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WIWAM植物表型成像系統(tǒng)由比利時SMO公司與Ghent大學(xué)VIB研究所研制生產(chǎn)，整合了LED植物智能培養(yǎng)、自動 化控制系統(tǒng)、葉綠素熒光成像測量分析、植物熱成像分析、植物近紅外成像分析、植物高光譜分析、植物多光譜分 析、植物CT斷層掃描分析、自動條碼識別管理、RGB真彩3D成像等多項先進技術(shù)，以較優(yōu)化的方式實現(xiàn)大量植物樣 品——從擬南芥、玉米到各種其它植物的生理生態(tài)與形態(tài)結(jié)構(gòu)成像分析，用于高通量植物表型成像分析測量、植 物脅迫響應(yīng)成像分析測量、植物生長分析測量、生態(tài)毒理學(xué)研究、性狀識別及植物生理生態(tài)分析研究等。

SMO是歐洲先進的機械設(shè)備制造與設(shè)計工程公司，是一家將大規(guī)模自動化理念和工業(yè)級零件和設(shè)備整合入 植物成像系統(tǒng)的廠家，在機械自動化以及機器視覺成像領(lǐng)域擁有豐富的設(shè)計和實踐經(jīng)驗，為歐洲先進客戶提供機械設(shè)計 解決方案，SMO公司將機械領(lǐng)域的先進理念帶入了植物表型機器人領(lǐng)域，所采用的配件均為工業(yè)界廣泛認可的高品質(zhì) 配件，耐受苛刻環(huán)境，另外表型設(shè)備領(lǐng)域的諸多自動化配件，均由SMO公司自主設(shè)計，因公司擁有較為強大的工程師 團隊，基于工業(yè)領(lǐng)域的豐富經(jīng)驗，可針對不同客戶需求，一般2-3周就可以提供較復(fù)雜表型成像系統(tǒng)的解決方案。目前 WIWAM植物表型平臺分為WIWAM XY，WIWAM Line以及WIWAM Conveyor 3個系列，同時還提供WIWAM Boxing柜 式成像系統(tǒng)，也提供野外表型成像系統(tǒng)設(shè)計方案。

植物表型成像系統(tǒng)WIWAM XY產(chǎn)品介紹

WIWAM XY是一款高通量可重復(fù)性表型機器人，用于對小型植物，如小玉米植物研究。該機器人可定期對多種植物參數(shù)進行自動化灌溉和并測量多種植物生長參數(shù)。WIWAM XY代替了很多手工處理、省時省錢、精度較高。

WIWAM XY由花盆定位桌面，不同獨立線路，上層機器人以及1個或多個成像或稱重、澆水站組成。全套系統(tǒng)可以安裝在現(xiàn)有生長室，內(nèi)置高品質(zhì)工業(yè)部件。

WIWAM XY是一款高通量可重復(fù)性表型機器人，用于對小型植物，如幼苗和小植物，如擬南芥植物研究。該機器人可定期對多種植物進行自動化灌溉和并測量多種植物生長參數(shù)。WIWAM XY代替了很多手工處理，省時省錢，精度極高。

WIWAM XY由花盆定位桌面，不同獨立線路，上層機器人以及1個或多個成像或稱重、澆水站組成。全套系統(tǒng)可以安裝在現(xiàn)有生長室，內(nèi)置高品質(zhì)工業(yè)部件。

植物在各自花盆內(nèi)生長，可預(yù)設(shè)時間間隔，機器臂選取植物，將其帶到成像和稱重澆水工作站。機器人在植物上方移動，依據(jù)程序定位花盆，并將其提升脫離桌面。RFID讀取裝置以及花盆底部的RFID標簽，可作為額外花盆識別之用，識別和校正桌面上因手工安置花盆造成的錯誤。通常側(cè)面取景照相機能從不同角度獲得圖像。成像站可安裝一系列照相機系統(tǒng)。稱重澆水站集成在機器臂上。花盆中植物在澆水時旋轉(zhuǎn)以獲得最佳水分布。灌溉精度極高可達±0.1mL。另外，灌溉可基于目標重量或固定量自動計算。在整個實驗過程中，可精確控制土壤濕度水準。集成光、溫度和濕度傳感器可用來監(jiān)控溫度，詳細記錄實驗生長條件。

WIWAM XY基本配置包括自動化XY移動操作系統(tǒng)、RGB成像、葉綠素成像，可選配高光譜成像、植物熱成像、植物近紅外成像、植物標識系統(tǒng)等，成像系統(tǒng)由自動化三維機械臂移動到植物上方進行成像分析等。

植物表型成像系統(tǒng)WIWAM XY產(chǎn)品特點

1、澆水時花盆旋轉(zhuǎn)以獲得較佳水分布

2、高精度灌溉(達0.1mL!).

3、植物表型成像系統(tǒng)WIWAM XY 可配置環(huán)境傳感器

4、植物表型成像系統(tǒng)WIWAM XY 配有直觀用戶界面

5、開放式數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)

6、可提供全定制系統(tǒng)

成像系統(tǒng)優(yōu)勢

所有表型平臺均為SMO工程部門自主設(shè)計、針對課題組的研究項目快速、準確提供技術(shù)方案，設(shè)備中諸多備件為自主生產(chǎn)和設(shè)計；公司軟件設(shè)計團隊針對具體項目提供有針對性的WIWAM定制軟件；SMO和VIB自主開發(fā)PIPPA 數(shù)據(jù)管理、視覺成像和分析軟件，系統(tǒng)有效處理整個實驗設(shè)計的大數(shù)據(jù)；PIPPA 軟件可安裝在網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器上（包括專有用戶管理系統(tǒng)），網(wǎng)絡(luò)中每個計算機均可操作；在PIPPA軟件內(nèi)，可集成整合外來分析數(shù)據(jù)和文本；易于獲取數(shù)據(jù)庫和原始圖像數(shù)據(jù)；與客戶自有IT技術(shù)設(shè)施進行整合；針對客戶對表型設(shè)備運行環(huán)境了解欠缺的事實，提供表型設(shè)備生長室、溫室建設(shè)交鑰匙設(shè)計方案，實現(xiàn)環(huán)境參數(shù)如 照明、溫度、濕度等控制，提供一站式表型研究解決方案；專門技術(shù)人員維護設(shè)備、定期指導(dǎo)維護硬件；代理密切溝通服務(wù)、提供支持反饋；自主電路設(shè)計、建筑內(nèi)電柜設(shè)計、機械電纜布線以及PLC管理所有室內(nèi)設(shè)施，將工業(yè)領(lǐng)域理念灌輸?shù)娇蒲兄?；多篇利用WIWAM系統(tǒng)進行研究的文章發(fā)表在先進期刊如Nature Biotechnology等上面；迅速增長的用戶群；采用開放式框架設(shè)計，可整合市面上的所以種類成像模塊。

應(yīng)用領(lǐng)域

遺傳資源和序列數(shù)據(jù)快速積累，但將該信息與基因功能相關(guān)聯(lián)的進程要緩慢的多，這表明植物表型是理解基因 編碼過程以及應(yīng)用該知識作物產(chǎn)量的主要瓶頸。表型工作是較耗勞力和較具技術(shù)挑戰(zhàn)性的部分，成本高且耗時。但該“表型瓶頸”已可通過集成新型圖像獲取技術(shù)、機器人技術(shù)、圖像分析技術(shù)以及數(shù)據(jù)處理技術(shù)解決。WIWAM 植物表型成像系統(tǒng)集成了這些技術(shù)，替代了很多人工處理。該植物表型平臺可應(yīng)用到多個研究領(lǐng)域，包括植物生 長調(diào)節(jié)、耐旱研究、植物生理、鹽堿或重金屬脅迫反應(yīng)等。也可在不同光照條件，營養(yǎng)水平或土壤類型下，研究化學(xué)物影響.

產(chǎn)品可選配模塊

可見光RGB成像模塊

可見光RGB成像是所有高通量植物表型平臺的核心部分，它分辨率高、測量快速、科研中應(yīng)用最多、發(fā)表文章最多，可以捕獲與植物生長和發(fā)育相關(guān)的大量參數(shù)。此外，它們可以提供植物形態(tài)和結(jié)構(gòu)的測量，并且包含顏色信息。參數(shù)如下：

葉面積

植物緊實度／緊密度

葉片周長

偏心率

葉圓度

葉寬指數(shù) 

葉片細長度SOL

植物圓直徑

植物質(zhì)心

節(jié)間距

生長高度

植物三維最大高度和寬度

葉傾角

節(jié)葉片數(shù)量

可見光RGB成像技術(shù)參數(shù)

分辨率：4008×2672像素

最大信噪比：41.3 dB

最大幀頻：39幀

雜散光敏感度：1/50000

輸出：24位RGB

擴展動態(tài)范圍：是，最高90 dB

敏感度：5,56 V/lux.s

暗電流：125 e-/s (25 degC)

轉(zhuǎn)換增益：0,075 LSB/e-

固定模式噪音：< 1 LSB (<0.1% of full swing)

完全充電：13500 e-

電源電壓：1.8V / 3.3V

暗噪音：13 e- (RMS)

功率：600 mW

動態(tài)范圍：60 dB

葉綠素熒光成像模塊

葉綠素熒光成像屬于定制化設(shè)計，成像面積范圍是從30x30cm到200x200cm，是目前適合大型植物植株成像的熒光成像系統(tǒng)。它可以頂部成像，也可以側(cè)面成像，甚至頂部和側(cè)面都成像；集成到高通量植物表型平臺中，進行高通量的光合表型測量。該模塊技術(shù)參數(shù)如下：Fo, FI, Fm, Ft, Fm’, FI’, Fo’, Fv/Fm, φPSII, φRO, NPQ, qN, qP, Rfd, NDVI,  RNIR, RChl, RAnth, RRed, RGreen, RBlue, Chl. Index, Ant. Index等。

葉綠素熒光成像技術(shù)參數(shù)

相機傳感器類型：CCD

相 機 分 辨 率 ：140萬像素

Binning：1 x 1到8 x 8

灰階：14比特或16 384級灰階

圖像采集速度：30幀/秒

圖像格式：16位RAW格式

光譜范圍：350～950 nm

鏡頭類型：8 mm定焦，4

光學(xué)濾光片：6種高質(zhì)量光學(xué)干涉濾光片，包括熒光、紅光、綠光、藍光、花青素和近紅外濾光片

數(shù)據(jù)傳輸方式：Ethernet

葉綠素熒光激發(fā)光源：光強0-1 000 umol m-2 s-1

光化光源：光強0-1 000 umol m-2 s-1

多光譜和彩色圖像光源：白色LED和近紅外LED

成像面積：30 cm x 30 cm到200 cm x 200 cm，完全定制化設(shè)計

工作溫度：+5～+40℃

比利時根特大學(xué)的表型平臺整合葉綠素熒光成像模塊的應(yīng)用案例

該平臺作為一個傳感器，擴展一套葉綠素熒光成像系統(tǒng)。多功能工作臺可以包含高達20cm的小植物和多孔板，高分辨率相機系統(tǒng)能夠進行RGB成像和標準光合測量，并結(jié)合葉綠素和花青素含量的光譜測量，還可以可視化GFP和RFP信號。圖像既可以在整個平臺上植物水平（相機的位置跟隨植物的生長曲線）上獲得，也可以在單個植株的水平上獲得。平臺上還有一個指定的澆水站，可以澆灌植物，在多孔板中分配非常少量的溶液，并將液體蒸發(fā)到每個孔板中。生長室溫濕度技術(shù)升級后，WIWAM系統(tǒng)在實驗過程中兼顧了環(huán)境條件的控制和記錄，還提供了專用的調(diào)制光譜照明。WIWAM軟件管理不同的用戶定義的日光配置文件。

此植保研究平臺將基因編輯技術(shù)與表型組技術(shù)結(jié)合，通過對病原菌或有益微生物的基因編輯，能夠在肉眼不可見的尺度和時間進行植物-微生物互作研究。圖2是應(yīng)用于高通量篩選具有除草或生物刺激作用的新生物活性分子或新農(nóng)用化學(xué)品。圖3是利用GFP熒光觀測赤霉病侵染過程。

群體植物光合長期監(jiān)測模塊

群體植物光合監(jiān)測系統(tǒng)適用于實驗室、溫室和大田，采用葉綠素熒光“遙測”技術(shù)，實現(xiàn)了大面積對植物群體光合作用的連續(xù)監(jiān)測。

群體植物光合監(jiān)測系統(tǒng)安裝在植物上方1-4m處，每5秒鐘，激光束不斷變化在植物上的位置，每次循環(huán)可生成數(shù)百個測量點。它用一束激光（類似于激光筆的光線）打到葉片上進行葉綠素熒光測量，在30min到1h內(nèi)可以對數(shù)平米內(nèi)的所有植物測量一次。測量參數(shù)包括最大光合效率Fv/Fm、實際光合效率Fq’/Fm’(DF/Fm’)、光強PAR、太陽總輻射、相對電子傳遞速率ETR、植物高度等。

系統(tǒng)特點

可以獲得24/7樣品的實時信息可達 17000個測量/天

能夠區(qū)分植物樣品和非植物樣品，只有植物樣品才會被測量并存儲能夠選擇感興趣的區(qū)域（ROI），進行小區(qū)域或單株光合作用分析測量位點可編程控制

在植物上方1-4米處遙測

同時測量光合效率、PAR、相對電子傳遞速率、太陽總輻射、測量點的葉片高度、植物平均高度，并估算植物葉片對土壤的覆蓋度

獨立使用或集成到WIWAM在線軟件平臺

實時監(jiān)測，同時滿足溫室和田間使用的需求

測量參數(shù)

各個葉片最大光合效率Fv/Fm（夜間）

各個葉片實際光合效率DF/Fm’（白天） 

各個葉片表面光強PAR相對量

各個葉片相對電子傳遞速率rETR

太陽總輻射

測量點的葉片高度

植物平均高度

植物葉片對土壤的覆蓋度

近紅外成像模塊

近紅外成像主要用于觀測分析植物的水分狀態(tài)及其在不同組織間的分布變異，處于良好澆灌狀態(tài)的植物表現(xiàn)出對近紅外光譜的高吸收性，而處于干旱狀態(tài)的植物則表現(xiàn)出對近紅外光譜的高反射性，通過分析軟件可以監(jiān)測分析從干旱脅迫到再澆灌過程中的整個過程動態(tài)及植物對干旱脅迫的響應(yīng)和水分利用效率，并形成假彩圖像，可以與植物的形態(tài)指數(shù)及葉綠素熒光指數(shù)進行相關(guān)分析研究。

近紅外成像模塊技術(shù)參數(shù)

分辨率：320 x 256像素

圖像傳感器：2/3英寸 INGaAs

像素大?。?5 x 35μm

光譜范圍：900 - 1700nm

最大幀率：50Hz

數(shù)據(jù)傳輸：千兆以太網(wǎng)

圖像大小：1.5M

圖像位深度：Mono 16:12 字節(jié)／像素

鏡頭卡口：C接口

焦距：2.5 ～ 75mm

最大光圈：1:1.8

光圈控制：馬達，Type 1，6V，最大35mA

光圈速度：4 s

聚焦控制：馬達，Type 1，6V，最大40mA

聚焦控制速度：5 s

變焦控制：馬達，Type 1，6V，最大40mA

變焦控制速度：5s

可視角度（水平）：（38°～49°）（廣角端）～（6°～40°）（遠端）

最小工作距離：0.5m

濾光片線程：49mm x 0.75mm

尺寸：101.5mm x 92.2mm x 94.5mm

重量：820g

最小變焦：200mm x 150mm

最大變焦：35mm x 26mm

工作溫度：10～55℃

高頻光源：22 kHz，光強波動范圍2%，平均壽命2500h

紅外熱成像模塊

紅外熱成像主要用于成像分析植物在光輻射情況下的二維發(fā)熱分布，良好的散熱可以使植物耐受較長時間的高光輻射或低水條件（干旱）。

紅外熱成像技術(shù)參數(shù)

分辨率：640 x 480像素

傳感器類型：焦平面陣列（FPA），非致冷微測熱輻射計

噪聲等效溫差（NETD）： <0.05℃ @ + 30℃/ 50mK

光譜范圍：7.5 ～ 13μm

溫度測量范圍：–20～ +150℃，0 ~+650℃

數(shù)據(jù)傳輸：千兆以太網(wǎng)

圖像流：16-bit 640 x 480 pixels @ 25 Hz

焦 距 ：24.5mm

光 圈 ： F1

幀速：25Hz

空間分辨率（IFOV）：0.69mrad

最小工作距離：0.4m

可視角度（水平）：25°x 18.8° 

工作溫度：-15～50℃

允許拍攝的植物最大尺寸：高約2m，寬約1.5m

精度：±2℃或讀數(shù)±2%

高光譜成像模塊

高光譜成像在估測植物各種生化組分的吸收光譜信息及植物生長情況的檢測上表現(xiàn)出了強大的優(yōu)勢，主要用于植物 的營養(yǎng)狀況、水分含量、長勢情況、病蟲害情況監(jiān)測等。

高光譜成像技術(shù)參數(shù)

光譜范圍:400-1000/900-1700 nm

光譜分辨率: 5.5 / 8 nm

空間像素數(shù):1024 / 640

成像速度:330-9900 / 670-15000 Hz

波段可選

激光3D掃描多光譜成像模塊

激光3D掃描成像模塊

激光3D掃描成像能夠耐受全日照輻射而不影響測量，在高精度測量三維點云信息的同時，測量400-900 nm范圍內(nèi)4個波段的多光譜成像，使得我們可以得到植物在X、Y和Z軸上所有坐標點的多光譜信息，通過點云的空間深度信息和角度信息，可以對光譜信息進行完美的校準，從而獲得更加精準的數(shù)據(jù)。此模塊可以得到的參數(shù)如下：

植物高度

3D葉面積

葉片投影面積

數(shù)字生物量

葉片傾斜度

葉面積指數(shù)

光穿透深度

葉片覆蓋度

歸一化植被指數(shù)

增強型植被指數(shù)

光化學(xué)反射指數(shù)

綠度

葉綠素

衰老信息

激光3D掃描成像模塊的應(yīng)用案例

WIWAM團隊安裝了一個包含兩個3D掃描儀的表型系統(tǒng)，同時作為一個雙掃描裝置，用于創(chuàng)建生長在550平方米溫室中的植物的精確3D點云。該系統(tǒng)采用sensor-to-plant的方法，以高通量的方式對植株進行自動化、無損的測量。由于不允許固定在地板上，設(shè)計了一種吊梁式門形機器人。安裝一個10.2米長的鋁制桁架結(jié)構(gòu)，攝像頭系統(tǒng)的位置由伺服驅(qū)動的XY系統(tǒng)控制。應(yīng)客戶要求，將第三方軟件集成到表型平臺的功能中。

激光3D掃描成像技術(shù)參數(shù)

形態(tài)參數(shù)：10

光譜靈敏度：380-900nm

光譜帶：多達7

溫度控制：激光、LED和相機溫度控制

重量：5.3kg

尺寸：440×210×99mm

輸入/輸出：數(shù)字信號外部觸發(fā)器，RS232/RS485*，7通道閃光TTL輸出

測量速率：50 XZ-profiles / s

溫度范圍：- 10-50°C

濕度：0—100%相對

激光等級：1M

電源要求：24伏直流電，10—36V直流電

耗電量：50W

保護等級：IP65

連接：WIFI，以太網(wǎng)

Y分辨率(Vscan = 50mm/s) ：1mm

分辨率(Z-range20cm）：X：0.19mm Z：＜0.1mm

分辨率(Z-range120cm）：X：0.7mm Z：0.2mm

分辨率(Z-range180cm）：X：1.5mm Z：0.5mm

根系CT成像模塊

根系CT成像是植物表型平臺的重要組成部分，成功的實現(xiàn)了原位監(jiān)測植株根系狀態(tài)，并對直徑20cm花盆內(nèi)自然土 壤中的根系進行掃描和重建。

根系CT成像技術(shù)參數(shù)

尺寸：不包括外圍設(shè)備約5 m x 1.5 m x 2.5 m（高壓供電及控制箱需要額外1.5 m x 1 m）

焦點到檢測器的最大距離：850 mm

焦點到被測物的距離：740 mm

視野面積：20 x 20 cm（即花盆直徑最大20 cm，花盆高度最大20 cm）

安全防護：硬件互鎖，一旦門被打開射線發(fā)射器馬上停止工作

高通量測量：X-射線檢測器以及X-射線管安裝在傳送帶系統(tǒng)上，可以360°循環(huán)旋轉(zhuǎn)測量。

環(huán)境防護：關(guān)鍵部位涂有額外的保護涂層，以適應(yīng)比較苛刻的環(huán)境（如灰塵）。如有其它特殊防護要求請客戶提前做出說明。

成像速度：為5 min/盆

有效面積：200 x 200 mm

像素間距：100 μm

分 辨 率 ：約為 2000 x 2000 像素

電壓：10-225 kV

功率：800 W（光管焦斑尺寸為400 μm） 或 1800 W（光管焦斑尺寸為1 mm）

高壓供電：配備有高壓電源（電流16 A ）

IT解決方案和儲存

WIWAM軟件在工業(yè)計算機上運行，觸摸屏。該軟件配有用戶友好圖形界面，用于控制機器人站行為以及以較高靈活度設(shè)計設(shè)計實驗?？赏瑫r運行多組實驗，可運行不同隨機模式，可及時規(guī)劃單個植株或一組植株的處理。在預(yù)設(shè)啟動時間，PC機將向工業(yè)PLC發(fā)送指令，照管機器人移動。所有成像，稱重/澆水以及環(huán)境數(shù)據(jù)均可存于SQL數(shù)據(jù)庫，記錄后可用于分析記錄。系統(tǒng)采用了開放式數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)，可以直接獲取圖像。該平臺可以與高性能計算相連，用于分析儲存數(shù)據(jù)或者可與本地服務(wù)器設(shè)施整合。

SMS郵件服務(wù)可以通知用戶機器報警和錯誤，可盡快進行用戶干涉。系統(tǒng)可于任一點暫停和停下，UPS(不間斷電源)可防止數(shù)據(jù)丟失和確保在停電后全系統(tǒng)恢復(fù)。該軟件也有平臺管理員系統(tǒng)設(shè)置和維護行為通道。

圖像分析和數(shù)據(jù)可視化

WIWAM Conveyor有VIB開發(fā)的圖像分析和數(shù)據(jù)可視化軟件支持，此軟件包，稱為PIPPA，是網(wǎng)絡(luò)界面和數(shù)據(jù)庫，一方面用來為不同類型的WIWAM植物表型平臺提供管理的工具，另一方面用于分析圖像和數(shù)據(jù)。

PIPPA與該平臺通訊，通過將PIPPA網(wǎng)絡(luò)界面生成的實驗結(jié)果傳到平臺。每個花盆的處理和基因型信息已在數(shù)據(jù)庫限定以確保在整個實驗中的數(shù)據(jù)一體性。實驗期間PIPPA對來自平臺的稱重，灌溉測量，環(huán)境數(shù)據(jù)，錯誤記錄以及圖像信息進行處理分析。PIPPA支持這些圖像后續(xù)處理(旋轉(zhuǎn)/收獲/等)。圖像分析文本可以在PIPPA界面初始化，可設(shè)置于網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器運行(獨立版本)或計算機群運行，以快速生成結(jié)果。隨后，通過檢查數(shù)據(jù)是否在特定閾值之內(nèi)可在網(wǎng)絡(luò)幾面對輸出文本進行驗證，例如，是否生長相關(guān)性狀，如植物枝條面積一段時間內(nèi)是否增加。

北京博普特科技有限公司是比利時WIWAM植物表型成像系統(tǒng)的中國區(qū)總總代理，全面負責其系列產(chǎn)品在中國市場的推廣、銷售和售后服務(wù)。