植物高光谱高通量表型测量系统

TraitViewer植物高光谱高通量表型测量系统是由荷兰著名的自动化公司Synchron Lab Automation制造，适用于植物表型成像分析的高通量平台。该平台可实高通量对盆栽植物进行植物表型成像，进行植物表型组学分析。通过软件对传送系统进行控制，能够定时将特定类型植株传送至特定区域。对植物进行表型成像，通过专业软件分析获得植物的结构、宽度、密度、对称性、叶长、叶宽、叶面积、含水量分析等相关参数，全面分析植物表型性状信息；通过软件控制对植物进行自动浇水和称重，用以研究不同浇水量对植物生长的影响，以及水分与植物生物量之间的关系。

基本参数

l  用途：

高通量对盆栽植物进行植物表型成像，进行植物表型组学分析。通过软件对传送系统进行控制，能够定时将特定类型植株传送至特定区域。对植物进行表型成像，通过专业软件分析获得植物的结构、宽度、密度、对称性、叶长、叶宽、叶面积、含水量分析等相关参数，全面分析植物表型性状信息；通过软件控制对植物进行自动浇水和称重，用以研究不同浇水量对植物生长的影响，以及水分与植物生物量之间的关系。

l  可见光成像系统：

Ø  摄像头数目：2个，一个顶部，一个侧面

Ø  分辨率：顶部镜头：1980 x 1690像素；侧面镜头：2919 x 2089像素

Ø  图像传感器：顶部镜头：2/3英寸，3.45mm x 3.45μm；侧面镜头：4/3英寸，5.5mm x 5.5μm

Ø  界面：Vimba GigE Vision

Ø  镜头卡口：顶部镜头：C接口；侧面镜头：F接口

Ø  每秒帧数：顶部镜头：9fps；侧面镜头：14.7fps

Ø  图像位深度： 8/12 bit RAW Color

Ø  工作环境：顶部镜头：5°C -45°C；侧面镜头-20°C -60°C

Ø  UV防护：可耐受全日照的UV强度

Ø  电路防护等级：IP67

Ø  平均寿命2500 h

l  近红外成像系统：

Ø  摄像头数目：2个，一个顶部，一个侧面

Ø  分辨率：636 x 508像素

Ø  图像传感器：非标准传感器，25mm x 25μm

Ø  界面：Vimba GigE Vision

Ø  镜头卡口：C接口

Ø  每秒帧数：100fps

Ø  图像位深度： 8/12 bit RAW

Ø  工作环境：-20°C -55°C

Ø  UV防护：可耐受全日照的UV强度

Ø  电路防护等级：IP67

Ø  平均寿命2500 h

l  成像暗房：

Ø  成像暗房以串联方式安装在传送带上，测量样品是依次通过不同成像暗室进行测量，样品成像台可从0°-360°任意角度旋转

Ø  高度450cm，植物成像最大高度280cm（从传送带至成像单元）

l  电脑工作站

Ø  处理器：Intel® Core™ 2 双核处理器E7400 (2.8GHz, 3M, 1066MHz FSB)

Ø  操作系统：正版Windows® 7，32位，英语，无媒体

Ø  内存：4GB DDR3 Non-ECC SDRAM，1333MHz（2 DIMM）

Ø  引导硬盘：500GB SATA 3.0Gb/s and 16MB DataBurst Cache™

Ø  第二硬盘：500GB SATA 3.0Gb/s and 16MB DataBurst Cache™

Ø  硬盘模式：RAID 1

Ø  显卡：Integrated Video, Intel® GMA 4500, DisplayPort/ VGA

Ø  显示器：24”全高清纯平

Ø  键盘：戴尔KB212-B USB 104 无声键盘，英语

Ø  鼠标：戴尔MS111 USB 光电鼠标

Ø  能源智能选项：戴尔智能电源管理设备启动

Ø  电源：高达88%的高效电力供应

Ø  安全硬件：机箱入侵开关选项

l  机柜

Ø  静态负荷能力：1500 lbs (0.68 公吨)

Ø  高度：47.3" (1202mm)

Ø  宽度：23.8" (605mm)

Ø  深度：42.1" (1070mm)

Ø  重量：209 lbs (95 kg)

Ø  特性：可移动的“tail-bars”；双后门和单锁机制；可反转前门；可移动前后门；旋转后脚轮；易于进入的整平脚

l  交换机

Ø  16端口交换机

Ø  交换机能够从小型工作组扩展成聚合解决方案，以满足具有千兆以太网需求

Ø  使用铜端口和短电缆，能够降低能耗高达64%，同时具有节能功能，如果检测到某个端口具有未使用或者已关闭的设备，交换机能够自动降低这个端口的功耗，既节约能源又降低成本

l  磁带库

Ø  2U方案

Ø  远程Web管理：执行诊断，检查状态，监控操作和日志，升级固件

Ø  磁带库管理加密（仅在LTO4和LTO5可选）

l  数据库服务器

Ø  Dell PowerEdge™ R630能够在空间敏感环境中实现最大化计算能力

Ø  依靠高密度2接口1U机架设计和新一代服务器处理技术提供杰出的运算能力

Ø  借助英特尔®至强®E5处理能力和4个DIMM，显著提升应用程序性能。英特尔®至强®E5处理器采用32纳米处理技术构建，提供8个核心，可实现计算密集型任务的超快处理

l  直连式存储阵列

Ø  6Gb/s SAS环境下无缝扩展服务器容量

Ø  支持主流应用，如电子邮件、磁盘备份、视频流

Ø  配置和多功能驱动程序非常适合于投资保护和数据分层

l  超小型机架服务器

Ø  业务价值：提供一系列具有非凡价值的选项，具备运行应用程序和促进数据共享和保护所需的性能和功能

Ø  易于管理：Dell™生命周期控制器是一种可选的高级嵌入式管理引擎，能够自动执行常见的管理任务，并以零介质、低干预的方式实现高效、安全、用户友好的部署

Ø  灵活、安全的技术：内置冗余硬盘、加密、安全和数据保护选项及低功耗电源，易于部署

l  戴尔机架式在线UPS

Ø  适用于2700瓦到5600瓦数据中心的易于安装、易于管理的Dell™ UPS

Ø  简化的集成：凭借ReadyRail™安装和匹配的设计，戴尔UPS可以与戴尔服务器和网络设备轻松集成

Ø  简单的控制：每台戴尔UPS都装有电源管理软件，该软件提供多种控制选项方便您使用

l  传送系统

Ø  材质：铝型材，由挤压阳极氧化铝组成；传送带，由抗静电的聚酰胺（PA）涂层织物组成；传动皮带，由抗静电或正常的聚氨酯（PU）和尼龙护套组成；耐蚀钢材或者不锈钢作为紧固件和连接件；NBR和氟橡胶用于弹性密封

Ø  支架高度：800 mm

Ø  支撑腿尺寸：直径8 cm

Ø  单条支撑腿承重：1000 kg，变幅+/- 100 kg

Ø  操作温度：+5～+40°C；-5～+60°C时，负荷下降20%（8KG）

Ø  辐射温度：60℃的表面温度并非系统的临界温度，如果必要的话，还需要考虑组件间适当的伸缩缝隙。这些并不会影响传送系统的功能

Ø  相对湿度：5～90%，不结露，系统所有组件都可以在喷水条件下使用

Ø  气压： > 84 kPa，海拔< 1400 m，当系统建在海拔大于1400 m的地方时，传送带负载值降低15%

Ø  IP-防护等级：IP54，以下部件防护等级可达IP67：IO模块、传送带马达、传感器、阀岛和接线盒

Ø  环境可持续性：传送系统所用材料均具有环境可持续性，甚至可以再次循环利用（如果组件被改装后替换）

Ø  指令和条例：遵从以下条件建造：机械指令（2006/42/EG）、低电压指令（2006/95/EG）、电磁兼容性指令（EMC）（2004/108/EG）

Ø  循环式推进传送系统：接收来自加载传送系统的植物，依次运输到成像暗房中进行3D成像，然后将植物送回到加载传送系统上

Ø  可升级性：传送系统为模块化配置，并能够在后续进行升级扩展，以达到增加通量之目的

Ø  兼容性：传送系统能够允许在其适当位置集成增加自动浇水和称重装置、营养盐添加装置、喷淋装置等的一种或几种

Ø  电子识别：通过RFID射频标记（192比特）识别传送车

Ø  传送速度：9 m/min

Ø  可靠性：99%

Ø  供电：380 V / 37 KW三相电

Ø  马达：为传送带运转提供动力，6 m /个，380 V / 37KW三相电

l  传送车：

Ø  材质：铝合金

Ø  顶部尺寸：400 x 400 mm

Ø  设计：上下两侧平板式设计，四角由铝合金柱固定。上部开圆洞用于放入电子识别育苗盆。底部四角有四个突出点，用于在传送带上运转时固定住。底部开凹槽，用于在传送带上转弯时辅助固定，和在成像系统内部的精确定位

l  自动灌溉系统：

Ø  水泵类型：蠕动泵

Ø  水管材质 ：Marprene TH，Bioprene TH，Sta-Pure

Ø  抗腐蚀性：工业级抗腐蚀

Ø  工作湿度：10-100%

Ø  噪音：< 70 dB(A) in 1 m

Ø  标准：CE，cETLus

Ø  水管接头尺寸：3/8”

l  自动称重系统：

Ø  安全防护标准：IP65

Ø  刻度：1 g

Ø  校正值：2 g

Ø  称重范围：5-25 000 g

l  软件：

Ø  核心软件系统：是整个高通量植物表型平台运转、控制、数据获取和分析的核心，是平台所有软件的主要框架。可通过核心软件系统访问所有成像图片，分析结果和最终数据，同时显示成像时或图像分析时的参数设置，保证了数据的完整性。所有软件模块的集成可提供一个完整的表型分析的工作流程：从数据采集，图像分析到离线分析软件中的统计结果，整个过程可追溯，从而避免人为误差。从准备实验，开始实验，控制运行到最后的分析，核心软件系统都为这些任务提供了初始界面，同时为操作者提供补充解释功能和选项功能。

Ø  多用户管理：能够创建和管理系统用户

Ø  软件组界面：提供主界面，并提供访问其它软件模块的通道，包括数据库管理软件、硬件控制软件、图像处理软件、数据统计和处理软件等等

Ø  树状视图：全面概述所有采集到的图像，以及附加元数据，如图像分析、重量、灌溉信息等

Ø  项目过滤功能：能对显示的项目进行过滤, 有助于研究人员从存储的成千上万图像中对感兴趣的样本进行追踪。例如通过Snapshot进行滤，可显示特定性状或单个植株的所有信息，可显示某个特定实验或者某个特定研究人员的实验结果等

Ø  选项排序功能：满足通过时间排序、ID排序、实验排序、研究人员排序等来查找信息的功能

Ø  浏览模式：提供对表型数据的快速查看和手动查看，既可以查看单一的成像信息并浏览图像分析结果，又可以进行多视图信息浏览，对同一植株不同成像模块获取的图片进行差异性或相关性研究

Ø  任务制定和浏览功能：能够浏览所有目前和计划中的任务，包括已分析的图像和待分析的图像，编辑和预览不同植株的成像工作计划，制定灌溉计划、制定工作计划、制定维护就计划等

Ø  植株追踪功能：对传送系统上的所有植株位置进行精确定位，所有植株在温室里面的空间分布信息可存储并进行植物表型计算。植株的运动通过后台软件进行仿真模拟，并进行实际运动控制。在成像或灌溉前，实现RFID读取，并不断对数据信息进行更新

Ø  系统控制软件模块：控制整套系统的运转，包括成像和成像分析、灌溉和称重、喷淋、植株在传送系统上的随机分布、从数据库导入大批量数据、分配成像模式、控制花盆的位置、打开/关闭照明系统和散热系统等等。成像设置功能：根据成像单元的功能和应用，设置最佳的成像参数和照明参数

Ø  图像处理软件模块：利用图形化编程语言可以建立不同算法的连接，形成图像处理直观图形化。创建一个图像处理的流程线路，从原始图像中提取所需的属性

Ø  处理功能：为实现高通量的图像处理，可先建立一个图像处理程序（Grid），并可将此Grid应用于所有的图像处理

Ø  图像处理结果： 株型参数：投影面积、冠幅宽度、垂直高度、开展度、紧密度、周长、偏心率、圆度、颜色分级、病斑分析、外接多边形周长、外接多边形面积、最小外接矩形面积等参数。叶片参数：叶长、叶宽、叶周长、叶面积、叶柄长度、叶片角度、叶颜色、绿色程度值、叶片相对含水量分布、叶片图像提取等指标（无遮挡情况下可测量）。茎秆参数：株高、节间数目、节间长度、茎粗、茎秆面积、茎秆颜色、茎秆相对水分分布、分枝长度、分枝宽度、茎秆图像提取等指标（无遮挡情况下可测量）。花型参数：花径、花面积、花朵图像提取等指标（无遮挡情况下可测量）。果实参数：果形性状、果实纵径、果实横径、果实颜色分级、果实图像提取等。通过颜色分级进行果实成熟度比较。玉米有专门设计的骨架分析程序，分析植物结构、叶角度、节间长度、叶长等参数，其他结构类似玉米的植物，可以套用此方法分析。拟南芥有专门设计的分析模块，可对拟南芥每片叶进行分析，其他结构类似拟南芥的植物，可以套用此方法分析。还可分析外接多边形周长、最小外接圆直径、最小外接矩形面积、、边界点数、边界圆形点数、边界点与面积比、质心到边界的距离、质心X、质心Y、X轴长度、Y轴长度等等 50 多个参数

Ø  离线分析软件模块：从数据库里提取数据并分析，将图像分析数据与其他实验数据结果转化成生物相关的信息，并进行后续的统计分析

Ø  数据查询标准：满足样品标号或测试系统或用户的查询、整个实验过程的控制数据的查询、一次实验的所有结果查询、一个用户的所有实验结果等功能

Ø  数据查询逻辑：查询指令的组合命令包括“和”、“或者”、“大于”、“小于”、“等于”、“不包括”、“总和”等

Ø  性状分析功能：可以实现基于颜色通过SQL对性状进行存储、对三个方向上的坏死、萎黄、病变叶面积进行统计、可自定义颜色手动校正并进行备注、可辨别颜色的微变化、可自动选择、可自定义标准、可通过相对值或绝对值来评估性状等功能（无遮挡情况下可测量）

Ø  便携性功能：本软件模块内置在加密狗USB中，能够在调用图像数据后，不需连接服务器即可进行离线分析

Ø  数据库软件模块：作为中央数据库，为所有的软件模块提供界面。过服务器以FTP形式管理图片，通过SQL管理其他实验以及不同实验的元数据

Ø  管理功能：迅速的处理大批量数据，数据库软件模块提供特定的管理功能，包括对不同实验或者不同工作组的实验数据进行细分，复制、共享图像或结果，数据保护、避免覆盖，对某些数据设置限制访问、设定不同级别的用户不同的权限等

Ø  远程共享软件模块：远程交换数据和分析

l  植物生理生态监测系统

Ø  主机数据采集器：输入通道数5个，可扩展到300个模拟输入；分辨率18bit；采样频率：10ms~1day；支持SDI-12传感器网络；内存128MB（约5000000个数据点）；可进行数学、三角函数、比例及相关曲线、逻辑来计算模拟、数字通道的传感器的值；RS232接口，有PC进行数据通讯；U盘下载数据功能；可连续自动记录所有的监测传感器和叶绿素荧光的数据

Ø  光合-荧光连续监测传感器：

Ø  测量头测量光源：蓝色LED，波峰450 nm，带宽18 nm。样品架上接收到的测量光强度为0.1-1 μmol m^-2 s^-1 PAR（低调制频率5-25 Hz时）或1－15 μmol m^-2 s^-1 PAR（高调制频率100－500 Hz时）

Ø  光化光源：蓝色LED，波峰450 nm，带宽18 nm。样品夹上的最大连续光化光强度1500 μmol m^-2 s^-1 PAR

Ø  饱和脉冲光源：蓝色LED，波峰450 nm，带宽18 nm。样品夹上的最大饱和脉冲强度3500 μmol m^-2 s^-1 PAR

Ø  信号检测：带长通滤光片的PIN-光电二极管，带选择性锁相放大器（专利设计），用于检测调制叶绿素荧光信号

Ø  监测参数：Fo、Fm、Fm’、F、Fo’（calculated）、Fv/Fm、DF/Fm’、qP、qL、qN、NPQ、Y(NO)、Y(NPQ)、PAR和温度等

Ø  设计：全防水的铝合金柱状外壳，适合长期放置野外连续监测；一端带透明光学窗，用于发出测量光、光化光和饱和脉冲，以及返回叶绿素荧光和光合有效辐射。特殊设计的叶夹，可以轻轻夹住叶片，固定样品夹与测量头的距离。测量头与样品夹之间成120度角（保证不遮光）

Ø  相对温湿度传感器：测量范围：0-100%，精度：±3%，温度范围:-50℃-50℃，精度：±0.1℃

Ø  光合有效辐射传感器：测量范围：400-700nm，灵敏度10.0mV/mmol•m^-2•s^-1，精度：±5%

Ø  茎杆微变化传感器：测量范围：≥0-5mm      测量直径范围：20-70mm；精度：0.005mm

Ø  土壤水分/温度/电导率传感器：介电常数：1～78（空气＝1，蒸馏水＝78），精度：±1.5%或0.2（取二者中的大值）；土壤水分：干至饱和，精度：±3%；土壤电导率：0.01～1.5 S/m，精度：±2.0%或0.005 S/m（取二者中的大值）；土壤温度测量范围：-15～65℃，精度：±0.1℃

l  植物多光谱培养系统

Ø  LED数量：240个

Ø  光谱范围： 450nm、660nm、735nm、5700K

Ø  光强：最大862umol/m2/s

Ø  连续控光性：0-100%

Ø  平均使用寿命：50,000小时

Ø  网络参数：RJ45，10/100MBit IPv4以太网和Wifi 802.11 b/g

Ø  DHCP：DHCP用于IP地址管理

Ø  Web UI：HTTP网站界面

Ø  网络连接：Wifi或/和以太网

Ø  状态显示器：具有LED显示电量或系统状态

Ø  散热：可调散热装置，风扇在40°C、60%相对湿度条件下可持续运行70,000小时

Ø  认证：CE、RoHS、REACH、EN55015、MET