰割等职能，可进行分歧功夫尺度（如日、月、整个成长季节等）的多参数动态分析

 

 

 

  h)是真正的二维同步成像，所得叶绿素荧光参数是真正的基于像素点的二维散布参数，预防单一化的“激光诱导成像”（利益是轻便、省电）仅仅是一维成像（点或线）、不能同步化二维成像、易受环境成分影响（如风吹草动即产生严沉误差）、成像参数只是仿照参数（凭据激光扫描快慢得到的急剧丈量荧光与慢速丈量荧光不是真正的最幼荧光和最大荧光，所得参数“光量子产量”只是仿照光量子产量必要用进行校准后参数能力使用）、丈量参数单一（只能得到急剧丈量荧光和慢速丈量荧光及由此推算出的仿照光量子产量或称光量子效能）、技术不成熟（找不到参考文件）等问题

  i)是世界上用于植物高通量表型分析利用最广、颁发论文最多的技术伎俩

 

3.RGB成像分析（标配）：可对植物的状态、色彩绿度等进行成像分析，分辨率5Mpx，并可自动对植物花朵数量、水稻分蘖等进行统计分析，重要分析丈量参数蕴含：

  1)壹积（Leaf Area: Useful for monitoring growth rate） 及其动态变动

  2)植物紧实度／缜密度（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)偏疼率（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)扁平指数（Flattening index）

  12)相对成长速度（Relative growth rate）

  13)绿度指数与分级分析（暗绿、健全绿、浅绿等）

  14)色彩分级与分分辨析（Color segmentation for plant fitness evaluation）

  15)其它性状与色彩分级动态分析

 

4.3D激光扫描分析（选配）：用于植物结构表型分析，通过点云模型自动分析推算植物结构、生物量、叶片数量、壹积、叶片倾斜角度、植物高度等各类状态结构参数

 

 

5.红表热成像分析（选配）：焦平面阵列微测热辐射计，分辨率 640×480 像素，波段7.5-13μm，温度领域 -20 – 120℃，分辨率<0.05℃@30℃/50mK，成像面积35x35cm，用于成像植物在光辐射情况下的冠层温度散布，并分析植物的气孔导度动态、干旱胁迫及抗干旱能力评估等，优良的散热能够使植物耐受较长功夫的高光辐射或低水前提（干旱）

 

6.高光谱成像分析（选配）：波长领域380-1000nm，光谱带数（波段数）675个波段，可成像并分析归一化指数（Normalized Difference Vegetation Index (NDVI)）单一比值指数（Simple Ratio Index, Equation: SR = RNIR / RRED）、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)]）、优化泥土调整植被指数（Optimized Soil-Adjusted Vegetation Index (OSAVI) , Equation: OSAVI = (1 + 0.16) * (R790- R670) / (R790- R670 + 0.16)）、光化学植被反射指数（Photochemical Reflectance Index (PRI), Equation: PRI = (R531- R570) / (R531+ R570)）等

 

 

 

7.野表移动平台：跨度和高度可定造. 平台臂15m跨度（可定造其他尺寸），多职能成像平台可在移动平台上左右自动扫描成像分析，可自动扫描宽度达12m的样带，每一次扫描成像面积可达10x0.35m（3.5m2），允许植株高度最高3米，实现一次扫描功夫从不及1分钟到几分钟（凭据尝试丈量法式Protocol而定），移动平台可沿轨路自动运行，运行距离准则上不受限度（受轨路长度限度）

；移动平台高度3.5m，多职能成像平台高度可调节，以适应分歧高度作物成像分析

；建设GPS系统精度达2cm

 

8.通过软件自动纪录丈量数据、地位、功夫等，可由柴油发电机提供动力驱动整个平台移动

 

9.可选配环境丈量传感器网络，自动监测纪录PAR、环境CO2浓度、空气温湿度、降雨量及泥土水分等
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10.系统节造与数据采集分析系统（表型大数据平台）：

  1)用户敦睦的图形界面

  2)GPS定位职能可进行空间散布信息实时空散布格局分析

  3)已内置各类成熟的Protocols，具备用户界说、可编纂自动丈量法式（protocols），凭据用户设定法式自动完玉成数尝试
。数据了局自动存储并分析，分析的数据了局可自动以动态曲线的大局显示

  4)MySQL数据库治理系统，能够处置占有上千万笔纪录的大型数据库，支持多种存储引擎，有关数据自动存储于数据库中的分歧表中

  5)可用默认法式进行所有丈量，也可通过开发工具创建自界说的工作过程，或者手动操作LED光源开启或关关、RGB扫面成像、叶绿素荧光成像等

  6)尝试法式（Protocols）具备肇始键、终止键、暂停键

  7)系统可通过互联网无线远程节造，允许用户通过互联网远程接见，进行数据处置、下载及更改尝试设计，具备用户权限分级职能，预防其他人员误操作影响尝试

 

产地：欧洲PSI