PlantScreen植物表型成像分析系統(tǒng)（野外樣帶版）
——高通量植物表型組學研究平臺
植物表型組學（phenomics）是一門在基因組水平上系統(tǒng)研究植物在各種不同環(huán)境條件下所有表型形狀特征的學科。2009年4月，屆國際植物表型組大會在澳大利亞堪培拉成功舉辦，植物表型組學研究技術也進入一個新的階段。PlantScreen植物表型成像分析系統(tǒng)由位于孟德爾遺傳定律的發(fā)源地捷克布爾諾（Brno）、研發(fā)世界上臺FluorCam葉綠素熒光成像技術的PSI公司與歐洲科學家合作研制生產(chǎn)的新型植物表型組學研究平臺，可以全自動、高通量、高容量測量分析擬南芥、水稻等植物的三維表型形狀及生理狀態(tài)及其與環(huán)境光照、溫度、水、營養(yǎng)鹽等的關系。
PlantScreen植物表型成像分析系統(tǒng)整合了LED植物智能培養(yǎng)、自動化控制系統(tǒng)、葉綠素熒光成像測量分析、植物熱成像分析、植物近紅外成像分析、植物高光譜分析、自動條碼識別管理、RGB真彩3D成像、自動稱重與澆灌系統(tǒng)等多項先進技術，以化的方式實現(xiàn)大量植物樣品——從擬南芥、水稻、玉米到各種其它植物的生理生態(tài)與形態(tài)結構成像分析，用于高通量植物表型成像分析測量、植物脅迫響應成像分析測量、植物生長分析測量、生態(tài)毒理學研究、性狀識別及植物生理生態(tài)分析研究等。作為家研制生產(chǎn)植物葉綠素熒光成像系統(tǒng)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功能使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，使植物生長、脅迫響應等測量參數(shù)達幾百個。
PlantScreen系統(tǒng)（野外樣帶版）包括如下植物表現(xiàn)形狀成像分析功能：
1. 葉綠素熒光成像分析：可對植物葉綠素熒光動態(tài)進行成像分析，以監(jiān)測植物生理狀態(tài)，脅迫生理如干旱脅迫、肥料脅迫、病蟲害脅迫、環(huán)境污染毒性脅迫等等，還可對GFP（綠色熒光蛋白）進行成像分析，單幅成像面積40x40cm，成像測量參數(shù)包括Fo, Fm, Fv, Fo’, Fm’, Fv’, Ft, Fv/Fm, Fv’/Fm’, Phi_PSII, NPQ, qN, qP, Rfd等幾十個葉綠素熒光參數(shù)
2. RGB成像分析：可對植物的形狀進行三維成像分析，并可自動對植物花朵數(shù)量、水稻分蘗等進行統(tǒng)計分析，主要測量參數(shù)包括：
1) 葉面積（Leaf Area: Useful for monitoring growth rate）
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(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(zhì)心（Centroid. Center of the plant mass position (particularly useful for the eccentricity evaluation)）
11) 節(jié)間距（Internodal Distances）
12) 生長高度（Growth Height）
13) 植物三維高度和寬度（Maximum Height and Width of Plant in 3 Dimensions）
14) 相對生長速率（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、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) 簡單比值指數(shù)（Simple Ratio Index, Equation: SR = RNIR / RRED）
3) 改進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) 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時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)出對近紅外光譜的高反射性，通過分析軟件可以監(jiān)測分析從干旱脅迫到再澆灌過程中的整個過程動態(tài)及植物對干旱脅迫的響應和水分利用效率，并形成假彩圖像，可以與植物的形態(tài)指數(shù)及葉綠素熒光指數(shù)進行相關分析研究。
PlantScreen植物表型野外樣帶成像分析系統(tǒng)由野外移動式植物表型組學成像分析平臺、RGB成像、FluorCam葉綠素熒光成像、高光譜成像、植物熱成像、植物近紅外成像等組成，移動式成像分析平臺具輪子，可以沿軌道滑行并對植物進行表型組成像分析；各成像分析單元為模塊式結構，可靈活安裝配置到移動式成像分析平臺上，狄賽爾發(fā)電機提供動力移動整套系統(tǒng)并給各成像系統(tǒng)供電；模塊式結構使整套系統(tǒng)便于拆卸和安裝，從而可以安裝到不同的樣方進行植物表型掃瞄成像分析；平臺還配備GPS系統(tǒng)，通過軟件自動記錄測量數(shù)據(jù)、位置、時間等?？蛇x配環(huán)境測量系統(tǒng)，自動監(jiān)測記錄PAR、環(huán)境CO2濃度、空氣溫濕度及風速等。
主要技術指標：
1. 成像分析平臺寬10m、高度可調(diào)（高度2.5m），可沿10m寬樣帶移動成像分析，樣帶軌跡長度100m，具備GPS精確定位系統(tǒng)
2. 可通過外接傳感器和軟件系統(tǒng)自動采集光和有效輻射、CO2濃度（選配）、空氣溫濕度、風速等環(huán)境因子
3. 可自動進行RGB成像分析、葉綠素熒光成像分析、熱成像分析、高光譜成像分析及近紅外成像分析，具體分析參數(shù)參見前述
4. 開放式葉綠素熒光成像系統(tǒng)，成像面積40x40cm，測量光橙色620nm，橙色和白色雙波長光化學光，飽和光閃為白色或藍色，光強3600μmol.m-2 .s-1，鏡頭分辨率1024 x 768 像素，具備7位綠波輪，除可進行葉綠素熒光成像分析外，還可根據(jù)客戶需求定制多光譜熒光成像分析
5. 3D RGB成像分析：頂部及側(cè)面彩色植物表型成像分析，分辨率500萬像素，可選配10MP 3D成像分析，用于植物適合度評估、生長率分析等
6. 高光譜成像分析：VNIR鏡頭，光譜范圍380-1000nm，LED光源適用50－1000μmol/m2s,用于分析植物脅迫狀況及營養(yǎng)狀況等
7. 熱成像分析：成像面積35x35cm，校準FLIR鏡頭有效避免輻射等環(huán)境因素造成的誤差，高靈敏度成像植物表面細微的溫度差異
8. 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軟件反映和分析植物水分狀況
9. LIDAR或SONAR植物高度監(jiān)測系統(tǒng)
10. 系統(tǒng)控制與數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)：
® 用戶友好的圖形界面
® 用戶定義、可編輯自動測量程序（protocols）
® MySQL數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，可以處理擁有上千萬條記錄的大型數(shù)據(jù)庫，支持多種存儲引擎，相關數(shù)據(jù)自動存儲于數(shù)據(jù)庫中的不同表中
® 可用默認程序進行所有測量，也可通過開發(fā)工具創(chuàng)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
® 實驗程序（Protocols）具備起始鍵、終止鍵、暫停鍵
® 可提供3個相機視角的RGB數(shù)字生長分析，包含閾值分析和顏色分析
® 對于葉綠素熒光成像圖片，軟件可批量進行淬滅參數(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)的形式存儲在數(shù)據(jù)庫中。
® 對FIR熱成像圖，16位圖可直接導出到MATLAB或通過軟件生成溫度分布的假彩圖像。
