PlantScreen植物表型成像分析系統(tǒng)（緊湊版）由捷克PSI公司研制生產(chǎn)，整合了LED植物智能培養(yǎng)、自動(dòng)化控制系統(tǒng)、葉綠素?zé)晒獬上駵y(cè)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(dòng)條碼識(shí)別管理、RGB真彩3D成像、自動(dòng)稱(chēng)重與澆灌系統(tǒng)等多項(xiàng)*技術(shù)，以較優(yōu)化的方式實(shí)現(xiàn)大量植物樣品——從擬南芥、玉米到各種其它植物的全面生理生態(tài)與形態(tài)結(jié)構(gòu)成像分析，PlantScreen植物表型成像分析系統(tǒng)（緊湊版）用于高通量植物表型成像分析測(cè)量、植物脅迫響應(yīng)成像分析測(cè)量、植物生長(zhǎng)分析測(cè)量、生態(tài)毒理學(xué)研究、性狀識(shí)別及植物生理生態(tài)分析研究等。植物自動(dòng)傳送版PlantScreen系統(tǒng)主要適用于0-40cm高的植物樣品。

PlantScreen系統(tǒng)包括如下成像分析功能：

1.     葉綠素?zé)晒獬上穹治觯簡(jiǎn)畏上衩娣e35x35cm，成像測(cè)量參數(shù)包括Fo, Fm, Fv, Fo’, Fm’, Fv’, Ft, Fv/Fm, Fv’/Fm’, Phi_PSII, NPQ, qN, qP, Rfd等幾十個(gè)葉綠素?zé)晒鈪?shù)

2.     RGB成像分析：成像測(cè)量參數(shù)包括：

1)     葉面積（Leaf Area: Useful for monitoring growth rate） 

2)     植物緊實(shí)度／緊密度（Solidity/Compactness. Ratio between the area covered by the plant’s convex hull and the area covered by the actual plant）

3)     葉片周長(zhǎng)（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)     葉圓度（Roundness: Based on evaluating the ratio between leaf area and perimeter. Gives information about leaf roundness）

6)    葉寬指數(shù)（Medium Leaf Width Index: Leaf area proportional to the plant skeleton (i.e. reduction of the leaf to line segment)）

7)    葉片細(xì)長(zhǎng)度SOL (Slenderness of Leaves)

8)    植物圓直徑（Circle Diameter. Diameter of a circle with the same area as the plant）

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

10)  植物質(zhì)心（Centroid. Center of the plant mass position (particularly useful for the eccentricity evaluation)）

11)  節(jié)間距（Internodal Distances）

12)  生長(zhǎng)高度（Growth Height）

13)  植物三維大高度和寬度（Maximum Height and Width of Plant in 3 Dimensions）

14)  相對(duì)生長(zhǎng)速率（Relative growth rate）

15)  葉傾角（Leaf Angle）

16)  節(jié)葉片數(shù)量（Leaf Number at Nodes）

17)  其它參數(shù)如用于植物適合度估算的顏色定量分級(jí)、綠度指數(shù)（Other parameters such as color segmentation for plant fitness evaluation, greening index and others）

3.    高光譜成像分析（選配），可成像并分析如下參數(shù)： 

1)    歸一化指數(shù)（Normalized Difference Vegetation Index (NDVI)）

2)    簡(jiǎn)單比值指數(shù)（Simple Ratio Index, Equation: SR = RNIR / RRED）

3)    改進(jìn)的葉綠素吸收反射指數(shù)（Modified Chlorophyll Absorption in Reflectance Index (MCARI1), ?Equation: MCARI1 = 1.2 * [2.5 * (R790- R670) - 1.3 * (R790- R550)]）

4)    較優(yōu)化土壤調(diào)整植被指數(shù)（Optimized Soil-Adjusted Vegetation Index (OSAVI)?, Equation: OSAVI = (1 + 0.16) * (R790- R670) / (R790- R670 + 0.16)）

5)    綠度指數(shù)（Greenness Index (G), Equation: G = R554 / R677）

6)    改進(jìn)的葉綠素吸收反射指數(shù)（Modified Chlorophyll Absorption in Reflectance Index (MCARI), ?Equation: MCARI = [(R700- R670) - 0.2 * (R700- R550)] * (R700/ R670)）

7)    轉(zhuǎn)換類(lèi)胡羅卜素指數(shù)（Transformed CAR Index (TCARI), Equation: TSARI = 3 * [(R700- R670) - 0.2 * (R700- R550) * (R700/ R670)]）

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

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

10)  簡(jiǎn)單比值色素指數(shù)（Simple Ratio Pigment Index (SRPI), Equation: SRPI = R430 / R680）

11)  歸一化脫鎂作用指數(shù)（Normalized Phaeophytinization Index (NPQI), Equation: NPQI = (R415- R435) / (R415+ R435)）

12)  光化學(xué)植被反射指數(shù)（Photochemical Reflectance Index (PRI), Equation: PRI = (R531- R570) / (R531+ R570)）

13)  歸一化葉綠素指數(shù)（Normalized Pigment Chlorophyll Index (NPCI), NPCI = (R680- R430) / (R680+ R430)）

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

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

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

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

4.     熱成像分析（選配）：用于成像分析植物在光輻射情況下的二維發(fā)熱分布，良好的散熱可以使植物耐受較長(zhǎng)時(shí)間的高光輻射或低水條件（干旱）

5.     近紅外成像分析（選配）：用于觀測(cè)分析植物的水分狀態(tài)及其在不同組織間的分布變異，處于良好澆灌狀態(tài)的植物表現(xiàn)出對(duì)近紅外光譜的高吸收性，而處于干旱狀態(tài)的植物則表現(xiàn)出對(duì)近紅外光譜的高反射性，通過(guò)分析軟件可以監(jiān)測(cè)分析從干旱脅迫到再澆灌過(guò)程中的整個(gè)過(guò)程動(dòng)態(tài)及植物對(duì)干旱脅迫的響應(yīng)和水分利用效率，并形成假彩圖像，可以與植物的形態(tài)指數(shù)及葉綠素?zé)晒庵笖?shù)進(jìn)行相關(guān)分析研究。

系統(tǒng)配置與工作原理

整套系統(tǒng)由自動(dòng)化植物傳送系統(tǒng)、光適應(yīng)室、RGB成像、FluorCam葉綠素?zé)晒獬上瘛⒏吖庾V成像、植物熱成像、植物近紅外成像、自動(dòng)澆灌施肥與稱(chēng)重系統(tǒng)、植物標(biāo)識(shí)系統(tǒng)等組成，光適應(yīng)室內(nèi)的植物可由傳送帶傳送到成像室進(jìn)行成像分析等。整套系統(tǒng)可根據(jù)用戶實(shí)際需要定制，高度契合用戶的實(shí)際需求。

技術(shù)指標(biāo)

1.     自動(dòng)裝載與卸載植物樣品，通過(guò)條形碼或RFID標(biāo)簽識(shí)別跟蹤樣品

2.     光適應(yīng)室：用于光照適應(yīng)或植物培養(yǎng)，LED光源光照強(qiáng)度達(dá)1000μmol/m2.s，無(wú)熱效應(yīng)，強(qiáng)度0-*可調(diào)，可通過(guò)實(shí)驗(yàn)程序預(yù)設(shè)光照周期變化，可選配通用型或應(yīng)用型如水稻生長(zhǎng)觀測(cè)室等，還可選配三維掃瞄成像分析功能（包括XYZ三維掃瞄成像系統(tǒng)和軟件）

3.     標(biāo)配托盤(pán)架35×30cm，用于安放盆栽植物或可以盛放多個(gè)小花盆的托盤(pán)，每個(gè)托盤(pán)可盛放20個(gè)標(biāo)配植物培養(yǎng)盆（58mm×58mm×95mm），可定制大花盆L35cm×W28cm

4.     自動(dòng)傳送系統(tǒng)由光適應(yīng)室到成像室形成一個(gè)環(huán)形傳送通道，傳送帶采用具變速器的三相異步馬達(dá)，200-1000W，傳送帶寬320mm，負(fù)載力130kg，速度9m/min

5.     移動(dòng)控制系統(tǒng)*處理單元：CJ2M-CPU33；數(shù)字I/O：大2560點(diǎn)；PLC通訊：通過(guò)以太網(wǎng)100Mb/sPC；OMRON MECHATROLINK-II 大16軸準(zhǔn)確定位

6.     植物成像測(cè)量室：150cm(長(zhǎng))×150cm(寬)×220cm(高)，與環(huán)境光隔離（light-isolated），快速自動(dòng)開(kāi)啟關(guān)閉門(mén)，開(kāi)啟關(guān)閉周期小于3秒，傳送帶入口具光幕傳感系統(tǒng)、條碼識(shí)別器和RFID讀取器

7.     標(biāo)配成像室成像單元高度0-50cm可調(diào)，可選配100cm或更高范圍高度以研究高的植物，標(biāo)配焦距范圍22-27cm

8.     RFID讀取器辨識(shí)距離：2-20cm；通訊：RS485；條碼識(shí)別器可讀取1維、2維和QR碼，具LED光源便于弱光下辨識(shí)，RS485通訊

9.     客戶定制F3EM2光幕系統(tǒng)，準(zhǔn)確測(cè)量植物高度和寬度以便進(jìn)入成像測(cè)量室后攝像頭自動(dòng)準(zhǔn)確定位，測(cè)量范圍150cm，分辨率5mm；標(biāo)配激光測(cè)高0-50cm，準(zhǔn)確度5mm

10.   葉綠素?zé)晒獬上瘢喊ü飧綦x成像室、自動(dòng)開(kāi)啟與關(guān)閉門(mén)、傳送帶、PLC控制自動(dòng)上下移動(dòng)聚焦系統(tǒng)、大型73×73cm LED光源板、7位濾波輪等，單幅成像面積35×35cm，測(cè)量光橙色620nm，橙色和白色雙波長(zhǎng)光化學(xué)光，飽和光閃為白色，大光強(qiáng)3600 μmol.m-2 .s-1，鏡頭分辨率1360×1024像素

11.  自動(dòng)灌溉與稱(chēng)重，可同時(shí)對(duì)5個(gè)植物種植盆進(jìn)行澆灌和稱(chēng)重，準(zhǔn)確度±1g；稱(chēng)重后準(zhǔn)確澆灌，可通過(guò)實(shí)驗(yàn)程序（protocol）預(yù)設(shè)澆灌過(guò)程（regime）或干旱脅迫狀態(tài)，還可選配營(yíng)養(yǎng)供給系統(tǒng)隨澆灌定量供給植物營(yíng)養(yǎng)（如氮肥等）；稱(chēng)重前自動(dòng)零校準(zhǔn)，還可通過(guò)已知重量（如砝碼）物品自動(dòng)進(jìn)行再校準(zhǔn)；防護(hù)級(jí)別：IP66

12.  客戶定制稱(chēng)重系統(tǒng)由4個(gè)稱(chēng)重單元組成，安全承載限：150% Ln；溫度補(bǔ)償：-10-40°C，標(biāo)配測(cè)量范圍7kg，可選配10kg、15kg或20kg；標(biāo)配稱(chēng)重系統(tǒng)用于對(duì)標(biāo)配植物培養(yǎng)盆準(zhǔn)確稱(chēng)重，大承重300g，分辨率1g，準(zhǔn)確度0.5g，測(cè)量參數(shù)包括實(shí)際重量、澆水量等

13.   RGB成像：頂部和側(cè)面三維成像（3個(gè)攝像頭），每個(gè)攝像頭各自擁有獨(dú)立的控制面盤(pán)以設(shè)置曝光時(shí)間、增益、白平衡等，通過(guò)控制面盤(pán)的快照鍵可即時(shí)拍照并顯示分辨率等信息，還可通過(guò)自動(dòng)模式自動(dòng)成像并存儲(chǔ)至數(shù)據(jù)庫(kù)，每次掃瞄成像時(shí)間小于10秒，可選配3D建模功能

14.  RGB成像系統(tǒng)包括成像室（光隔離）、傳送帶及位置傳感器、3個(gè)攝像頭、光源及成像分析軟件，標(biāo)配成像面積35×35cm，焦距范圍22-27cm，LED冷白光源（不對(duì)植物產(chǎn)生熱效應(yīng)）

15.  標(biāo)配USB以太網(wǎng)攝像頭，有效像素2592×1944，比特分辨率12比特，光量子效率：藍(lán)光峰值465nm，綠色峰值540nm，紅色峰值610nm；28mm光學(xué)鏡頭，口徑43.2mm，光圈范圍2.8-F16

16.  NIR近紅外成像單元：可成像采集1450-1600nm水吸收波段，以反映植物水分狀況，在供水充沛情況下表現(xiàn)出高NIR吸收值，干旱脅迫情況下則表現(xiàn)出高NIR反射，NIR假彩色成像可以通過(guò)軟件反映和分析植物水分狀況

17.  高光譜成像單元包括光隔離成像測(cè)量室、自動(dòng)開(kāi)啟關(guān)閉門(mén)、傳送帶、PLC控制自動(dòng)移動(dòng)聚焦鏡頭包括SWIR和VNIR鏡頭、光源、成像分析系統(tǒng)等，VNIR鏡頭波段380nm-1000nm，光圈F/0.2，縫隙寬度25μm，縫隙長(zhǎng)度18mm，幀速12-236 fps；SWIR鏡頭波段900-2500nm，光圈F/0.2，縫隙寬度25μm，縫隙長(zhǎng)度18mm，幀速60或100 fps，成像面積35×35cm

18.  用戶可通過(guò)實(shí)驗(yàn)程序選擇SWIR成像、VNIR成像或兩個(gè)鏡頭全波段成像，每個(gè)鏡頭成像時(shí)間分別為15秒

19.  熱成像單元：分辨率640×480像素，溫度范圍-20-120°C，靈敏度NETD<0.05°C@30°C/50mK，準(zhǔn)確度±2°C，標(biāo)配成像面積可達(dá)35×35cm、焦距范圍40-50cm，白色光源，大光強(qiáng)500 μmol.m-2 .s-1，0-*可調(diào)

20.  FS-WI大型植物生長(zhǎng)室

Ø   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-*調(diào)控，應(yīng)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

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

Ø   控溫范圍：10℃-40℃（控制效果與光強(qiáng)和環(huán)境溫度有關(guān)，室溫較高為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

Ø   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

21.  系統(tǒng)控制與數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)：

Ø   用戶友好的圖形界面

Ø   用戶定義、可編輯自動(dòng)測(cè)量程序（protocols）

Ø   MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)，可以處理?yè)碛猩锨f(wàn)條記錄的大型數(shù)據(jù)庫(kù)，支持多種存儲(chǔ)引擎，相關(guān)數(shù)據(jù)自動(dòng)存儲(chǔ)于數(shù)據(jù)庫(kù)中的不同表中

Ø   植物編碼注冊(cè)功能：包括植物識(shí)別碼、所在托盤(pán)的識(shí)別碼等存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)中，測(cè)量時(shí)自動(dòng)提取自動(dòng)讀取條形碼或RFID標(biāo)簽

Ø   觸摸屏操作界面，在線顯示植物托盤(pán)數(shù)量、光線強(qiáng)度、分析測(cè)量狀態(tài)及結(jié)果等，輕松通過(guò)軟件*控制所有的機(jī)械部件和成像工作站

Ø   可用默認(rèn)程序進(jìn)行所有測(cè)量，也可通過(guò)開(kāi)發(fā)工具創(chuàng)建自定義的工作過(guò)程，或者手動(dòng)操作LED光源開(kāi)啟或關(guān)閉、RGB掃面成像、葉綠素?zé)晒獬上瘛⒎Q(chēng)重及澆灌等

Ø   實(shí)驗(yàn)程序（Protocols）具備起始鍵、終止鍵、暫停鍵

Ø   可根據(jù)實(shí)驗(yàn)需求自動(dòng)控制植物樣品的移動(dòng)和單一成像站的激活

Ø   可提供3個(gè)相機(jī)視角的RGB數(shù)字生長(zhǎng)分析，包含閾值分析和顏色分析

Ø   對(duì)于葉綠素?zé)晒獬上駡D片，軟件可批量進(jìn)行淬滅參數(shù)分析，包含了在背景去除圖像上用戶感興趣區(qū)域和像素值的平均。分析數(shù)據(jù)以原始圖像和分析數(shù)據(jù)的形式存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)中。

Ø   對(duì)FIR熱成像圖，16位圖可直接導(dǎo)出到MATLAB或通過(guò)軟件生成溫度分布的假彩圖像。