田間全天候、全自動監測植物表型！

高通量田間植物表型平臺FieldScan是專為田間表型研究設計的高通量植物表型平臺，可在任何環境條件下全天候測量。根據系統設計的大小，一套系統每天可測量上萬株植物，每小時通量可達5000株植物，可實現對植物生長和蒸騰（結合稱重系統）的精確測量，特別適合應用于抗旱或其他表型性狀的大規模篩選。不僅可直接掃描種植在田間土壤的植物，同時還可掃描盆栽植物。在采用盆栽植物培養時，可根據壓力傳感器跟蹤每株植物的重量，計算其蒸騰速率。

設計理念-在高通量與準確性之間平衡

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

在開發FieldScan時，我們的目標是提供一套可在任何環境下使用；每天可進行多次掃描；同時可剔除低質量數據的田間表型獲取系統。如果側重通量和靈活性，我們可以在田間使用拖拉機或UAV等移動設備。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移動設備，而高精度的測量僅適用于固定式的系統。為此我們需要開發一套能同時滿足高精度和高通量的移動平臺。

FieldScan的設計，采用移動式激光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，同時還能得到相對于其他技術更高的精度和通量。當然在需要時，也可以集成其他傳感器。在任何光照情況下，FieldScan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（取決于系統大小）進行10次重復測量，為用戶提供有價值的數據，方便了解植物在田間的生長情況。

技術原理

同時集成氣象等其他因子傳感器，對植物生長環境進行同步測量

應用領域 

• 在田間挖掘不同基因型的表型性狀

• 農藥、生長調節劑等化學品篩選，毒理學研究

• 植物表型研究

• 園藝生產管理，構建可查詢的檔案

• 植物育種研究

• 自動發芽試驗

• 植物抗逆性研究

• 施肥管理，構建最佳施肥方式

 主要功能

• 全自動、全天候在田間進行高通量植物表型測量

• IP67防護標準，可在全日照下工作

• 全自動獲取植物三維點陣云圖，并構建植物三維結構圖

• 通過WIFI傳輸數據，數據庫存儲

• 自動計算植物高度、單個葉片面積、總葉面積、葉片數目、植株數目、葉片角度、植物直徑、蓋度等參數

•  同時獲取植物生長環境參數，如：溫度、濕度、風速、風向、光合有效輻射、蒸騰等

• 允許用戶建立自己的算法并導入
  

• 專業軟件HortControl進行數據分析和管理
  

應用實例

國際熱帶半干旱地區作物研究所(ICRISAT)

共集成了8臺PlantEye，每小時可以對2000-3000株植物進行表型分析，一天的通量可以達到12000株。該系統將精準灌溉、表型分析、環境氣象等參數集成到一起，由PhenoSpex的軟件系統進行全方位自動控制。

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。

植物表型研究領域

• 國際熱帶半干旱地區作物研究所(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，進行抗旱研究。

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

• 瓦赫寧根大學，全球最著名的農業大學之一，主要用于甜椒、紅掌等的早期脅迫監測。

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

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

• 波恩大學，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節物質的篩選。

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

園藝領域

在園藝領域，通過調節施肥、生長調節物質、環境控制等方法可以改進、優化植物生長和作物管理。植物表型平臺PlantEye和管理軟件DocTool的結合使用有效優化作物管理，降低風險。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，顯著提高了產量。

• 荷蘭安祖（Anthura）公司，世界著名的種苗生產企業，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，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……

主要技術參數

• 最大測量植物數量：1萬株

• 通量：5000株/小時

• 集成傳感器：PlantEye,溫濕度傳感器, 光合有效輻射傳感器,風速風向傳感器,雨量傳感器, 負壓傳感器 (用于計算蒸騰，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XZ輪廓圖

• 信號接口：IN/OUT觸發信號接口

• 觸發選擇：感應開關，RFID，光學二維碼，外部信號（如定位系統），其它選擇可定制

• 測量參數：高度（平均高度和最高點）、獨立葉面積、總葉面積（冠層面積）、投影葉面積、蓋度、植物數目、葉片數目、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、風速風向、雨量、光合有效輻射等

• 數據下載：允許下載3D點陣云圖（原始數據）、植物生長數據和高度柱狀圖等。

• 數據傳輸：通過Wifi無線傳輸

• 數據壓縮：自動壓縮

• 遠程訪問：支持通過www遠程訪問（ssh協議）

• 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

• 光環境：耐受全日照輻射

• 防護等級：IP67

• PSX數據存儲方案

• 數據庫：PostgreSQL數據庫

• PSX低通量方案：準系統電腦（Barebone computer）

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

• HortControl數據管理系統

• 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據自動導入，用于集成導入其它環境或植物傳感器的數據

• 數據下載：允許下載數據（ASCI）進行進一步分析，允許導入/導出數據庫

• 檔案功能：具備檔案錄入、顯示，作物管理、實驗管理功能

• 統計功能：數據平均值和偏差值的統計分析

• 上載功能：能夠上載高通量平臺的實驗設置信息

• 報警功能：數據異常時報警

• 2D Mapping功能：對不同生長區域進行2D Mapping，用于定量分析