Field-based Phenotyping 大田高通量作物表型成像分析技術方案（一）

手持式、便攜式儀器無疑是野外大田作物表型分析性價比高、使用靈活方便的設備（參見“便攜式植物表型分析全面解決方案”），如手持式FluorPen葉綠素熒光儀、手持式SpectraPen/PolyPen高光譜儀、IQ智能手持式高光譜成像儀、FluorCam便攜式葉綠素熒光成像儀、Thermo-RGB冠層溫度與彩色成像融合分析技術等，不僅可以在葉片水平上（如葉夾式PolyPen高光譜儀、便攜式FluorCam葉綠素熒光成像儀等），而且可以在冠層水平上（如IQ智能手持式高光譜成像儀）進行大田作物/植物無損傷表型測量分析與生理生態研究。

本專輯主要介紹大田（野外）作物高通量、無損傷表型組學研究技術方案，以滿足野外大田作物不同實驗研究、不同預算條件下作物遺傳育種（如抗性篩選等）、表型分析與表型大數據建設、生理生態研究（如脅迫生理等）、種質資源保護與品種檢測鑒定、病害預測預報等需求。

PhenoDATA表型分析傳感器技術

1、Thermo-RGB可見光與紅外熱成像融合分析技術：用于成像分析作物冠層形態結構及溫度動態、陰影效應等，包括覆蓋度、陽光照射葉片（SL）占比、陰影葉片（ShL）占比、土壤（Soil）占比及相應溫度信息（ZG溫度、ZD溫度、平均溫度、溫度頻率直方圖等），還可以分析測量葉片顏色和形態如長、寬、面積、長寬比等等。可升級為Thermo-NDVI紅外熱成像與多光譜成像融合分析。

2、SpectraScan高光譜成像分析技術：包括400-1000nm、600-1640nm、900-1700nm、1000-2500nm、400-2500nm及MWIR中波段紅外高光譜、LWIR長波段紅外高光譜等高端高光譜成像技術，及不同算法數據分析處理技術方案，全方位、大數據、高靈敏度、非損傷分析作物生理生化及形態結構功能表型數據，如基于植物光譜反射指數的決策樹、冠層光譜特征與區分技術、SAM/SID快速檢測技術等等。

3、SIF（陽光誘導葉綠素熒光）高光譜成像技術：由Specim公司與德國Juelich研究中心為歐洲太空局（ESA）地球探測項目（FLEX）研制的Hyplant傳感器（AisaIBIS），是世界上DY款商業化高光譜葉綠素熒光成像儀，采用夫瑯和費線深度法，可以檢測太陽輻射誘導葉綠素熒光（Sun-induced Fluorescence），用于陸空雙基植物葉綠素熒光高光譜成像測量分析，可得到NDVI、EVI、F760（植物葉綠素熒光）等參數。

4、FluorCam葉綠素熒光成像技術：“作物產量的提高需要同步化綜合評估作物形態性狀和生理性狀，高通量定量化作物生理狀態測量分析技術尤為重要，而葉綠素熒光成像技術是監測作物生理性狀表型的適合的技術”（德國植物遺傳與作物研究所IPK Henning Tschiersch教授等，2018）。作為作物生理性狀表型（光合生理生態、光合效率、適合度、脅迫與抗性檢測分析等）靈敏的“探針”，國際上幾乎所有的知名表型研究機構都配備有FluorCam葉綠素熒光成像設備。由下面RGB成像（測量指標為葉面積area）、FluorCam葉綠素熒光成像（測量指標為熒光衰減指數Rfd）及高光譜成像（測量指標為植被歸一化指數NDVI）結果可以看出，Rfd指數為靈敏，在脅迫施加2小時后即可檢測出，RGB成像不靈敏——20小時后才檢測出脅迫影響。

5、PhenoCOSM表型實驗模擬技術：基于SoilTron小型蒸滲儀技術，在野外離體土壤柱體（與大田土壤隔離）或原位miniPlot植物培養情況下，模擬自然條件并利用綜合傳感器技術在線監測環境因子如土壤水分、土壤溫度、營養鹽、空氣溫濕度、太陽輻射，及植物性狀如莖干生長、果實生長、光合作用、莖流、NDVI/PRI、葉綠素熒光、根系生長等。

6、其它技術：包括激光掃描技術及NIR紅外成像技術等，前者用于作物形態結構測量和3D點云建模，后者波段范圍900-1700nm，用于作物水分分布分析。

PlantScreen-R移動式植物表型成像分析系統

PlantScreen-R移動式植物表型分析系統（PlantScreen rover system）為知名大型移動式葉綠素熒光成像系統（Rover FluorCam）的升級版，4個輪子帶驅動，以便于大田移動，適于溫室及野外大田作物原位表型成像分析測量，具備PlantScreen幾乎所有成像分析功能及表型大數據數據庫等。標配為RGB成像分析、FluorCam（35x35cm）葉綠素熒光成像分析，可選配高光譜成像、紅外熱成像、3D激光掃描等功能模塊，成像高度可調（標配ZG植株高度可達1m），是田間作物高通量表型分析、植物生理生態研究的重要儀器設備，可直接對野外植物或田間栽培作物進行原位成像測量分析，還可與SoilTron多功能小型蒸滲儀配合使用，直接對SoilTron培養植物進行成像分析。

主要技術特點：

1)結構緊湊，配置靈活，功能全面，大田等環境使用方便，非損傷、高通量，表型大數據采集與在線分析并可視化展示

2)領先的FluorCam葉綠素熒光成像技術，是作物生理生態功能性狀的必備分析技術，配備獨有的高靈敏度葉綠素熒光成像鏡頭，大量參考文獻和應用案例

3)可選配不同的表型成像分析模塊：

a)葉綠素熒光成像單元，單幅成像面積35cm x 35cm

b)RGB可見光成像分析單元

c)高光譜成像分析單元，有VNIR高光譜和SWIR高光譜供選配

d)NIR（近紅外）成像單元，用于對植物水分狀態分析

e)紅外熱成像分析單元，用于對植物干旱脅迫、氣孔導度成像分析

f)3D激光掃描單元，用于對作物3D成像和形態結構分析

4)可選配大田環境監測單元或定制網絡化監測方案、微環境監測方案，如空氣溫濕度與太陽輻射/PAR（光合有效輻射）監測、土壤水分溫度與鹽分監測（不同點或不同剖面深度）、降雨量監測、CO2/O2測量監測等

5)可選配作物根系監測方案

6)可選配冠層溫度監測、冠層光譜監測、冠層O2與CO2監測等

技術指標：

1)主機框架平臺：標配為鋁制結構，具4個驅動輪便于大田移動，高度可調（標配植株ZG高度可達100cm）；可選配其它農具車式平臺（需客戶定制）

2)FluorCam葉綠素熒光成像分析（詳細指標參見FluorCam葉綠素熒光成像技術），用于植物生理功能性狀如光合效率、脅迫與抗性篩選等

a)成像面積：35×35cm

b)橙色620nm LED脈沖調制測量光源，用于測量小熒光Fo等

c)雙色光化學光，橙色620nm LED和冷白LED光源

d)冷白LED飽和光閃，ZD光強4000 μmol(photons)/m2.s，用于測量ZD熒光產量Fm等

e)735nm LED紅外光源用于測量Fo’等

f)高靈敏度CCD傳感器鏡，分辨率1.4M，A/D 16比特，具備視頻模式和快照模式

g)測量參數：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率、適合度、生物與非生物脅迫及作物抗性、恢復力等

h)Fv/Fm、Kautsky誘導效應、熒光淬滅分析等完備自動化測量程序（protocols）與測量參數，如Fv/Fm程序測量時間僅需10s

i)葉綠素熒光數據在線分析，包括柱狀圖、測量參數圖、數據表格等，具備自定義圖像分割等功能

3)RGB成像，用于植物形態結構與顏色成像分析

a)CMOS彩色傳感器，分辨率5MPix、2560 x 1920（可選配12MPix鏡頭）、1/2”、14.1fps，像素大小2.2μm

b)測量參數：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、植物圓直徑、凸包面積、植物質心、生長高度、相對生長速率等

c)可進行顏色分割分析、植物適合度評價、實驗生長期葉面積動態變化比較分析、綠度指數、顏色分級分析（健康綠色、亮綠色、暗綠色、其他顏色）等表型參數

4)紅外熱成像，用于氣孔導度、干旱脅迫指數及其它脅迫成像分析

a)成像傳感器：焦平面陣列微測熱輻射計，分辨率 640×480 像素，靈敏度30mK（0.03°C），波段7.5-13μm

b)溫度范圍 -20 – 120℃，分辨率<0.03℃@30℃/30mK

c)具備溫度動態Protocols，光照強度、持續時間、熱成像分布數據同步獲取，以研究分析植物溫度分布動態等

d)具備溫度參考傳感器（reference sensors）

e)測量參數：植物每一點的實際溫度，植物表面溫度分布圖

5)NIR近紅外成像分析單元：用于成像監測分析植物水分狀態分布，具備假彩調色板，可以方便對比分析，快速監測脫水植物，因而可以監測評估干旱脅迫條件下植物水分的動態變化響應及水分利用效率等

a)可與RGB成像形態結構參數及FluorCam光合效率參數進行相關分析等；可完整記錄追溯干旱過程與復水過程的動態響應等

b)通過測量水分吸收光譜和940nm參考光譜，有效避免環境光及陰影效應

c)InGaAs傳感器，有效芯片大小9.6x7.7mm，波段范圍900－1700nm，分辨率638x510像素，幀頻118fps，A/D 14比特

6)3D激光掃描分析，可建立3D點云模型，用于植物形態結構分析，可分析植物結構、生物量、葉片數量、葉面積、葉片傾斜角度、植物高度等結構形態參數

7)表型組學研究分析系統：包括客戶端應用服務器、可編程序邏輯控制器及專業分析軟件等

a)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），根據用戶設定程序自動完成全部實驗。數據結果自動存儲并分析，分析的數據結果可自動以動態曲線的形式顯示

b)觸摸屏操作界面，在線顯示植物狀態（可視化）、光線強度、分析測量狀態及結果等

c)所測量的所有數據都是透明的、可以追溯的

d)具備用戶權限分級功能，防止其他人員誤操作影響實驗

e)廠家遠程故障診斷，軟件終身

PlantScreen野外高通量植物表型分析平臺

——Field-based High-throughput Phenotyping PlatForm

建立對野外生長植物迅速、準確、高通量非損傷多性狀表型分析能力，是21世紀作物遺傳育種面臨的ZD挑戰（Andrade-Sanchez et al.2014, Furbank and Tester 2011, Houle et al. 2010）。野外高通量植物表型分析平臺對遺傳學、生物技術、作物育種，及作物對氣候變化、土壤、耕作管理的響應研究監測等，特別是現代農業、智慧農業都具有無比重要的意義。

PlantScreen野外高通量植物表型分析平臺集成了自動化控制系統、葉綠素熒光成像測量分析、植物熱成像分析、植物高光譜分析、RGB彩色成像分析及互聯網＋表型大數據平臺等現代先進技術，以ZY化的方式實現野外植物原位高通量表型分析測量、植物脅迫響應與作物抗性成像分析測量篩選、植物生長分析測量、性狀識別及植物生理生態分析研究等。作為DY家研制生產植物葉綠素熒光成像系統的廠家，PSI公司在植物表型成像分析領域處于的技術前列，大面積葉綠素熒光成像分析等成像分析平臺使PlantScreen成為植物表型分析與功能成像分析的為先進的儀器設備。

功能特點：

1)大型多功能成像平臺（Multi-functional sensor platform），集成了葉綠素熒光成像、RGB成像、紅外熱成像、LiDAR、高光譜成像等各種先進高端傳感設備，全面分析：

a)結構性狀表型分析（RGB成像及LiDAR）

b)功能表型分析（葉綠素熒光成像）

c)形狀與生長評估（RGB成像及LiDAR）

d)光合作用表現（葉綠素熒光成像）

e)生物脅迫與非生物脅迫響應（葉綠素熒光成像、高光譜成像、紅外熱成像）

f)生理生態表現包括光合生理、氣孔動態、生化代謝指標等等（葉綠素熒光成像、高光譜成像、紅外熱成像）

2)領先的FluorCam葉綠素熒光成像技術，是作物生理生態功能性狀的必備分析技術，智能LED光源提供調制測量光可以在白天自動成像測量光適應條件下的葉綠素熒光及光合效率；配備獨有的高靈敏度葉綠素熒光成像鏡頭，成像面積達35cm x 35cm（可客戶定制80cm x 80cm），是世界上單幅葉綠素熒光成像面積ZD的技術設備

3)可安裝在專用自動運行平臺上沿樣帶軌道自動運行的同時進行樣帶全覆蓋自動掃描成像和在線分析

4)表型分析大數據平臺，包括系統控制、數據采集、數據處理分析與可視化在線顯示、數據庫等

5)PSI表型研究中心專家團隊技術支持，每年在美國和歐洲分別組織舉辦一次世界植物表型研討會

6)可選配基于無人機技術（UAV-based）的PhenoUAS無人機高通量表型分析平臺，使基于地面的表型分析scalling-up到空中大區域快速表型分析

7)可選配土壤氣象監測站，全面分析環境條件與表型性狀的關系

8)可選配植物生理生態監測系統，同步監測植物光合作用及果實生長等信息

9)可選配自動稱重數字化培養盆，進行精確稱重、土壤水分監測、自動澆灌等

主要技術指標：

1.一體式多功能自動成像分析平臺，集成了智能LED光源及葉綠素熒光成像模塊、RGB成像分析模塊及其它如紅外熱成像、LiDAR激光掃描、高光譜等選配成像模塊，通過操作系統自動運行、自動分類存儲、自動在線分析等

2.葉綠素熒光成像分析（標配）：

a)3色智能LED激發光源，620nm脈沖測量光、白色光化學光和ZD飽和光閃、735nm紅外光用于測量Fo’等

b)可選配藍色光源與7位濾波輪用于多光譜多波段熒光測量如GFP成像測量

c)獨有高靈敏度CCD葉綠素熒光成像傳感器，幀頻達50fps，有效捕捉葉綠素熒光瞬變，分辨率720x560像素，A/D 12比特，具備視頻模式和快照模式；可選配高分辨率CCD，分辨率1360x1024，幀頻20fps，A/D 16比特

d)單幅成像面積35x35cm

e)成像測量參數：可進行黑夜暗適應測量及白晝光適應測量，測量參數包括Fo, Fm, Fv, Fo’, Fm’, Fv’, Ft, Fv/Fm, Fv’/Fm’, Phi_PSII, NPQ, qN, qP, Rfd等葉綠素熒光參數，用于分析植物光合效率、適合度、生物與非生物脅迫及作物抗性、恢復力等

f)Fv/Fm、Kautsky誘導效應、熒光淬滅分析等完備自動化測量程序（protocols）與測量參數，如Fv/Fm程序測量時間僅需10s

g)葉綠素熒光數據在線分析，包括柱狀圖、測量參數圖、數據表格等，具備自定義圖像分割等功能，可進行不同時間尺度（如日、月、整個生長季節等）的多參數動態分析

h)是真正的二維同步成像，所得葉綠素熒光參數是真正的基于像素點的二維分布參數，避免簡單化的“激光誘導成像”（優點是輕便、省電）僅僅是一維成像（點或線）、不能同步化二維成像、易受環境因素影響（如風吹草動即產生嚴重誤差）、成像參數只是模擬參數（根據激光掃描快慢得到的快速測量熒光與慢速測量熒光不是真正的小熒光和ZD熒光，所得參數“光量子產量”只是模擬光量子產量需要用進行校準后參數才能使用）、測量參數單一（只能得到快速測量熒光和慢速測量熒光及由此計算出的模擬光量子產量或稱光量子效率）、技術不成熟（找不到參考文獻）等問題

i)是世界上用于植物高通量表型分析應用廣、發表論文多的技術手段

3.RGB成像分析（標配）：可對植物的形狀、顏色綠度等進行成像分析，分辨率5Mpx，并可自動對植物花朵數量、水稻分蘗等進行統計分析，主要分析測量參數包括：

1)葉面積（Leaf Area: Useful for monitoring growth rate） 及其動態變化

2)植物緊實度／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（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（Medium Leaf Width Index: Leaf area proportional to the plant skeleton (i.e. reduction of the leaf to line segment)）

7)葉片細長度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)植物質心（Centroid. Center of the plant mass position (particularly useful for the eccentricity evaluation)）

11)扁平指數（Flattening index）

12)相對生長速率（Relative growth rate）

13)綠度指數與分級分析（暗綠、健康綠、淺綠等）

14)顏色分級與分區分析（Color segmentation for plant fitness evaluation）

15)其它性狀與顏色分級動態分析

4.3D激光掃描分析（選配）：用于植物結構表型分析，通過點云模型自動分析計算植物結構、生物量、葉片數量、葉面積、葉片傾斜角度、植物高度等各種形態結構參數

5.紅外熱成像分析（選配）：焦平面陣列微測熱輻射計，分辨率 640×480 像素，波段7.5-13μm，溫度范圍 -20 – 120℃，分辨率<0.05℃@30℃/50mK，成像面積35x35cm，用于成像植物在光輻射情況下的冠層溫度分布，并分析植物的氣孔導度動態、干旱脅迫及抗干旱能力評估等，良好的散熱可以使植物耐受較長時間的高光輻射或低水條件（干旱）

6.高光譜成像分析（選配）：波長范圍380-1000nm，光譜帶數（波段數）675個波段，可成像并分析歸一化指數（Normalized Difference Vegetation Index (NDVI)）簡單比值指數（Simple Ratio Index, Equation: SR = RNIR / RRED）、改進的葉綠素吸收反射指數（Modified Chlorophyll Absorption in Reflectance Index (MCARI1), Equation: MCARI1 = 1.2 * [2.5 * (R790- R670) - 1.3 * (R790- R550)]）、優化土壤調整植被指數（Optimized Soil-Adjusted Vegetation Index (OSAVI) , Equation: OSAVI = (1 + 0.16) * (R790- R670) / (R790- R670 + 0.16)）、光化學植被反射指數（Photochemical Reflectance Index (PRI), Equation: PRI = (R531- R570) / (R531+ R570)）等

7.野外移動平臺：跨度和高度可定制. 平臺臂15m跨度（可定制其他尺寸），多功能成像平臺可在移動平臺上左右自動掃描成像分析，可自動掃描寬度達12m的樣帶，每一次掃描成像面積可達10x0.35m（3.5m2），允許植株高度ZG3米，完成一次掃描時間從不足1分鐘到幾分鐘（根據實驗測量程序Protocol而定），移動平臺可沿軌道自動運行，運行距離原則上不受限制（受軌道長度限制）；移動平臺高度3.5m，多功能成像平臺高度可調節，以適應不同高度作物成像分析；配備GPS系統精度達2cm

8.通過軟件自動記錄測量數據、位置、時間等，可由柴油發電機提供動力驅動整個平臺移動

9.可選配環境測量傳感器網絡，自動監測記錄PAR、環境CO2濃度、空氣溫濕度、降雨量及土壤水分等。

10.系統控制與數據采集分析系統（表型大數據平臺）：

1)用戶友好的圖形界面

2)GPS定位功能可進行空間分布信息及時空分布格局分析

3)已內置各種成熟的Protocols，具備用戶定義、可編輯自動測量程序（protocols），根據用戶設定程序自動完成全部實驗。數據結果自動存儲并分析，分析的數據結果可自動以動態曲線的形式顯示

4)MySQL數據庫管理系統，可以處理擁有上千萬條記錄的大型數據庫，支持多種存儲引擎，相關數據自動存儲于數據庫中的不同表中

5)可用默認程序進行所有測量，也可通過開發工具創建自定義的工作過程，或者手動操作LED光源開啟或關閉、RGB掃面成像、葉綠素熒光成像等

6)實驗程序（Protocols）具備起始鍵、終止鍵、暫停鍵

7)系統可通過互聯網無線遠程控制，允許用戶通過互聯網遠程訪問，進行數據處理、下載及更改實驗設計，具備用戶權限分級功能，防止其他人員誤操作影響實驗

產地：歐洲PSI