田間全天候、全自動(dòng)監(jiān)測植物表型！

高通量田間植物表型平臺FieldScan是專為田間表型研究設(shè)計(jì)的高通量植物表型平臺，可在任何環(huán)境條件下全天候測量。根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的大小，一套系統(tǒng)每天可測量上萬株植物，每小時(shí)通量可達(dá)5000株植物，可實(shí)現(xiàn)對植物生長和蒸騰（結(jié)合稱重系統(tǒng)）的精確測量，特別適合應(yīng)用于抗旱或其他表型性狀的大規(guī)模篩選。不僅可直接掃描種植在田間土壤的植物，同時(shí)還可掃描盆栽植物。在采用盆栽植物培養(yǎng)時(shí)，可根據(jù)壓力傳感器跟蹤每株植物的重量，計(jì)算其蒸騰速率。

設(shè)計(jì)理念-在高通量與準(zhǔn)確性之間平衡

在現(xiàn)代植物研究與育種中，田間表型是表型組學(xué)最亟需發(fā)展的領(lǐng)域之一，一直面臨著各種挑戰(zhàn)。例如從全日照到夜間，溫度的巨大變化和降雨等外界環(huán)境不僅影響測量技術(shù)，同時(shí)對植物也可能產(chǎn)生很大的影響。因此，對測量技術(shù)來講，需要設(shè)定非常合理的信噪比以準(zhǔn)確地獲取表型信息；同時(shí)也需要在有限的時(shí)間段里，高通量地獲取植物的表型信息；當(dāng)然對環(huán)境因子的同步監(jiān)測也十分必要。

在開發(fā)FieldScan時(shí)，我們的目標(biāo)是提供一套可在任何環(huán)境下使用；每天可進(jìn)行多次掃描；同時(shí)可剔除低質(zhì)量數(shù)據(jù)的田間表型獲取系統(tǒng)。如果側(cè)重通量和靈活性，我們可以在田間使用拖拉機(jī)或UAV等移動(dòng)設(shè)備。但為了獲得毫米級的高精度測量，我們決定不再使用這些傳統(tǒng)移動(dòng)設(shè)備，而高精度的測量僅適用于固定式的系統(tǒng)。為此我們需要開發(fā)一套能同時(shí)滿足高精度和高通量的移動(dòng)平臺。

FieldScan的設(shè)計(jì)，采用移動(dòng)式激光3D植物表型平臺 PlantEye作為核心，并集成了其它多種傳感器。PlantEye用于獲取植物生長情況。通過3D的頂部成像，不僅能獲得葉面積、葉傾角、冠層等參數(shù)，同時(shí)還能得到相對于其他技術(shù)更高的精度和通量。當(dāng)然在需要時(shí)，也可以集成其他傳感器。在任何光照情況下，F(xiàn)ieldScan都能在不影響植物本身生長的情況下，每天能對上萬株植物（取決于系統(tǒng)大小）進(jìn)行10次重復(fù)測量，為用戶提供有價(jià)值的數(shù)據(jù)，方便了解植物在田間的生長情況。

技術(shù)原理

同時(shí)集成氣象等其他因子傳感器，對植物生長環(huán)境進(jìn)行同步測量

應(yīng)用領(lǐng)域 

• 在田間挖掘不同基因型的表型性狀

• 農(nóng)藥、生長調(diào)節(jié)劑等化學(xué)品篩選，毒理學(xué)研究

• 植物表型研究

• 園藝生產(chǎn)管理，構(gòu)建可查詢的檔案

• 植物育種研究

• 自動(dòng)發(fā)芽試驗(yàn)

• 植物抗逆性研究

• 施肥管理，構(gòu)建最佳施肥方式

 主要功能

• 全自動(dòng)、全天候在田間進(jìn)行高通量植物表型測量

• IP67防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)，可在全日照下工作

• 全自動(dòng)獲取植物三維點(diǎn)陣云圖，并構(gòu)建植物三維結(jié)構(gòu)圖

• 通過WIFI傳輸數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)庫存儲

• 自動(dòng)計(jì)算植物高度、單個(gè)葉片面積、總?cè)~面積、葉片數(shù)目、植株數(shù)目、葉片角度、植物直徑、蓋度等參數(shù)

•  同時(shí)獲取植物生長環(huán)境參數(shù)，如：溫度、濕度、風(fēng)速、風(fēng)向、光合有效輻射、蒸騰等

• 允許用戶建立自己的算法并導(dǎo)入
  

• 專業(yè)軟件HortControl進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和管理
  

應(yīng)用實(shí)例

國際熱帶半干旱地區(qū)作物研究所(ICRISAT)

共集成了8臺PlantEye，每小時(shí)可以對2000-3000株植物進(jìn)行表型分析，一天的通量可以達(dá)到12000株。該系統(tǒng)將精準(zhǔn)灌溉、表型分析、環(huán)境氣象等參數(shù)集成到一起，由PhenoSpex的軟件系統(tǒng)進(jìn)行全方位自動(dòng)控制。

植株高度和分辨率

對PlantEye傳感器而言，其測量的植株高度范圍很廣，但是對于不同高度的植株需要做一些校正。植株越小，分辨率越高；植株越大，分辨率越低。例如測量高度在0-30 cm的植株，分辨率為0.2 mm；測量高度在0-70 cm的植株，分辨率為0.4 mm；測量高度在0-120 cm的植株，分辨率為1 mm。更高的植株也可以測量，只是分辨率稍有下降。

代表用戶

國際上很多的客戶與PhenoSpex公司簽有保密協(xié)議，不允許后者公開客戶信息。這里僅僅列出了很少的一部分允許公開的用戶信息。

植物表型研究領(lǐng)域

• 國際熱帶半干旱地區(qū)作物研究所(ICRISAT)，用于珍珠粟（pearl millet）、高粱、花生、鷹嘴豆等的超高通量表型測量，進(jìn)行抗旱研究。

• Jülich研究中心（Research Center Jülich），歐洲最大的科研機(jī)構(gòu)之一，主要做甜菜和其它作物的表型研究。

• 瓦赫寧根大學(xué)，全球最著名的農(nóng)業(yè)大學(xué)之一，主要用于甜椒、紅掌等的早期脅迫監(jiān)測。

• 世界最大的特種肥料制造商Everris公司，用于緩釋肥料的研發(fā)和作物管理。

• 德國Compo公司 (肥料公司) ，用于協(xié)助作物提高抗旱性和抗鹽性的肥料篩選。

• 波恩大學(xué)，用于田間小麥和大麥的高通量表型測量。

• LVG Heidelberg（海德堡州立園藝研究院），用于園藝植物生長調(diào)節(jié)物質(zhì)的篩選。

• 奧胡斯大學(xué)（University Aarhus），丹麥排名第二的大學(xué)，用于菊花、小麥和歐洲油菜（Brassica napus）的表型測量。

園藝領(lǐng)域

在園藝領(lǐng)域，通過調(diào)節(jié)施肥、生長調(diào)節(jié)物質(zhì)、環(huán)境控制等方法可以改進(jìn)、優(yōu)化植物生長和作物管理。植物表型平臺PlantEye和管理軟件DocTool的結(jié)合使用有效優(yōu)化作物管理，降低風(fēng)險(xiǎn)。下面列出的這些用戶，采用這套方案大大降低了資源和成本的消耗，顯著提高了產(chǎn)量。

• 荷蘭安祖（Anthura）公司，世界著名的種苗生產(chǎn)企業(yè)，總部位于荷蘭布雷斯克，主要從事紅掌屬植物和蝴蝶蘭的育種與繁殖、盆花和切花種苗生產(chǎn)，在國際市場占有重要的地位。

• 丹麥Knud Jepsen育種公司，著名的“Queen”系列長壽花的研發(fā)單位。

• 德國Gartenbau Mosler公司

• 德國Hanka公司

• 德國Blumen Rieke公司

• 德國Koster公司

其它不允許公開的用戶……

主要技術(shù)參數(shù)

• 最大測量植物數(shù)量：1萬株

• 通量：5000株/小時(shí)

• 集成傳感器：PlantEye,溫濕度傳感器, 光合有效輻射傳感器,風(fēng)速風(fēng)向傳感器,雨量傳感器, 負(fù)壓傳感器 (用于計(jì)算蒸騰，僅限盆栽)

• 測量的植物高度和分辨率：高度0-1500 mm，分辨率0.2-1.0 mm；其它植物高度可定制

• 傳感器到植物的距離：最小350-650 mm，最大1100-2200 mm

• 掃描波長：700-1100 mm

• 測量速率：每秒50個(gè)XZ輪廓圖

• 信號接口：IN/OUT觸發(fā)信號接口

• 觸發(fā)選擇：感應(yīng)開關(guān)，RFID，光學(xué)二維碼，外部信號（如定位系統(tǒng)），其它選擇可定制

• 測量參數(shù)：高度（平均高度和最高點(diǎn)）、獨(dú)立葉面積、總?cè)~面積（冠層面積）、投影葉面積、蓋度、植物數(shù)目、葉片數(shù)目、葉片傾斜角PHI（Φ）、葉片方位角THETA（θ）、蓮座狀植物（rosette plants）的直徑、植物體積、蒸騰速率、溫度、濕度、風(fēng)速風(fēng)向、雨量、光合有效輻射等

• 數(shù)據(jù)下載：允許下載3D點(diǎn)陣云圖（原始數(shù)據(jù)）、植物生長數(shù)據(jù)和高度柱狀圖等。

• 數(shù)據(jù)傳輸：通過Wifi無線傳輸

• 數(shù)據(jù)壓縮：自動(dòng)壓縮

• 遠(yuǎn)程訪問：支持通過www遠(yuǎn)程訪問（ssh協(xié)議）

• 工作溫度：0-50℃

• 工作濕度：<90% RH

• 供電：12 VDC、24 VDC、230 VAC均可

• 激光安全等級：1M

• 光環(huán)境：耐受全日照輻射

• 防護(hù)等級：IP67

• PSX數(shù)據(jù)存儲方案

• 數(shù)據(jù)庫：PostgreSQL數(shù)據(jù)庫

• PSX低通量方案：準(zhǔn)系統(tǒng)電腦（Barebone computer）

• PSX超供通量服務(wù)器方案：1U Intel Dual-CPU服務(wù)器（8 cores x 1GHz）, 8 GB；3 x 2000 GB硬盤；RAID 5控制器；1.5 TB磁帶驅(qū)動(dòng)器

• HortControl數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)

• 工作界面：通過瀏覽器登錄工作

• 軟件界面：提供不同界面用于數(shù)據(jù)自動(dòng)導(dǎo)入，用于集成導(dǎo)入其它環(huán)境或植物傳感器的數(shù)據(jù)

• 數(shù)據(jù)下載：允許下載數(shù)據(jù)（ASCI）進(jìn)行進(jìn)一步分析，允許導(dǎo)入/導(dǎo)出數(shù)據(jù)庫

• 檔案功能：具備檔案錄入、顯示，作物管理、實(shí)驗(yàn)管理功能

• 統(tǒng)計(jì)功能：數(shù)據(jù)平均值和偏差值的統(tǒng)計(jì)分析

• 上載功能：能夠上載高通量平臺的實(shí)驗(yàn)設(shè)置信息

• 報(bào)警功能：數(shù)據(jù)異常時(shí)報(bào)警

• 2D Mapping功能：對不同生長區(qū)域進(jìn)行2D Mapping，用于定量分析