全自動(dòng)高通量植物3D成像系統(tǒng)——Greenhouse Scanalyzer Systems
植物表型和生理研究的助手
遺傳育種、突變株篩選、表型篩選的工具
植物表型和生理研究的強(qiáng)大助手
遺傳育種、突變株篩選、表型篩選的工具
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小型版 只能自動(dòng)傳送10盆植物，需手動(dòng)更換花盆 |
大型定制版（溫室版） 可自動(dòng)傳送1200盆植物的系統(tǒng) |
全自動(dòng)高通量植物3D成像系統(tǒng)——Greenhouse Scanalyzer Systems是一套可以全自動(dòng)、高通量對(duì)大量植株（從幼苗到成熟植株即可）進(jìn)行成像的系統(tǒng)，可以選擇配置可見光（VIS）成像、近紅外（NIR）成像、紅外（IR）成像、PSII熒光成像、高光譜成像和根系近紅外成像中的一種或多種，每個(gè)成像模塊包括頂部和側(cè)面兩個(gè)攝像頭，結(jié)合樣品旋轉(zhuǎn)裝置，就可以對(duì)植株進(jìn)行3D形態(tài)學(xué)分析。如果做小植株（15 cm以下），也可選配激光掃描3D成像。每一種成像模塊都有單獨(dú)的成像區(qū)域（“暗房”），依次進(jìn)行成像分析。
可選VIS、NIR、IR、根系NIR成像、PSII熒光成像、高光譜成像中的一種或多種，每種成像有獨(dú)立的攝像區(qū)域（“暗房”），每個(gè)“暗房”的頂部和側(cè)面各安裝一個(gè)攝像頭（拍攝頂部和側(cè)面成像）。花盆底座有旋轉(zhuǎn)裝置，可以360度旋轉(zhuǎn)，這樣可以獲得植株4個(gè)側(cè)面的成像信息。結(jié)合頂部成像，可以獲得完整的植株3D成像信息。 針對(duì)15 cm以下的小植株，可以選擇配置激光掃描3D成像，獲得詳細(xì)的三維形態(tài)學(xué)信息。
系統(tǒng)帶自動(dòng)傳送裝置，所有花盆上都有電子標(biāo)簽，所有拍攝數(shù)據(jù)根據(jù)電子標(biāo)簽歸檔?？蛇x傳送10、105、300、456、1200盤或更多盆的傳送裝置，花盆和植株的重量可以為5 kg或10 kg，更重需要定制。
在溫室系統(tǒng)中，可增加自動(dòng)澆水和稱重裝置，軟件控制對(duì)不同編號(hào)的花盆采用不同的澆水量，并每日對(duì)花盆進(jìn)行稱重。
在溫室系統(tǒng)中，與自動(dòng)澆水裝置結(jié)合，可以在澆水的同時(shí)補(bǔ)充營(yíng)養(yǎng)鹽。
在溫室系統(tǒng)中，根據(jù)電子標(biāo)簽由軟件控制是否噴灑農(nóng)藥，可用于檢測(cè)農(nóng)作物對(duì)農(nóng)藥的抗性或敏感性。
在溫室系統(tǒng)中，只要在傳送裝置上增加多級(jí)T-Junction（丁字路口），就可根據(jù)成像結(jié)果對(duì)大批量的植株進(jìn)行分選，分選用的閾值參數(shù)可以由用戶設(shè)定，分選級(jí)數(shù)取決于T-Junction的數(shù)目。
由于數(shù)據(jù)量大，本系統(tǒng)必須用服務(wù)器存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。
軟件分析功能強(qiáng)大，可以通過植株的編號(hào)（電子標(biāo)簽）調(diào)出整個(gè)生活史的數(shù)據(jù)，進(jìn)行時(shí)間動(dòng)力學(xué)分析，對(duì)拍攝的照片進(jìn)行動(dòng)畫演示，對(duì)同一植株的時(shí)間動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)進(jìn)行圖表統(tǒng)計(jì)分析，對(duì)不同植株的數(shù)據(jù)進(jìn)行復(fù)雜的統(tǒng)計(jì)學(xué)分析和圖表分析。
通過專用遠(yuǎn)程服務(wù)器管理軟件，可以在異地對(duì)本系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)狀況進(jìn)行監(jiān)測(cè)、改變測(cè)量程序或分析測(cè)量數(shù)據(jù)。 |
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主要功能
全自動(dòng)、高通量對(duì)植物等小型樣品進(jìn)行可見光成像、近紅外成像、根系近紅外成像、高光譜成像、紅外成像、熒光成像（包括整株GFP成像）和/或激光掃描3D成像（每套系統(tǒng)可選擇一種或多種）
通過可見光成像可以測(cè)量植物的結(jié)構(gòu)、寬度、密度、對(duì)稱性、葉長(zhǎng)、葉寬、葉面積、葉角度、葉顏色、葉病斑、種子顏色、種子顏色面積等等50多個(gè)參數(shù)
通過近紅外成像可以分析植物的水分分布狀態(tài)、水力學(xué)研究、脅迫生理學(xué)研究等
通過根系近紅外成像分析植物根系和土柱中的水分分布情況
通過紅外成像可以進(jìn)行植物干旱脅迫研究、蒸騰研究等
通過熒光成像可以分析植物的生理狀態(tài)
通過高光譜成像可以測(cè)量一些特定的物質(zhì)的量和歸化指數(shù)
應(yīng)用領(lǐng)域
植物生理學(xué)、農(nóng)業(yè)科學(xué)、植物病理學(xué)、遺傳育種、突變株篩選、植物形態(tài)建模、種子生理學(xué)、種子病理學(xué)、植物脅迫生理學(xué)、植物水力學(xué)等研究領(lǐng)域。
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| 可以自動(dòng)傳送10盆植物的小型系統(tǒng) | T-Junction分選 |
 
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| 自動(dòng)灌溉裝置 | 側(cè)面、側(cè)面旋轉(zhuǎn)90度和頂部成像 |
應(yīng)用實(shí)例
植物顏色分類
植物的顏色是反映植物健康狀態(tài)的關(guān)鍵指標(biāo)之一，而人肉眼對(duì)顏色的敏感度較低，存在較大的視覺誤差。利用Scanalyzer系統(tǒng)可以在拍攝植物可見光照片的基礎(chǔ)上，通過軟件對(duì)獲得的顏色信息進(jìn)行銳化處理，從而使原本肉眼不易區(qū)分的顏色差別，顯著的區(qū)分開來。
植物骨架/結(jié)構(gòu)分析
植物骨架和架構(gòu)信息，是典型的植物表觀信息，是農(nóng)業(yè)信息學(xué)的重要研究?jī)?nèi)容。對(duì)于雜交育種而言，Scanalyzer系統(tǒng)有助于快速進(jìn)行表型篩選，也可用于了解整個(gè)生活史以及受到脅迫后的骨架/結(jié)構(gòu)變化。
植物形態(tài)學(xué)分析
成像后，通過LemnaTec公司專業(yè)的軟件工程師團(tuán)隊(duì)開發(fā)的軟件，可以對(duì)植物進(jìn)行詳細(xì)的三維形態(tài)學(xué)分析。對(duì)于所拍攝的每一張圖片，都可獲得多個(gè)形態(tài)學(xué)參數(shù)。
估算生物量
通過頂部成像和多個(gè)側(cè)面成像，可以獲得植物X、Y、Z三個(gè)軸的信息，根據(jù)各個(gè)方向的葉面積、莖長(zhǎng)、莖寬、葉長(zhǎng)、顏色等來估算植物的生物量。實(shí)驗(yàn)證明這種估算的生物量與實(shí)際生物量有很好的線性關(guān)系。
利用近紅外（NIR）成像分析植株和土壤的水分利用情況
近紅外成像可以直觀的反映植物不同部位的含水量，通過軟件處理加上代表不同含水量的顏色后，可以直觀的看出不同處理下植株不同部位的含水量變化。如果植物是生長(zhǎng)在專用土柱中，還可以對(duì)植物根系和土壤的含水量變化進(jìn)行定量分析。
注：LemnaTec公司設(shè)計(jì)的土柱筒，是透明聚丙烯塑料材質(zhì)，內(nèi)裝自然土壤，高50 cm，直徑5、8或10 cm，裝土1.5 3.0 5.0 kg，底部有排水孔。培養(yǎng)時(shí)土柱外部套上不透明PVC管遮蔭，放置苔蘚和土壤藻類滋生，測(cè)量時(shí)將遮光管取下即可。
利用近紅外（NIR）成像分析NIR成像分析小麥干燥過程中含水量的變化
本例是小麥在高溫處理下，植株含水量的時(shí)間動(dòng)力學(xué)變化可以通過NIR成像直觀的反映處來，并進(jìn)行定量分析。
利用紅外（IR）成像檢測(cè)植物溫度差異
紅外成像，也叫熱成像，用于檢測(cè)植株的溫度變化。由于植株溫度與植物的蒸騰作用和含水量密切相關(guān)，因此紅外成像常用于干旱脅迫研究、群體蒸騰等領(lǐng)域。
利用紅外成像反映小麥氣孔的關(guān)閉
照光時(shí)氣孔開放，葉片進(jìn)行蒸騰作用。關(guān)光4 min后就檢測(cè)到葉片溫度的顯著上升，說明氣孔開始關(guān)閉。Scanalyzer 3D系統(tǒng)可以靈敏的檢測(cè)氣孔狀態(tài)。
靜態(tài)根密度分析
Scanalyzer 3D系統(tǒng)可以拍攝生長(zhǎng)在土柱中的植物根系可見光照片，軟件自動(dòng)分析土柱表層的根系。由于土柱的運(yùn)輸車下自帶程序控制的旋轉(zhuǎn)臺(tái)，就可以通過軟件控制自動(dòng)順序旋轉(zhuǎn)90度角來完成4個(gè)不同側(cè)面的成像，獲得更完善的根系信息。
根系動(dòng)態(tài)生長(zhǎng)分析
Scanalyzer 3D系統(tǒng)可以全自動(dòng)、高通量的拍攝植物根系照片，結(jié)合電子標(biāo)簽，就可以對(duì)特定編號(hào)的植物根系數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)間動(dòng)力學(xué)分析。從下圖中的結(jié)果可以看出，從第35-100天，根生長(zhǎng)最快，從表層有大量的根往下生長(zhǎng)，從第35-60天，澆水過量，導(dǎo)致底部很多根死亡。
鑒定非轉(zhuǎn)基因植物
噴灑農(nóng)藥后，沒有轉(zhuǎn)入抗農(nóng)藥基因的植物，可以通過顏色鑒定出來。
植物個(gè)體和群體的形態(tài)學(xué)應(yīng)用舉例
Scanalyzer 3D成像系統(tǒng)可以獲得大量的形態(tài)學(xué)參數(shù)，并且針對(duì)不同的材料，可以獲得有針對(duì)性的參數(shù)。下面是幾個(gè)例子：
植物開花過程的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)
由于絕大多數(shù)植物的花的顏色與莖葉不同，利用Scanalyzer 3D成像系統(tǒng)的高通量、全自動(dòng)、帶電子標(biāo)簽的特性，就可以自動(dòng)監(jiān)測(cè)植物是否開花、開花時(shí)間、花朵數(shù)目、花朵發(fā)育階段、花敗時(shí)間等信息。
