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时间：2019-08-18
作者：Z6尊龙凯时
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简介：
Field-based Phenotyping 大田高通量作物表型成像剖析手艺计划（一）
手持式、便携式仪器无疑是野外大田作物表型剖析性价比高、使用无邪利便的装备（拜见“便携式植物表型剖析周全解决计划”），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冠层温度与彩色成像融合剖析手艺等，不但可以在叶片水平上（如叶夹式PolyPen高光谱仪、便携式FluorCam叶绿素荧光成像仪等），并且可以在冠层水平上（如IQ智能手持式高光谱成像仪）举行大田作物/植物无损伤表型丈量剖析与心理生态研究。
本专辑主要先容大田（野外）作物高通量、无损伤表型组学研究手艺计划，以知足野外大田作物差别实验研究、差别预算条件下作物遗传育种（如抗性筛选等）、表型剖析与表型大数据建设、心理生态研究（如胁迫心理等）、种质资源�；び肫分旨觳馀卸稀⒉『φ雇じ娴刃枨�。
PhenoDATA表型剖析传感器手艺
1、Thermo-RGB可见光与红外热成像融合剖析手艺：用于成像剖析作物冠层形态结构及温度动态、阴影效应等，包括笼罩度、阳光照射叶片（SL）占比、阴影叶片（ShL）占比、土壤（Soil）占比及响应温度信息（最高温度、最低温度、平均温度、温度频坦率方图等），还可以剖析丈量叶片颜色和形态如长、宽、面积、长宽比等等�？缮段猅hermo-NDVI红外热成像与多光谱成像融合剖析。
2、SpectraScan高光谱成像剖析手艺：包括400-1000nm、600-1640nm、900-1700nm、1000-2500nm、400-2500nm及MWIR中波段红外高光谱、LWIR长波段红外高光谱等高端高光谱成像手艺，及差别算法数据剖析处置惩罚手艺计划，全方位、大数据、高迅速度、非损伤剖析作物心理生化及形态结构功效表型数据，如基于植物光谱反射指数的决议树、冠层光谱特征与区别离艺、SAM/SID快速检测手艺等等。
3、SIF（阳光诱导叶绿素荧光）高光谱成像手艺：由Specim公司与德国Juelich研究中心为欧洲太空局（ESA）地球探测项目（FLEX）研制的Hyplant传感器（AisaIBIS），是天下上第一款商业化高光谱叶绿素荧光成像仪，接纳夫琅和费线深度法，可以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剖析，可获得NDVI、EVI、F760（植物叶绿素荧光）等参数。
4、FluorCam叶绿素荧光成像手艺：“作物产量的提高需要同步化综合评估作物形态性状和心理性状，高通量定量化作物心理状态丈量剖析手艺尤为主要，而叶绿素荧光成像手艺是监测作物心理性状表型的最适合的手艺”（德国植物遗传与作物研究所IPK Henning Tschiersch教授等，2018）。作为作物心理性状表型（光合心理生态、光合效率、适合度、胁迫与抗性检测剖析等）最迅速的“探针”，国际上险些所有的着名表型研究机构都配备有FluorCam叶绿素荧光成像装备。由下面RGB成像（丈量指标为叶面积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）效果可以看出，Rfd指数最为迅速，在胁迫施加2小时后即可检测出，RGB成像最不迅速——20小时后才检测出胁迫影响。
5、PhenoCOSM表型实验模拟手艺：基于SoilTron小型蒸渗仪手艺，在野外离体土壤柱体（与大田土壤隔离）或原位miniPlot植物作育情形下，模拟自然条件并使用综合传感器手艺在线监测情形因子如土壤水分、土壤温度、营养盐、空气温湿度、太阳辐射，及植物性状如茎干生长、果实生长、光相助用、茎流、NDVI/PRI、叶绿素荧光、根系生长等。
6、其它手艺：包括激光扫描手艺及NIR红外成像手艺等，前者用于作物形态结构丈量和3D点云建模，后者波段规模900-1700nm，用于作物水分漫衍剖析。
PlantScreen-R移动式植物表型成像剖析系统
PlantScreen-R移动式植物表型剖析系统（PlantScreen rover system）为着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，适于温室及野外大田作物原位表型成像剖析丈量，具备PlantScreen险些所有成像剖析功效及表型大数据数据库等。标配为RGB成像剖析、FluorCam（35x35cm）叶绿素荧光成像剖析，可选配高光谱成像、红外热成像、3D激光扫描等功效�？�，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剖析、植物心理生态研究的主要仪器装备，可直接对野外植物或田间莳植作物举行原位成像丈量剖析，还可与SoilTron多功效小型蒸渗仪配合使用，直接对SoilTron作育植物举行成像剖析。
主要手艺特点：
● 结构紧凑，设置无邪，功效周全，大田等情形使用利便，非损伤、高通量，表型大数据收罗与在线剖析并可视化展示
● 全球领先的FluorCam叶绿素荧光成像手艺，是作物心理生态功效性状的必备剖析手艺，配备独吞的高迅速度叶绿素荧光成像镜头，大宗参考文献和应用案例
● 可选配差别的表型成像剖析�？椋�
a)叶绿素荧光成像单位，单幅成像面积35cm x 35cm
b)RGB可见光成像剖析单位
c)高光谱成像剖析单位，有VNIR高光谱和SWIR高光谱供选配
d)NIR（近红外）成像单位，用于对植物水分状态剖析
e)红外热成像剖析单位，用于对植物干旱胁迫、气孔导度成像剖析
f)3D激光扫描单位，用于对作物3D成像和形态结构剖析
● 可选配大田情形监测单位或定制网络化监测计划、微情形监测计划，如空气温湿度与太阳辐射/PAR（光合有用辐射）监测、土壤水分温度与盐分监测（差别点或差别剖面深度）、降雨量监测、CO2/O2丈量监测等
● 可选配作物根系监测计划
● 可选配冠层温度监测、冠层光谱监测、冠层O2与CO2监测等
手艺指标：
1.主机框架平台：标配为铝制结构，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（需客户定制）
2.FluorCam叶绿素荧光成像剖析（详细指标拜见FluorCam叶绿素荧光成像手艺），用于植物心理功效性状如光合效率、胁迫与抗性筛选等
a)成像面积：35×35cm
b)橙色620nm LED脉冲调制丈量光源，用于丈量最小荧光Fo等
c)双色光化学光，橙色620nm LED和冷白LED光源
d)冷白LED饱和光闪，最大光强4000 ?mol(photons)/m?.s，用于丈量最大荧光产量Fm等
e)735nm LED红外光源用于丈量Fo’等
f)高迅速度CCD传感器镜，区分率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，用于剖析植物光合效率、适合度、生物与非生物胁迫及作物抗性、恢复力等
h)Fv/Fm、Kautsky诱导效应、荧光淬灭剖析等完整自动化丈量程序（protocols）与丈量参数，如Fv/Fm程序丈量时间仅需10s
i)叶绿素荧光数据在线剖析，包括柱状图、丈量参数图、数据表格等，具备自界说图像支解等功效
3.RGB成像，用于植物形态结构与颜色成像剖析
a)CMOS彩色传感器，区分率5MPix、2560 x 1920（可选配12MPix镜头）、1/2”、14.1fps，像素巨细2.2μm
b)丈量参数：叶面积、植物紧实度／细密度、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、相对生长速率等
c)可举行颜色支解剖析、植物适合度评价、实验生恒久叶面积动态转变较量剖析、绿度指数、颜色分级剖析（康健绿色、亮绿色、暗绿色、其他颜色）等表型参数
4.红外热成像，用于气孔导度、干旱胁迫指数及其它胁迫成像剖析
a)成像传感器：焦平面阵列微测热辐射计，区分率 640×480 像素，迅速度30mK（0.03°C），波段7.5-13μm
b)温度规模 -20 – 120℃，区分率<0.03℃@30℃/30mK
c)具备温度动态Protocols，光照强度、一连时间、热成像漫衍数据同步获取，以研究剖析植物温度漫衍动态等
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，植物外貌温度漫衍图
5.NIR近红外成像剖析单位：用于成像监测剖析植物水分状态漫衍，具备假彩调色板，可以利便比照剖析，快速监测脱水植物，因而可以监测评估干旱胁迫条件下植物水分的动态转变响应及水分使用效率等
a)可与RGB成像形态结构参数及FluorCam光合效率参数举行相关剖析等；可完整纪录追溯干旱历程与复水历程的动态响应等
b)通过丈量水分吸收光谱和940nm参考光谱，有用阻止情形光及阴影效应
c)InGaAs传感器，有用芯片巨细9.6x7.7mm，波段规模900－1700nm，区分率638x510像素，帧频118fps，A/D 14比特
6.3D激光扫描剖析，可建设3D点云模子，用于植物形态结构剖析，可剖析植物结构、生物量、叶片数目、叶面积、叶片倾斜角度、植物高度等结构形态参数
7.表型组学研究剖析系统：包括客户端应用服务器、可编程序逻辑控制器及专业剖析软件等
a)自动控制与剖析功效：具备用户界说、可编辑自动丈量程序（protocols），凭证用户设定程序自动完玉成部实验。数据效果自动存储并剖析，剖析的数据效果可自动以动态曲线的形式显示
b)触摸屏操作界面，在线显示植物状态（可视化）、光线强度、剖析丈量状态及效果等
c)所丈量的所有数据都是透明的、可以追溯的
d)具备用户权限分级功效，避免其他职员误操作影响实验
e)厂家远程故障诊断，软件终身
PlantScreen野外高通量植物表型剖析平台 —— Field-based High-throughput Phenotyping PlatForm
建设对野外生长植物迅速、准确、高通量非损伤多性状表型剖析能力，是21世纪作物遗传育种面临的最大挑战（Andrade-Sanchez et al.2014, Furbank and Tester 2011, Houle et al. 2010）。野外高通量植物表型剖析平台对遗传学、生物手艺、作物育种，及作物对天气转变、土壤、耕作治理的响应研究监测等，特殊是现代农业、智慧农业都具有无比主要的意义。
PlantScreen野外高通量植物表型剖析平台集成了自动化控制系统、叶绿素荧光成像丈量剖析、植物热成像剖析、植物高光谱剖析、RGB彩色成像剖析及互联网＋表型大数据平台等现代先进手艺，以最优化的方法实现野外植物原位高通量表型剖析丈量、植物胁迫响应与作物抗性成像剖析丈量筛选、植物生长剖析丈量、性状识别及植物心理生态剖析研究等。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剖析领域处于全球的手艺前线，大面积叶绿素荧光成像剖析等成像剖析平台使PlantScreen成为植物表型剖析与功效成像剖析的最为先进的仪器装备。
功效特点：
● 大型多功效成像平台（Multi-functional sensor platform），集成了叶绿素荧光成像、RGB成像、红外热成像、LiDAR、高光谱成像等种种先进高端传感装备，周全剖析：
a)结构性状表型剖析（RGB成像及LiDAR）
b)功效表型剖析（叶绿素荧光成像）
c)形状与生长评估（RGB成像及LiDAR）
d)光相助用体现（叶绿素荧光成像）
e)生物胁迫与非生物胁迫响应（叶绿素荧光成像、高光谱成像、红外热成像）
f)心理生态体现包括光合心理、气孔动态、生化代谢指标等等（叶绿素荧光成像、高光谱成像、红外热成像）
● 全球领先的FluorCam叶绿素荧光成像手艺，是作物心理生态功效性状的必备剖析手艺，智能LED光源提供调制丈量光可以在白天自动成像丈量光顺应条件下的叶绿素荧光及光合效率；配备独吞的高迅速度叶绿素荧光成像镜头，成像面积达35cm x 35cm（可客户定制80cm x 80cm），是天下上单幅叶绿素荧光成像面积最大的手艺装备
● 可装置在专用自动运行平台上沿样带轨道自动运行的同时举行样带全笼罩自动扫描成像和在线剖析
● 表型剖析大数据平台，包括系统控制、数据收罗、数据处置惩罚剖析与可视化在线显示、数据库等
● PSI表型研究中心专家团队手艺支持，每年在美国和欧洲划分组织举行一次天下植物表型钻研会
● 可选配基于无人机手艺（UAV-based）的PhenoUAS无人机高通量表型剖析平台，使基于地面的表型剖析scalling-up到空中大区域快速表型剖析
● 可选配土壤气象监测站，周全剖析情形条件与表型性状的关系
● 可选配植物心理生态监测系统，同步监测植物光相助用及果实生长等信息
● 可选配自动称重数字化作育盆，举行准确称重、土壤水分监测、自动浇灌等
主要手艺指标：
1.一体式多功效自动成像剖析平台，集成了智能LED光源及叶绿素荧光成像�？椤GB成像剖析�？榧捌渌绾焱馊瘸上瘛iDAR激光扫描、高光谱等选配成像�？�，通过操作系统自动运行、自动分类存储、自动在线剖析等
2.叶绿素荧光成像剖析（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饱和光闪、735nm红外光用于丈量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)独吞高迅速度CCD叶绿素荧光成像传感器，帧频达50fps，有用捕获叶绿素荧光瞬变，区分率720x560像素，A/D 12比特，具备视频模式和快照模式；可选配高区分率CCD，区分率1360x1024，帧频20fps，A/D 16比特
d)单幅成像面积35x35cm
e)成像丈量参数：可举行黑夜暗顺应丈量及白天光顺应丈量，丈量参数包括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，用于剖析植物光合效率、适合度、生物与非生物胁迫及作物抗性、恢复力等
f)Fv/Fm、Kautsky诱导效应、荧光淬灭剖析等完整自动化丈量程序（protocols）与丈量参数，如Fv/Fm程序丈量时间仅需10s
g)叶绿素荧光数据在线剖析，包括柱状图、丈量参数图、数据表格等，具备自界说图像支解等功效，可举行差别时间标准（如日、月、整个生长季节等）的多参数动态剖析
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漫衍参数，阻止简朴化的“激光诱导成像”（优点是轻盈、省电）仅仅是一维成像（点或线）、不可同步化二维成像、易受情形因素影响（如风吹草动即爆发严重误差）、成像参数只是模拟参数（凭证激光扫描快慢获得的快速丈量荧光与慢速丈量荧光不是真正的最小荧光和最大荧光，所得参数“光量子产量”只是模拟光量子产量需要用举行校准后参数才华使用）、丈量参数简单（只能获得快速丈量荧光和慢速丈量荧光及由此盘算出的模拟光量子产量或称光量子效率）、手艺不可熟（找不到参考文献）等问题
i)是天下上用于植物高通量表型剖析应用最广、揭晓论文最多的手艺手段
3.RGB成像剖析（标配）：可对植物的形状、颜色绿度等举行成像剖析，区分率5Mpx，并可自动对植物花朵数目、水稻分蘖等举行统计剖析，主要剖析丈量参数包括：
1)叶面积（Leaf Area: Useful for monitoring growth rate） 及其动态转变
2)植物紧实度／细密度（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)扁平指数（Flattening index）
12)相对生长速率（Relative growth rate）
13)绿度指数与分级剖析（暗绿、康健绿、浅绿等）
14)颜色分级与分区剖析（Color segmentation for plant fitness evaluation）
15)其它性状与颜色分级动态剖析
4.3D激光扫描剖析（选配）：用于植物结构表型剖析，通过点云模子自动剖析盘算植物结构、生物量、叶片数目、叶面积、叶片倾斜角度、植物高度等种种形态结构参数
5.红外热成像剖析（选配）：焦平面阵列微测热辐射计，区分率 640×480 像素，波段7.5-13μm，温度规模 -20 – 120℃，区分率<0.05℃@30℃/50mK，成像面积35x35cm，用于成像植物在光辐射情形下的冠层温度漫衍，并剖析植物的气孔导度动态、干旱胁迫及抗干旱能力评估等，优异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）
6.高光谱成像剖析（选配）：波长规模380-1000nm，光谱带数（波段数）675个波段，可成像并剖析归一化指数（Normalized Difference Vegetation Index (NDVI)）简朴比值指数（Simple Ratio Index, Equation: SR = RNIR / RRED）、刷新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)]）、优化土壤调解植被指数（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.野外移动平台：跨度和高度可定制. 平台臂15m跨度（可定制其他尺寸），多功效成像平台可在移动平台上左右自动扫描成像剖析，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，完成一次扫描时间从缺乏1分钟到几分钟（凭证实验丈量程序Protocol而定），移动平台可沿轨道自动运行，运行距离原则上不受限制（受轨道长度限制）；移动平台高度3.5m，多功效成像平台高度可调理，以顺应差别高度作物成像剖析；配备GPS系统精度达2cm
8.通过软件自动纪录丈量数据、位置、时间等，可由柴油发电机提供动力驱动整个平台移动
9.可选配情形丈量传感器网络，自动监测纪录PAR、情形CO2浓度、空气温湿度、降雨量及土壤水分等。
10.系统控制与数据收罗剖析系统（表型大数据平台）：
1)用户友好的图形界面
2)GPS定位功效可举行空间漫衍信息实时空漫衍名堂剖析
3)已内置种种成熟的Protocols，具备用户界说、可编辑自动丈量程序（protocols），凭证用户设定程序自动完玉成部实验。数据效果自动存储并剖析，剖析的数据效果可自动以动态曲线的形式显示
4)MySQL数据库治理系统，可以处置惩罚拥有上万万条纪录的大型数据库，支持多种存储引擎，相关数据自动存储于数据库中的差别表中
5)可用默认程序举行所有丈量，也可通过开发工具建设自界说的事情历程，或者手动操作LED光源开启或关闭、RGB扫面成像、叶绿素荧光成像等
6)实验程序（Protocols）具备起始键、终止键、暂停键
7)系统可通过互联网无线远程控制，允许用户通过互联网远程会见，举行数据处置惩罚、下载及更改实验设计，具备用户权限分级功效，避免其他职员误操作影响实验
产地：欧洲PSI
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