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Field-based Phenotyping 大田高通量作物表型成像分析技術(shù)方案
點(diǎn)擊次數(shù)：15 發(fā)布日期：2019-8-21
來源：本站 僅供參考，謝絕轉(zhuǎn)載，否則責(zé)任自負(fù)
本專輯主要介紹大田（野外）作物高通量、無損傷表型組學(xué)研究技術(shù)方案，以滿足野外大田作物不同實(shí)驗(yàn)研究、不同預(yù)算條件下作物遺傳育種（如抗性篩選等）、表型分析與表型大數(shù)據(jù)建設(shè)、生理生態(tài)研究（如脅迫生理等）、種質(zhì)資源保護(hù)與品種檢測(cè)鑒定、病害預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)等需求。 手持式、便攜式儀器無疑是野外大田作物表型分析性價(jià)比高、使用靈活方便的設(shè)備，如手持式FluorPen葉綠素?zé)晒鈨x、手持式SpectraPen/PolyPen高光譜儀、IQ智能手持式高光譜成像儀、FluorCam便攜式葉綠素?zé)晒獬上駜x、Thermo-RGB冠層溫度與彩色成像融合分析技術(shù)等，多種儀器可以進(jìn)行各種各樣組合成技術(shù)方案進(jìn)行配合使用，不僅可以在葉片水平上，而且可以在植物冠層水平上（如IQ智能手持式高光譜成像儀）進(jìn)行大田作物/植物無損傷表型測(cè)量分析與生理生態(tài)研究。 野外大田高通量作物表型成像分析技術(shù)方案主要有以下技術(shù)及方案：
PhenoDATA 表型分析傳感器技術(shù)
1、 Thermo-RGB可見光與紅外熱成像融合分析技術(shù)：用于成像分析作物冠層形態(tài)結(jié)構(gòu)及溫度動(dòng)態(tài)、陰影效應(yīng)等，包括覆蓋度、陽光照射葉片（SL）占比、陰影葉片（ShL）占比、土壤（Soil）占比及相應(yīng)溫度信息（最高溫度、最低溫度、平均溫度、溫度頻率直方圖等），還可以分析測(cè)量葉片顏色和形態(tài)如長、寬、面積、長寬比等等。可升級(jí)為Thermo-NDVI紅外熱成像與多光譜成像融合分析。
2、 SpectraScan高光譜成像分析技術(shù)：包括400-1000nm、600-1640nm、900-1700nm、1000-2500nm、400-2500nm及MWIR中波段紅外高光譜、LWIR長波段紅外高光譜等高端高光譜成像技術(shù)，及不同算法數(shù)據(jù)分析處理技術(shù)方案，全方位、大數(shù)據(jù)、高靈敏度、非損傷分析作物生理生化及形態(tài)結(jié)構(gòu)功能表型數(shù)據(jù)，如基于植物光譜反射指數(shù)的決策樹、冠層光譜特征與區(qū)分技術(shù)、SAM/SID快速檢測(cè)技術(shù)等等。
3、 SIF（陽光誘導(dǎo)葉綠素?zé)晒猓└吖庾V成像技術(shù)：由Specim公司與德國Juelich研究中心為歐洲太空局（ESA）地球探測(cè)項(xiàng)目（FLEX）研制的Hyplant傳感器（AisaIBIS），是世界上第一款商業(yè)化高光譜葉綠素?zé)晒獬上駜x，采用夫瑯和費(fèi)線深度法，可以檢測(cè)太陽輻射誘導(dǎo)葉綠素?zé)晒猓⊿un-induced Fluorescence），用于陸空雙基植物葉綠素?zé)晒飧吖庾V成像測(cè)量分析，可得到NDVI、EVI、F760（植物葉綠素?zé)晒猓┑葏?shù)。
4、 FluorCam葉綠素?zé)晒獬上窦夹g(shù)： 作物產(chǎn)量的提高需要同步化綜合評(píng)估作物形態(tài)性狀和生理性狀，高通量定量化作物生理狀態(tài)測(cè)量分析技術(shù)尤為重要，而葉綠素?zé)晒獬上窦夹g(shù)是監(jiān)測(cè)作物生理性狀表型的最適合的技術(shù) （德國植物遺傳與作物研究所IPK Henning Tschiersch教授等，2018）。作為作物生理性狀表型（光合生理生態(tài)、光合效率、適合度、脅迫與抗性檢測(cè)分析等）最靈敏的 探針 ，國際上幾乎所有的知名表型研究機(jī)構(gòu)都配備有FluorCam葉綠素?zé)晒獬上裨O(shè)備。由下面RGB成像（測(cè)量指標(biāo)為葉面積area）、FluorCam葉綠素?zé)晒獬上瘢y(cè)量指標(biāo)為熒光衰減指數(shù)Rfd）及高光譜成像（測(cè)量指標(biāo)為植被歸一化指數(shù)NDVI）結(jié)果可以看出，Rfd指數(shù)最為靈敏，在脅迫施加2小時(shí)后即可檢測(cè)出，RGB成像最不靈敏 20小時(shí)后才檢測(cè)出脅迫影響。
5、 PhenoCOSM 表型實(shí)驗(yàn)?zāi)M技術(shù)：基于SoilTron 小型蒸滲儀技術(shù)，在野外離體土壤柱體（與大田土壤隔離）或原位miniPlot植物培養(yǎng)情況下，模擬自然條件并利用綜合傳感器技術(shù)在線監(jiān)測(cè)環(huán)境因子如土壤水分、土壤溫度、營養(yǎng)鹽、空氣溫濕度、太陽輻射，及植物性狀如莖干生長、果實(shí)生長、光合作用、莖流、NDVI/PRI、葉綠素?zé)晒?、根系生長等。
6、 其它技術(shù)：包括激光掃描技術(shù)及NIR紅外成像技術(shù)等，前者用于作物形態(tài)結(jié)構(gòu)測(cè)量和3D點(diǎn)云建模，后者波段范圍900-1700nm，用于作物水分分布分析。 PlantScreen-R移動(dòng)式植物表型成像分析技術(shù)
PlantScreen-R移動(dòng)式植物表型分析系統(tǒng)（PlantScreen rover system）為知名大型移動(dòng)式葉綠素?zé)晒獬上裣到y(tǒng)（Rover FluorCam）的升級(jí)版，4個(gè)輪子帶驅(qū)動(dòng)，以便于大田移動(dòng)，適于溫室及野外大田作物原位表型成像分析測(cè)量，具備PlantScreen幾乎所有成像分析功能及表型大數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)庫等。標(biāo)配為RGB成像分析、FluorCam（35x35cm）葉綠素?zé)晒獬上穹治?，可選配高光譜成像、紅外熱成像、3D激光掃描等功能模塊，成像高度可調(diào)（標(biāo)配最高植株高度可達(dá)1m），是田間作物高通量表型分析、植物生理生態(tài)研究的重要儀器設(shè)備，可直接對(duì)野外植物或田間栽培作物進(jìn)行原位成像測(cè)量分析，還可與SoilTron多功能小型蒸滲儀配合使用，直接對(duì)SoilTron培養(yǎng)植物進(jìn)行成像分析。
PlantScreen野外高通量植物表型分析技術(shù)
建立對(duì)野外生長植物迅速、準(zhǔn)確、高通量非損傷多性狀表型分析能力，是21世紀(jì)作物遺傳育種面臨的最大挑戰(zhàn)（Andrade-Sanchez et al.2014, Furbank and Tester 2011, Houle et al. 2010）。野外高通量植物表型分析平臺(tái)對(duì)遺傳學(xué)、生物技術(shù)、作物育種，及作物對(duì)氣候變化、土壤、耕作管理的響應(yīng)研究監(jiān)測(cè)等，特別是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)、智慧農(nóng)業(yè)都具有無比重要的意義。
PlantScreen野外高通量植物表型分析平臺(tái)集成了自動(dòng)化控制系統(tǒng)、葉綠素?zé)晒獬上駵y(cè)量分析、植物熱成像分析、植物高光譜分析、RGB彩色成像分析及互聯(lián)網(wǎng)＋表型大數(shù)據(jù)平臺(tái)等現(xiàn)代先進(jìn)技術(shù)，以最優(yōu)化的方式實(shí)現(xiàn)野外植物原位高通量表型分析測(cè)量、植物脅迫響應(yīng)與作物抗性成像分析測(cè)量篩選、植物生長分析測(cè)量、性狀識(shí)別及植物生理生態(tài)分析研究等。作為全球第一家研制生產(chǎn)植物葉綠素?zé)晒獬上裣到y(tǒng)的廠家，PSI公司在植物表型成像分析領(lǐng)域處于全球的技術(shù)前列，大面積葉綠素?zé)晒獬上穹治龅瘸上穹治銎脚_(tái)使PlantScreen成為植物表型分析與功能成像分析的最為先進(jìn)的儀器設(shè)備。
PhenoPlot 輕便型作物/植物表型成像分析技術(shù)
PhenoPlot 輕便型植物表型成像分析系統(tǒng)由輕便型可移動(dòng)式表型掃描成像臺(tái)架、成像單元及分析軟件構(gòu)成，采用STP（sensor-to-plant）技術(shù)，成像單元可沿臺(tái)架橫軸左右自動(dòng)定位成像(樣帶式)，高度可調(diào)。標(biāo)準(zhǔn)配置包括Thermo-RGB成像分析、高光譜成像分析，可選配Thermo-NDVI成像分析、FluorCam葉綠素?zé)晒獬上駟卧騍IF太陽光誘導(dǎo)葉綠素?zé)晒飧吖庾V成像單元、PhenoCOSM生理生態(tài)實(shí)驗(yàn)?zāi)M監(jiān)測(cè)系統(tǒng)等。
PhenoCOSM集裝箱式植物培養(yǎng)與表型觀測(cè)技術(shù)
集裝箱式植物培養(yǎng)與表型觀測(cè)系統(tǒng)是在PSI集裝箱式生長艙（Growth Capsule）的基礎(chǔ)上，加配各種植物表型性狀傳感器組成的植物培養(yǎng)與表型觀測(cè)系統(tǒng)，可同時(shí)滿足植物培養(yǎng)與表型性狀的監(jiān)測(cè)，包括PAM脈沖調(diào)制葉綠素?zé)晒鈪?shù)監(jiān)測(cè)（反應(yīng)植物生理性狀）與OJIP快速熒光動(dòng)力學(xué)監(jiān)測(cè)，植物莖流、莖干生長、果實(shí)生長、光合作用、冠層溫度、NDVI/PRI（冠層光譜監(jiān)測(cè)）等形態(tài)與生理性狀監(jiān)測(cè)，及環(huán)境因子包括空氣溫濕度、光源、CO2、土壤水分調(diào)控監(jiān)測(cè)。整套系統(tǒng)采用集裝箱式設(shè)計(jì)，由一個(gè)獨(dú)立的單元或兩個(gè)單元組成，方便移動(dòng)運(yùn)輸,該系統(tǒng)意味著可以在任何地點(diǎn)、任何環(huán)境條件下進(jìn)行全天候生態(tài)環(huán)境模擬植物培養(yǎng)與表型性狀觀測(cè)，無需另建溫室等，是植物培養(yǎng)與表型觀測(cè)的 房車 。
PhenoUAS無人機(jī)遙感植物表型分析技術(shù)
PhenoUAS由易科泰自行研制的4旋翼或8旋翼專業(yè)遙感無人機(jī)平臺(tái)，搭載RGB成像、紅外熱成像、多光譜成像及高光譜成像單元組成的空基作物表型成像分析平臺(tái)，可與地面FluorPen葉綠素?zé)晒鈨x、SpectraPen或葉夾式PolyPen高光譜儀、IQ高光譜成像儀、LCi-T便攜式光合儀等組合使用，從葉片水平到冠層水平，全面、高通量、無損傷觀測(cè)分析植物表型。作為世界知名高光譜成像生產(chǎn)廠商Specim在中國的高光譜無人機(jī)應(yīng)用創(chuàng)新服務(wù)中心，易科泰生態(tài)技術(shù)公司及西安光譜成像與無人機(jī)遙感研究中心可以提供無人機(jī)遙感植物表型分析全面解決方案。
技術(shù)方案詳細(xì)內(nèi)容請(qǐng)點(diǎn)擊：
http://www.bio-equip.com/imgatl/2019/2019082139503720.pdf
本專輯主要介紹大田（野外）作物高通量、無損傷表型組學(xué)研究技術(shù)方案，以滿足野外大田作物不同實(shí)驗(yàn)研究、不同預(yù)算條件下作物遺傳育種（如抗性篩選等）、表型分析與表型大數(shù)據(jù)建設(shè)、生理生態(tài)研究（如脅迫生理等）、種質(zhì)資源保護(hù)與品種檢測(cè)鑒定、病害預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)等需求。 手持式、便攜式儀器無疑是野外大田作物表型分析性價(jià)比高、使用靈活方便的設(shè)備，如手持式FluorPen葉綠素?zé)晒鈨x、手持式SpectraPen/PolyPen高光譜儀、IQ智能手持式高光譜成像儀、FluorCam便攜式葉綠素?zé)晒獬上駜x、Thermo-RGB冠層溫度與彩色成像融合分析技術(shù)等，多種儀器可以進(jìn)行各種各樣組合成技術(shù)方案進(jìn)行配合使用，不僅可以在葉片水平上，而且可以在植物冠層水平上（如IQ智能手持式高光譜成像儀）進(jìn)行大田作物/植物無損傷表型測(cè)量分析與生理生態(tài)研究。 野外大田高通量作物表型成像分析技術(shù)方案主要有以下技術(shù)及方案：
PhenoDATA 表型分析傳感器技術(shù)
1、 Thermo-RGB可見光與紅外熱成像融合分析技術(shù)：用于成像分析作物冠層形態(tài)結(jié)構(gòu)及溫度動(dòng)態(tài)、陰影效應(yīng)等，包括覆蓋度、陽光照射葉片（SL）占比、陰影葉片（ShL）占比、土壤（Soil）占比及相應(yīng)溫度信息（最高溫度、最低溫度、平均溫度、溫度頻率直方圖等），還可以分析測(cè)量葉片顏色和形態(tài)如長、寬、面積、長寬比等等。可升級(jí)為Thermo-NDVI紅外熱成像與多光譜成像融合分析。
2、 SpectraScan高光譜成像分析技術(shù)：包括400-1000nm、600-1640nm、900-1700nm、1000-2500nm、400-2500nm及MWIR中波段紅外高光譜、LWIR長波段紅外高光譜等高端高光譜成像技術(shù)，及不同算法數(shù)據(jù)分析處理技術(shù)方案，全方位、大數(shù)據(jù)、高靈敏度、非損傷分析作物生理生化及形態(tài)結(jié)構(gòu)功能表型數(shù)據(jù)，如基于植物光譜反射指數(shù)的決策樹、冠層光譜特征與區(qū)分技術(shù)、SAM/SID快速檢測(cè)技術(shù)等等。
3、 SIF（陽光誘導(dǎo)葉綠素?zé)晒猓└吖庾V成像技術(shù)：由Specim公司與德國Juelich研究中心為歐洲太空局（ESA）地球探測(cè)項(xiàng)目（FLEX）研制的Hyplant傳感器（AisaIBIS），是世界上第一款商業(yè)化高光譜葉綠素?zé)晒獬上駜x，采用夫瑯和費(fèi)線深度法，可以檢測(cè)太陽輻射誘導(dǎo)葉綠素?zé)晒猓⊿un-induced Fluorescence），用于陸空雙基植物葉綠素?zé)晒飧吖庾V成像測(cè)量分析，可得到NDVI、EVI、F760（植物葉綠素?zé)晒猓┑葏?shù)。
4、 FluorCam葉綠素?zé)晒獬上窦夹g(shù)： 作物產(chǎn)量的提高需要同步化綜合評(píng)估作物形態(tài)性狀和生理性狀，高通量定量化作物生理狀態(tài)測(cè)量分析技術(shù)尤為重要，而葉綠素?zé)晒獬上窦夹g(shù)是監(jiān)測(cè)作物生理性狀表型的最適合的技術(shù) （德國植物遺傳與作物研究所IPK Henning Tschiersch教授等，2018）。作為作物生理性狀表型（光合生理生態(tài)、光合效率、適合度、脅迫與抗性檢測(cè)分析等）最靈敏的 探針 ，國際上幾乎所有的知名表型研究機(jī)構(gòu)都配備有FluorCam葉綠素?zé)晒獬上裨O(shè)備。由下面RGB成像（測(cè)量指標(biāo)為葉面積area）、FluorCam葉綠素?zé)晒獬上瘢y(cè)量指標(biāo)為熒光衰減指數(shù)Rfd）及高光譜成像（測(cè)量指標(biāo)為植被歸一化指數(shù)NDVI）結(jié)果可以看出，Rfd指數(shù)最為靈敏，在脅迫施加2小時(shí)后即可檢測(cè)出，RGB成像最不靈敏 20小時(shí)后才檢測(cè)出脅迫影響。
5、 PhenoCOSM 表型實(shí)驗(yàn)?zāi)M技術(shù)：基于SoilTron 小型蒸滲儀技術(shù)，在野外離體土壤柱體（與大田土壤隔離）或原位miniPlot植物培養(yǎng)情況下，模擬自然條件并利用綜合傳感器技術(shù)在線監(jiān)測(cè)環(huán)境因子如土壤水分、土壤溫度、營養(yǎng)鹽、空氣溫濕度、太陽輻射，及植物性狀如莖干生長、果實(shí)生長、光合作用、莖流、NDVI/PRI、葉綠素?zé)晒?、根系生長等。
6、 其它技術(shù)：包括激光掃描技術(shù)及NIR紅外成像技術(shù)等，前者用于作物形態(tài)結(jié)構(gòu)測(cè)量和3D點(diǎn)云建模，后者波段范圍900-1700nm，用于作物水分分布分析。 PlantScreen-R移動(dòng)式植物表型成像分析技術(shù)
PlantScreen-R移動(dòng)式植物表型分析系統(tǒng)（PlantScreen rover system）為知名大型移動(dòng)式葉綠素?zé)晒獬上裣到y(tǒng)（Rover FluorCam）的升級(jí)版，4個(gè)輪子帶驅(qū)動(dòng)，以便于大田移動(dòng)，適于溫室及野外大田作物原位表型成像分析測(cè)量，具備PlantScreen幾乎所有成像分析功能及表型大數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)庫等。標(biāo)配為RGB成像分析、FluorCam（35x35cm）葉綠素?zé)晒獬上穹治?，可選配高光譜成像、紅外熱成像、3D激光掃描等功能模塊，成像高度可調(diào)（標(biāo)配最高植株高度可達(dá)1m），是田間作物高通量表型分析、植物生理生態(tài)研究的重要儀器設(shè)備，可直接對(duì)野外植物或田間栽培作物進(jìn)行原位成像測(cè)量分析，還可與SoilTron多功能小型蒸滲儀配合使用，直接對(duì)SoilTron培養(yǎng)植物進(jìn)行成像分析。
PlantScreen野外高通量植物表型分析技術(shù)
建立對(duì)野外生長植物迅速、準(zhǔn)確、高通量非損傷多性狀表型分析能力，是21世紀(jì)作物遺傳育種面臨的最大挑戰(zhàn)（Andrade-Sanchez et al.2014, Furbank and Tester 2011, Houle et al. 2010）。野外高通量植物表型分析平臺(tái)對(duì)遺傳學(xué)、生物技術(shù)、作物育種，及作物對(duì)氣候變化、土壤、耕作管理的響應(yīng)研究監(jiān)測(cè)等，特別是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)、智慧農(nóng)業(yè)都具有無比重要的意義。
PlantScreen野外高通量植物表型分析平臺(tái)集成了自動(dòng)化控制系統(tǒng)、葉綠素?zé)晒獬上駵y(cè)量分析、植物熱成像分析、植物高光譜分析、RGB彩色成像分析及互聯(lián)網(wǎng)＋表型大數(shù)據(jù)平臺(tái)等現(xiàn)代先進(jìn)技術(shù)，以最優(yōu)化的方式實(shí)現(xiàn)野外植物原位高通量表型分析測(cè)量、植物脅迫響應(yīng)與作物抗性成像分析測(cè)量篩選、植物生長分析測(cè)量、性狀識(shí)別及植物生理生態(tài)分析研究等。作為全球第一家研制生產(chǎn)植物葉綠素?zé)晒獬上裣到y(tǒng)的廠家，PSI公司在植物表型成像分析領(lǐng)域處于全球的技術(shù)前列，大面積葉綠素?zé)晒獬上穹治龅瘸上穹治銎脚_(tái)使PlantScreen成為植物表型分析與功能成像分析的最為先進(jìn)的儀器設(shè)備。
PhenoPlot 輕便型作物/植物表型成像分析技術(shù)
PhenoPlot 輕便型植物表型成像分析系統(tǒng)由輕便型可移動(dòng)式表型掃描成像臺(tái)架、成像單元及分析軟件構(gòu)成，采用STP（sensor-to-plant）技術(shù)，成像單元可沿臺(tái)架橫軸左右自動(dòng)定位成像(樣帶式)，高度可調(diào)。標(biāo)準(zhǔn)配置包括Thermo-RGB成像分析、高光譜成像分析，可選配Thermo-NDVI成像分析、FluorCam葉綠素?zé)晒獬上駟卧騍IF太陽光誘導(dǎo)葉綠素?zé)晒飧吖庾V成像單元、PhenoCOSM生理生態(tài)實(shí)驗(yàn)?zāi)M監(jiān)測(cè)系統(tǒng)等。
PhenoCOSM集裝箱式植物培養(yǎng)與表型觀測(cè)技術(shù)
集裝箱式植物培養(yǎng)與表型觀測(cè)系統(tǒng)是在PSI集裝箱式生長艙（Growth Capsule）的基礎(chǔ)上，加配各種植物表型性狀傳感器組成的植物培養(yǎng)與表型觀測(cè)系統(tǒng)，可同時(shí)滿足植物培養(yǎng)與表型性狀的監(jiān)測(cè)，包括PAM脈沖調(diào)制葉綠素?zé)晒鈪?shù)監(jiān)測(cè)（反應(yīng)植物生理性狀）與OJIP快速熒光動(dòng)力學(xué)監(jiān)測(cè)，植物莖流、莖干生長、果實(shí)生長、光合作用、冠層溫度、NDVI/PRI（冠層光譜監(jiān)測(cè)）等形態(tài)與生理性狀監(jiān)測(cè)，及環(huán)境因子包括空氣溫濕度、光源、CO2、土壤水分調(diào)控監(jiān)測(cè)。整套系統(tǒng)采用集裝箱式設(shè)計(jì)，由一個(gè)獨(dú)立的單元或兩個(gè)單元組成，方便移動(dòng)運(yùn)輸,該系統(tǒng)意味著可以在任何地點(diǎn)、任何環(huán)境條件下進(jìn)行全天候生態(tài)環(huán)境模擬植物培養(yǎng)與表型性狀觀測(cè)，無需另建溫室等，是植物培養(yǎng)與表型觀測(cè)的 房車 。
PhenoUAS無人機(jī)遙感植物表型分析技術(shù)
PhenoUAS由易科泰自行研制的4旋翼或8旋翼專業(yè)遙感無人機(jī)平臺(tái)，搭載RGB成像、紅外熱成像、多光譜成像及高光譜成像單元組成的空基作物表型成像分析平臺(tái)，可與地面FluorPen葉綠素?zé)晒鈨x、SpectraPen或葉夾式PolyPen高光譜儀、IQ高光譜成像儀、LCi-T便攜式光合儀等組合使用，從葉片水平到冠層水平，全面、高通量、無損傷觀測(cè)分析植物表型。作為世界知名高光譜成像生產(chǎn)廠商Specim在中國的高光譜無人機(jī)應(yīng)用創(chuàng)新服務(wù)中心，易科泰生態(tài)技術(shù)公司及西安光譜成像與無人機(jī)遙感研究中心可以提供無人機(jī)遙感植物表型分析全面解決方案。
技術(shù)方案詳細(xì)內(nèi)容請(qǐng)點(diǎn)擊：
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