高通量田间植物表型平台FieldScan

田间全天候、全自动监测植物表型！

高通量田间植物表型平台FieldScan是专为田间表型研究设计的高通量植物表型平台，可在任何环境条件下全天候测量。根据系统设计的大小，一套系统每天可测量上万株植物，每小时通量可达5000株植物，可实现对植物生长和蒸腾（结合称重系统）的精确测量，特别适合应用于抗旱或其他表型性状的大规模筛选。不仅可直接扫描种植在田间土壤的植物，同时还可扫描盆栽植物。在采用盆栽植物培养时，可根据压力传感器跟踪每株植物的重量，计算其蒸腾速率。

设计理念-在高通量与准确性之间平衡

在现代植物研究与育种中，田间表型是表型组学最亟需发展的领域之一，一直面临着各种挑战。例如从全日照到夜间，温度的巨大变化和降雨等外界环境不仅影响测量技术，同时对植物也可能产生很大的影响。因此，对测量技术来讲，需要设定非常合理的信噪比以准确地获取表型信息；同时也需要在有限的时间段里，高通量地获取植物的表型信息；当然对环境因子的同步监测也十分必要。

在开发FieldScan时，我们的目标是提供一套可在任何环境下使用；每天可进行多次扫描；同时可剔除低质量数据的田间表型获取系统。如果侧重通量和灵活性，我们可以在田间使用拖拉机或UAV等移动设备。但为了获得毫米级的高精度测量，我们决定不再使用这些传统移动设备，而高精度的测量仅适用于固定式的系统。为此我们需要开发一套能同时满足高精度和高通量的移动平台。 

FieldScan的设计，采用移动式激光3D植物表型平台 PlantEye作为核心，并集成了其它多种传感器。PlantEye用于获取植物生长情况。通过3D的顶部成像，不仅能获得叶面积、叶倾角、冠层等参数，同时还能得到相对于其他技术更高的精度和通量。当然在需要时，也可以集成其他传感器。在任何光照情况下，FieldScan都能在不影响植物本身生长的情况下，每天能对上万株植物（取决于系统大小）进行10次重复测量，为用户提供有价值的数据，方便了解植物在田间的生长情况。

技术原理

同时集成气象等其他因子传感器，对植物生长环境进行同步测量

应用领域 

 主要功能

 测量结果示例

应用实例：国际热带半干旱地区作物研究所(ICRISAT)

共集成了8台PlantEye，每小时可以对2000-3000株植物进行表型分析，一天的通量可以达到12000株。该系统将精准灌溉、表型分析、环境气象等参数集成到一起，由PhenoSpex的软件系统进行全方位自动控制。

植株高度和分辨率

对PlantEye传感器而言，其测量的植株高度范围很广，但是对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。例如测量高度在0-30 cm的植株，分辨率为0.2 mm；测量高度在0-70 cm的植株，分辨率为0.4 mm；测量高度在0-120 cm的植株，分辨率为1 mm。更高的植株也可以测量，只是分辨率稍有下降。

软件系统

测量结果举例

获奖

核心传感器PlantEye系统荣获如下奖项：

代表用户

国际上很多的客户与PhenoSpex公司签有保密协议，不允许后者公开客户信息。这里仅仅列出了很少的一部分允许公开的用户信息。

植物表型研究领域

• 国际热带半干旱地区作物研究所(ICRISAT)，用于珍珠粟（pearl millet）、高粱、花生、鹰嘴豆等的超高通量表型测量，进行抗旱研究。

• Jülich研究中心（Research Center Jülich），欧洲最大的科研机构之一，主要做甜菜和其它作物的表型研究。

• 瓦赫宁根大学，全球最著名的农业大学之一，主要用于甜椒、红掌等的早期胁迫监测。

• 世界最大的特种肥料制造商Everris公司，用于缓释肥料的研发和作物管理。

• 德国Compo公司 (肥料公司) ，用于协助作物提高抗旱性和抗盐性的肥料筛选。

• 波恩大学，用于田间小麦和大麦的高通量表型测量。

• LVG Heidelberg（海德堡州立园艺研究院），用于园艺植物生长调节物质的筛选。

• 奥胡斯大学（University Aarhus），丹麦排名第二的大学，用于菊花、小麦和欧洲油菜（Brassica napus）的表型测量。

园艺领域

• 在园艺领域，通过调节施肥、生长调节物质、环境控制等方法可以改进、优化植物生长和作物管理。植物表型平台PlantEye和管理软件DocTool的结合使用有效优化作物管理，降低风险。下面列出的这些用户，采用这套方案大大降低了资源和成本的消耗，显著提高了产量。

• 荷兰安祖（Anthura）公司，世界著名的种苗生产企业，总部位于荷兰布雷斯克，主要从事红掌属植物和蝴蝶兰的育种与繁殖、盆花和切花种苗生产，在国际市场占有重要的地位。

• 丹麦Knud Jepsen育种公司，著名的“Queen”系列长寿花的研发单位。

• 德国Gartenbau Mosler公司

• 德国Hanka公司

• 德国Blumen Rieke公司

• 德国H?hing公司

• 德国Koster公司

• 其它不允许公开的用户……

主要技术参数

• 最大测量植物数量：1万株

• 通量：5000株/小时

• 集成传感器：PlantEye,温湿度传感器, 光合有效辐射传感器,风速风向传感器,雨量传感器, 负压传感器 (用于计算蒸腾，仅限盆栽)

• 测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

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

• 扫描波长：700-1100 mm

• 测量速率：每秒50个XZ轮廓图

• 信号接口：IN/OUT触发信号接口

• 触发选择：感应开关，RFID，光学二维码，外部信号（如定位系统），其它选择可定制

• 测量参数：高度（平均高度和最高点）、独立叶面积、总叶面积（冠层面积）、投影叶面积、盖度、植物数目、叶片数目、叶片倾斜角PHI（Φ）、叶片方位角THETA（θ）、莲座状植物（rosette plants）的直径、植物体积、蒸腾速率、温度、湿度、风速风向、雨量、光合有效辐射等

• 数据下载：允许下载3D点阵云图（原始数据）、植物生长数据和高度柱状图等。

• 数据传输：通过Wifi无线传输

• 数据压缩：自动压缩

• 远程访问：支持通过www远程访问（ssh协议）

• 工作温度：0-50℃

• 工作湿度：<90% RH

• 供电：12 VDC、24 VDC、230 VAC均可

• 激光安全等级：1M

• 光环境：耐受全日照辐射

• 防护等级：IP67

PSX数据存储方案

• 数据库：PostgreSQL数据库

• PSX低通量方案：准系统电脑（Barebone computer）

• PSX超供通量服务器方案：1U Intel Dual-CPU服务器（8 cores x 1GHz）, 8 GB；3 x 2000 GB硬盘；RAID 5控制器；1.5 TB磁带驱动器

HortControl数据管理系统

• 工作界面：通过浏览器登录工作

• 软件界面：提供不同界面用于数据自动导入，用于集成导入其它环境或植物传感器的数据

• 数据下载：允许下载数据（ASCI）进行进一步分析，允许导入/导出数据库

• 档案功能：具备档案录入、显示，作物管理、实验管理功能

• 统计功能：数据平均值和偏差值的统计分析

• 上载功能：能够上载高通量平台的实验设置信息

• 报警功能：数据异常时报警

• 2D Mapping功能：对不同生长区域进行2D Mapping，用于定量分析