PlantScreenПолевая платформа для высокопроизводительного профилирования растений

——Field-based High-throughput Phenotyping PlatForm

Создание потенциала для быстрого, точного и высокопроизводительного анализа многопрофильных фенотипов растений, произрастающих в полевых условиях, является самой большой проблемой для генетической селекции сельскохозяйственных культур в XXI веке (Andrade - Sanchez et al. 2014, Furbank and Tester 2011, Houle et al. 2010). Полевые платформы высокопроизводительного профилирования растений имеют огромное значение для исследований и мониторинга генетики, биотехнологии, селекции сельскохозяйственных культур и реакции сельскохозяйственных культур на изменение климата, почвы, управления сельским хозяйством и т. Д., В частности, современное сельское хозяйство и интеллектуальное сельское хозяйство.

PlantScreenПлатформа полевого высокопроизводительного профилирования растений интегрирует современные передовые технологии, такие как автоматизированная система управления, анализ флуоресцентной визуализации хлорофилла, анализ тепловидения растений, гиперспектральный анализ растений, анализ цветной визуализации RGB и платформа больших данных типа « Интернет + », чтобы оптимизировать измерение поверхностного анализа полевых растений на месте с высоким потоком, анализ реакции на принуждение растений и анализ резистентности к изображениям растений, измерение анализа роста растений, распознавание признаков и исследования физиологического и экологического анализа растений. Будучи первым в мире производителем, который разрабатывает и производит флуоресцентную систему визуализации хлорофилла растений, компания PSI находится на переднем крае мировой технологии в области анализа поверхностных изображений растений, крупномасштабная платформа анализа изображений, такая как флуоресцентный анализ хлорофиллаPlantScreenСтановится самым современным прибором для поверхностного анализа растений и функционального анализа изображений.

Функциональные характеристики:

1) Большая многофункциональная платформа визуализации (Multi - functional sensor platform), включающая флуоресцентные изображения хлорофилла, изображения RGB, инфракрасные тепловые изображения, LiDAR、 Высокоскоростная визуализация и другие передовые высокопроизводительные сенсорные устройства, всесторонний анализ:

a) Структурный профилограммный анализ (RGB - изображения и LiDAR)

b) Функциональный фенотипический анализ (флуоресцентное изображение хлорофилла)

c) Оценка формы и роста (RGB - изображения и LiDAR)

d) Проявление фотосинтеза (флуоресцентное изображение хлорофилла)

e) Биологическое принуждение и абиотические принудительные реакции (флуоресцентное изображение хлорофилла, гиперспектральное изображение, инфракрасное тепловидение)

f) Физико - экологические проявления включают фотосинтетическую физиологию, динамику пористости, биохимические метаболические показатели и т.д. (флуоресцентное изображение хлорофилла, гиперспектральное изображение, инфракрасное тепловидение)

2) Ведущая в мире технология флуоресцентной визуализации хлорофилла FluorCam является необходимой аналитической технологией для физиологических и экологических характеристик сельскохозяйственных культур. Интеллектуальные светодиодные источники обеспечивают модулированные измерения света, которые могут автоматически визуализировать флуоресценцию хлорофилла и эффективность фотосинтеза в условиях фотоадаптации в течение дня; Обладая уникальным высокочувствительным флуоресцентным объективом с изображением хлорофилла, площадь изображения 35 см x 35 см (80 см x 80 см по заказу заказчика), это самое большое техническое оборудование в мире для получения одной флуоресцентной изображения хлорофилла

3) Может быть установлена на тракторе для автоматического анализа изображений в подвижном режиме или на специальной автоматической операционной платформе для автоматической работы по траектории полосы одновременно с автоматическим сканированием изображения с полным покрытием полосы и онлайновым анализом

4) Платформа больших данных для поверхностного анализа, включая системный контроль, сбор данных, анализ обработки данных и визуализацию онлайн - дисплеев, баз данных и т.д.

5) Техническая поддержка группы экспертов Центра фенотипических исследований PSI, организация ежегодного Всемирного симпозиума по фенотипам растений в США и Европе

6) Возможность использования платформы для анализа высокопроизводительных поверхностей беспилотных летательных аппаратов PhenoUAS на основе технологии БПЛА (UAV - based), позволяющей проводить поверхностный анализ на основе наземного профилирования и быстро проводить поверхностный анализ на больших площадях в воздухе

7) Возможная установка станции мониторинга почвенной погоды для всестороннего анализа взаимосвязи между условиями окружающей среды и поверхностными признаками

8) Альтернативная система физиологического и экологического мониторинга растений, синхронный мониторинг фотосинтеза растений и роста плодов и другая информация

9) Можно выбрать автоматический взвешивающий цифровой питательный бассейн для точного взвешивания, мониторинга почвенной влаги, автоматического орошения и т. Д.

Основные технические показатели:

1. Универсальная многофункциональная платформа автоматического анализа изображений, включающая интеллектуальный светодиодный источник света и модуль флуоресцентной визуализации хлорофилла, модуль анализа изображений RGB и другие модули отображения изображений, такие как инфракрасная тепловая визуализация, лазерное сканирование LiDAR, гиперспектральный и т.д., автоматическая работа через операционную систему, автоматическое хранение классификации, автоматический онлайн - анализ и т. Д.

2. Анализ флуоресцентных изображений хлорофилла (стандартизация):

a) 3 - цветные интеллектуальные светодиодные источники, импульсные измерения света 620 нм, белый фотохимический свет и максимальная насыщенная вспышка света, 735 нм инфракрасный свет для измерения Fo 'и т. Д.

b) Возможность использования синего источника света с 7 - битным фильтром для многоспектральных многодиапазонных флуоресцентных измерений, таких как измерение изображений GFP

c) уникальный высокочувствительный датчик флуоресцентной визуализации Хлорофилла CCD с частотой кадров 50 fps, который эффективно захватывает переходные флуоресцентные изменения Хлорофилла с разрешением 720x560 пикселей, а / D 12 бит, с видеорежимом и режимом снимков; Дополнительно с CCD с высоким разрешением, разрешение 1360x1024, частота кадров 20fps, A / D 16 бит

d) Площадь изображения 35x35cm

e) Параметры измерения изображения: могут быть проведены измерения темной адаптации в темноте и измерения световой адаптации в дневное время, параметры измерения включают Fo, Fm, Fv, Fo’, Fm’, Fv’, Ft, Fv/Fm, Fv’/Fm’, Phi_PSII, NPQ, qN, qP, Rfd Другие параметры флуоресценции хлорофилла, используемые для анализа эффективности фотосинтеза растений, пригодности, биологического и абиотического принуждения и устойчивости, устойчивости и т.д.

f) Fv / Fm, индукционные эффекты Kautsky, флуоресцентный анализ закалки и другие полностью автоматизированные измерительные процедуры (protocols) и измерительные параметры, такие как Fv / Fm время измерения программы занимает всего 10 s

g) Онлайн - анализ флуоресцентных данных хлорофилла, включая цилиндрическую карту, карту измеренных параметров, таблицу данных и т. Д. С такими функциями, как пользовательское разделение изображений, многопараметрический динамический анализ в разных временных масштабах (например, день, месяц, весь вегетационный сезон и т. Д.)

h) Это настоящая двумерная синхронная визуализация, получаемые флуоресцентные параметры хлорофилла являются истинными двумерными параметрами распределения на основе пикселей, избегая упрощенной « лазерной индуцированной визуализации» (преимущество заключается в том, что легкая, энергосберегающая) - это только одномерная визуализация (точка или линия), не синхронизирующая двумерная визуализация, подверженность воздействию факторов окружающей среды (например, ветровая трава вызывает серьезные ошибки), параметры визуализации - это только аналоговые параметры (быстрое измерение флуоресценции в соответствии с быстрым и медленным измерением флуоресценции в соответствии с лазерным сканированием не является истинным минимумом флуоресценции и максимумом флуоресценции, полученный параметр « фотонная производительность» - это и медленное измерение флуоресценции и, следовательно, моделирование производства фотонов или квантовой эффективности света), Проблемы, такие как незрелость технологии (отсутствие ссылок)

i) является наиболее широко используемым и опубликованным техническим средством в мире для высокопроизводительного поверхностного анализа растений

3.RGB Анализ изображений (стандартизация): позволяет проводить анализ изображений формы, цвета и зелени растений с разрешением 5Mpx и автоматически проводить статистический анализ количества цветов растений, побегов риса и т. Д. Основные аналитические параметры измерения включают:

Площадь листьев (Leaf Area: Useful for monitoring growth rate) и ее динамические изменения

Плотность / плотность растений (Solidity / Compactness. Ratio between the area covered by the plant 's convex hull and the area covered by the actual plant)

(Leaf Perimeter: Particularly полезный для базовой оси и широкой оценки (combined with leaf area)

Экцентриситет (Eccentricity: Plant shape estimation, scalar number, eccentricity of the ellipse with the second moments as the plant (0... circle, 1... line segment))

5) Круглость листьев (Roundness: Based on evaluating the ratio between leaf area and perimeter. Gives information about leaf roundness)

Индекс ширины листа (Medium Leaf Width Index: Leaf area proportional to the plant skeleton)

Тонкая длина лезвия SOL (Slenderness of Leaves)

Диаметр круга с той же областью, что и планета.

Площадь выпуклой оболочки (Convex Hull Area. Useful for compactness evaluation)

Centroid. Centroid of the plant mass position (Centroid. Center of the plant mass position (особенно полезный для оценки экоцентричности))

11) Плоский индекс (Flattening Index)

Относительная скорость роста (Relative Growth Rate)

13) Индекс зелености и иерархический анализ (темно - зеленый, здоровый зеленый, светло - зеленый и т.д.)

Классификация цветов и анализ разделов (Color segmentation for plant fitness evaluation)

15) Динамический анализ других признаков и цветовой классификации

4.3D Лазерный сканирующий анализ (выбор): для профилирования структуры растений, автоматический анализ с помощью модели точечного облака для расчета различных морфологических структурных параметров, таких как структура растений, биомасса, количество лопастей, площадь листьев, угол наклона лопастей, высота растений и т.д.

5. Инфракрасный тепловизионный анализ (выбор): микрометрический тепловизор с фокальной плоской решеткой, разрешение 640 × 480 пикселей, диапазон 7.5-13 мкм, температурный диапазон - 20 - 120 °C, разрешение < 0,05 °C @ 30°C / 50 mK, площадь изображения 35x35 см, используемый для визуализации распределения температуры коронарного слоя растений в условиях светового излучения, а также для анализа динамики проводимости пористости растений, принуждения к засухе и оценки устойчивости к засухе и т. Д. Хорошее рассеяние тепла может сделать растения устойчивыми к более длительному высокому световому излучению или низким условиям воды (засуха)

6. Анализ гиперспектральных изображений (опция): диапазон волн 380 - 1000нм, число спектральных полос (число диапазонов) 675 диапазонов, позволяющих визуализировать и анализировать индекс простого отношения (Simple Ratio Index, Equation: SR = RNIR / RRED), улучшенный индекс абсорбции хлорофилла (Modified Chlorophyll Absorption in Reflectance Index (MCAR1), 322: Equation = 2.5 * MCAR 1.2 * (R790 - R670) - 1.3 * (R790 - R550)), Оптимизированный индекс растительного покрова с поправкой на почву (Optimized Soil - Adjusted Vegetation Index (OSAVI), Equation: OSAVI = (1 + 0,16) * (R790 - R670) / (R790 - R670 + 0.16), Индекс фотохимического отражения растительного покрова (Photochemical Reflectance Index (PRI), Equation: PRI = (R 531 - 570 R + 531 R) и т.д.

7. Полевая мобильная платформа: 12 - метровый пролет плеча платформы, многофункциональная платформа визуализации может автоматически сканировать анализ изображения слева и справа на мобильной платформе, автоматически сканировать полосу изображения шириной до 10 м, каждая область сканирования изображения может достигать 10x0,35 м (3,5 м2), время завершения сканирования от менее чем 1 минуты до нескольких минут (в зависимости от программы экспериментальных измерений Protocol), мобильная платформа может автоматически работать по орбите, расстояние работы в принципе не ограничено (ограничено длиной орбиты); Высота мобильной платформы 2,5 м, высота многофункциональной платформы визуализации может быть отрегулирована для адаптации к анализу изображений сельскохозяйственных культур на разных высотах; Мобильная платформа 4 резиновых колеса может работать автоматически через систему управления на орбите и автоматически сканировать изображение, а также легко перемещаться по земле в целом, поворот и т. Д. Для образца 75x20 м мобильная платформа может загружать многофункциональную платформу визуализации, чтобы выполнить образец 75x10 м за раз, а затем повернуть вручную, прежде чем автоматически завершить анализ изображения другой половины 75x10 м; Оснащен системой GPS с точностью до 2 см, с помощью программного обеспечения для автоматической записи данных измерений, местоположения, времени и т. Д., Может быть дизельным генератором, чтобы обеспечить движение всей платформы

8. Альтернативный вариант с сетью датчиков измерения окружающей среды для автоматического мониторинга регистрации PAR, концентрации CO2 в окружающей среде, температуры и влажности воздуха, осадков и влаги в почве.

9. Системы системного контроля и сбора и анализа данных (платформы поверхностных больших данных):

1) Удобный для пользователя графический интерфейс

2) Функция GPS - позиционирования позволяет анализировать пространственно - временную информацию и пространственно - временную структуру распределения

3) Встроены различные зрелые протоколы, с пользовательскими определениями, редактируемыми автоматическими измерительными программами (protocols), которые автоматически завершают все эксперименты в соответствии с пользовательскими настройками. Результаты данных автоматически хранятся и анализируются, а результаты анализа данных автоматически отображаются в виде динамических кривых

Система управления базами данных MySQL, которая может обрабатывать большие базы данных с десятками миллионов записей, поддерживает несколько движков хранения данных, которые автоматически хранятся в разных таблицах базы данных

5) Все измерения могут быть выполнены с помощью программы по умолчанию, а также с помощью инструментов разработки для создания пользовательского рабочего процесса или ручного управления включением или выключением светодиодного источника света, изображения поверхности RGB, флуоресцентного изображения хлорофилла и т.д.

6) Экспериментальная программа (Protocols) с клавишами начала, конца, паузы

7) Система может управляться беспроводным дистанционным управлением через Интернет, позволяя пользователям удаленно получать доступ через Интернет, проводить обработку данных, скачивать и изменять экспериментальный дизайн, иметь функцию классификации прав пользователя, чтобы предотвратить неправильную работу других людей, влияющих на эксперименты

Происхождение: Европейский PSI

Примеры применения:

Использование FluorCamТехнология флуоресценции хлорофилла, долгосрочный мониторинг полевых растений на месте в разные сезоны, а также мониторинг фотосинтеза растений (ассимиляция CO2) A, результаты см. на рисунке ниже. Флуоресцентная технология FluorCam с использованием технологии импульсной модуляции возбуждающего света, технологии высокочувствительных CCD - датчиков (частота отбора проб до 50 раз в секунду) и интеллектуальных светодиодных источников света, которые могут иметь большую площадь (стандартная площадь изображения 35x35 см на кадр) Анализ изображений растений / культур, В полевых условиях можно не только проводить флуоресцентный анализ хлорофилла в условиях темной адаптации в ночное время, но и в условиях фотоадаптации окружающей среды для флуоресцентного анализа хлорофилла, по сравнению с простым лазерным индуцированным флуоресцентным измерением хлорофилла (возбуждение флуоресценции хлорофилла и измерение с помощью точечного или линейного монохроматического источника света, преимущество заключается в том, что оно является энергосберегающим и может быть более легким) по сравнению со многими функциональными преимуществами, не только имеет много параметров измерения, можно проводить различные экспериментальные измерения флуоресценции хлорофилла, но и двухмерное изображение (истинный анализ изображения) позволяет избежать сканирования хлорофилла, вызванного точечным или линейным возбуждением Такие проблемы, как резкое снижение разрешения.

Приложение: Другие полевые системы профилирования изображений:

1)PhenoUASБПЛА высокопоточная платформа профилирования полевых культур

2)FluorCamПолевая передвижная система флуоресценции хлорофилла и анализа изображений RGB

3)FluorCamСистема флуоресценции хлорофилла и анализа изображений RGB (с возможностью инфракрасного тепловидения)