比利时WIWAM 植物表型组学研究-表型成像技术

WIWAM植物表型成像分析系统

WIWAM植物表型成像系统由比利时SMO公司与Ghent大学VIB研究所研制生产，整合了LED植物智能培 养、自动化控制系统、叶绿素荧光成像测量分析、植物热成像分析、植物近红外成像分析、植物高光谱分析、 自动条码识别管理、RGB真彩3D成像等多项先进技术，以优化的方式实现大量植物样品——从拟南芥、玉 米到各种其它植物的全方位生理生态与形态结构成像分析，用于高通量植物表型成像分析测量、植物胁迫响 应成像分析测量、植物生长分析测量、生态毒理学研究、性状识别及植物生理生态分析研究等。将大规模自动化理念和工业级零件和设备整合入植物成像系统的厂家，SMO公司在植物表型成像分析领域处于的技术前列，大面积叶绿素荧光成像分析功能使WIWAM成为植物表型分析与功能成像分析领域Z为先进的仪器设备，植物生长、胁迫响应等测量参数达几百个。目前WIWAM植物表型平台分为WIWAM XY， WIWAM Line以及WIWAM Conveyor 3个系列。高通量田间植物表型平台也在开发中。

WIWAM Conveyor是一款机器人集成解决方案，作为高通量可重复表型平台，可用于大型植物，如玉米研究。该机器人可进行自动灌溉，能定期对多种植物生长参数测量。WIWAM Conveyor代替了很多人工操作，省时省钱，精度高。该WIWAM机器人由传送带网组成，能将植物传送到1或多台称重浇水站以及成像柜，成像柜中安装有一系列的非损害性照相系统。全套系统可以安装在现有温室，由高品质工业部件构 成。典型应用是种植在各自花盆内的植物表型筛查。这些花盆在传送带系统上以小车运输。花盆和小车均有独特识别码 (分别QR和RFID码)，可将其从固定生长区域传送到称重和灌溉站以及成像柜，每个植株均可进行进行个性处理。成像平台是封闭区域，配有适合照像的光照条件，配有旋转平台提升装置，可从不同观察 角度获得稳定图像，聚焦远处感兴趣部分。成像柜可以容纳一系列照相系统，用于非损害性图像获取。 称重和灌溉站位置，植物在浇水时旋转，在花盆内获得水分布。灌溉精度极高，可达+/-1mL。浇水 后，可应用指定容器中准备好的不同溶液。另外，灌溉基于目标重量计算或固定量计算。此方法可保证整个 实验中的土壤精确湿度水平。可通过集成光、温度和湿度传感器监控环境，详细记录实验生长条件。 该系统的特别之处在于包括1个“处理区”，系统可以选取和检索指定号码的属于特定基因组或处理的植 株。系统用户可进入操作区，可观察植物或人工操作植物，如测量特定植物性状，或提取部分植物做分子或 化学分析。系统另外一特征是可将外部植物加载到系统中，例如可将生长在另外一间温室或生长箱中的植物 放到称重和灌溉站进行成像和（或）处理。

WIWAM Conveyor使用

遗传资源和序列数据快速积累，但将该信息与基因功能相关联的进程要缓慢的多，这表明植物表型是理 解基因编码过程以及应用该知识改善作物产量的主要瓶颈。众所周知表型工作是Z耗劳力和技术挑战性 的部分，成本高且耗时。但该“表型瓶颈”已可通过集成新型图像获取技术、机器人技术、图像分析技术以 及数据处理技术解决。WIWAM Conveyor 集成了这些技术，替代了很多人工处理。该植物表型平台可集成到 多个研究领域，包括植物生长调节、耐旱研究、植物生理、盐碱或重金属胁迫反应等。也可用于研究化学物 影响或在不同光照条件，营养水平或土壤类型下，研究化学物影响。

机器配置／技术指标 

Conveyor可将植物通过传送带移动进行成像分析，设计用于可容纳植物1500mm和1000mm宽。 行间ZX距离是600mm。大小可根据客户定制，植物高度<150cm。

叶绿素荧光成像（选配）：镜头分辨率6Ma像素，CCD传感器，帧速20fps，输出16bit，光谱 350~900nm，测量红色、蓝色和白色LED光，165cm光强为0～1500μmol m-2 s-1，6位滤波轮。

RGB成像（选配）：高灵敏度成像传感器KAI-CCD，分辨率4008x2672像素，帧速39fps，像素大小9.0μ m，输出24 bit，自动或手动曝光和白平衡等，成像信息包括时间和位置等、视频虹膜控制、虹膜变焦控制、图像 叠加、图像增强、伽玛校正、数据校对、缺陷/热像素校对 (静态；动态)、FFC、黑色位准、纵向涂片。

高光谱成像单元（选配），1000-2500nm（SWIR）镜头或400-1000nm（VNIR）镜头，视野 150x100cm。

热成像单元（选配）：分辨率640x480像素，温度范围–20～+150°C，0～+650°C，灵敏度 NETD<0.05°C@30°C/50mK。

湿度&温度（选配）：可在温室安装温度&湿度传感器，这些传感器可测量温度和相对湿度，是研究 非常有价值的参数 。数据储存在数据库中。

PAR 光测量（选配）：可在温室内安装PAR 光强度传感器。这些PAR传感器可测量光强度，是做研 究很有价值的参数。 光平均数据定期储存在数据库内。

UPS（选配）：一些情况下，设施可能断电 。UPS可以预防系统不可控断电时关闭， 多数元件可保 持在24V，计算机为230V 。如果你的电源非常稳定，无需备用，但我们推荐良好的UPS 系统来避免断电 造成的损失。

备取景相机（选配）：系统里有很多植物移动，对该情况有个监控。科学家可以从远方监控系 统(控制室或家里)，额外相机是很好的备选。配备该相机，系统可以通过互联网进行监控。

压缩机（选配）：系统需要压缩空气。所有制停器和推进器以及浇水站提升装置均需要稳定压力以 确保良好操作。

系统控制与数据采集分析系统：PIPPA用户友好的图形界面，用户定义、可编辑自动测量程序、控 制单元有主电源开关、紧急关闭、启动开关、暂停键、移动键等，用户名和密码保护。

暗适应隧道（选配）：大植株系统安装在温室中，仅仅有部分照明控制。按照多数科研工作要求， 该隧道不常使用。 植物可在夜间进行暗扫描，以避免白天运行长时间等待，避免额外成本,但根据设置， 暗适应隧道 (10-15 分) 可能有用。暗适应隧道可以安装在位于缓冲线和成像柜进口之间的分发线上。这 种情况下，我们可打开柜子位置，植物可先进入荧光成像柜子。隧道包括在入口包括双侧门，确保隧道 内完全黑暗。

NIR近红外成像单元（选配）：可成像采集1450～1600nm水吸收波段，以反映植物水分状况，在 供水充沛情况下表现出高NIR吸收值，干旱胁迫情况下则表现出高NIR反射，NIR假彩色成像可以通过软 件反映和分析植物水分状况。

可见光成像

分辨率                                           4008 x 2672  (std.)，4032 x 2688 (max.)像素

图像传感器                                       KAI-11002，CCD

像素大小                                         9.0 x 9.0µm

帧率                                         39 fps

数据传输                                         千兆以太网

RGB图像大小                                      >6.3M

输出格式                                         Mono CCD：8、10、12、14-bit (仅单) ； Color CCD：8、10、12、RGB 24rmats

镜头卡口                                         F-接口 (默认)，备选以及定制 OEM等

尺寸                                             60mm x 60mm x 45.1mm（或65.2）

重量                                             350g或 372g或 503g或 354g

视频虹膜控制                                     自动可编程

虹膜变焦控制                                     手工用户编程

工作环境                                         温度：-40℃ ~ +85℃，操作：-50℃ ~ +90℃ ，储存：10% ~ 90% ，非冷凝

UV防护                                           可耐受全日照的UV强度

平均故障间隔时间                                 >660000 小时 @ 40℃ (Telcordia SR-332)

光照                                         1 L.4ux，F/ 1

内置DDR记忆                                      2Gb (256MB)

数据校对                                         缺陷/热像素校对 (静态、动态)、FFC、黑色位准、纵向涂片 

    SMO是欧洲的机械设备制造与设计工程公司，专注于为机械自动化、机器视觉以及各个领域提供定制化解决方案。公司工厂配备各种设备，具有3D设计、强度计算、焊接、切割以及组装等丰富的经验。SMO自动化领域涵盖工业机械制造的制造技术，提供自动传输系统到专业焊接等各个领域的技术，针对客户需求提供定制化解决方案。在远程过程工作领域，SMO拥有的经验，通常过程自动化包括改进生产线，例如标准机械件布局，重新规划传感器和PLC控制系统。SMO还拥有提供交钥匙工程的能力，如设计整条生产线。在多种情况下，公司工程师从客户提供想法开始，通常客户已经有改善生产过程的想法。自动化还包括电气配电柜、机械电缆，PLC控制，成像以及机器人各个部分。设计线路图，配电柜、机械电缆以及PLC控制的组织安装。将大规模自动化理念和工业零件和设备整合入植物成像系统的厂家，在机械自动化以及机械视觉成像领域拥有丰富的设计和实践经验，为欧洲客户提供机械设计解决方案，SMO公司将机械领域的先进理念带入了植物表型机器人领域，所采用的配件均为工业界广泛认可的高品质配件，耐受苛刻环境，另外表型设备领域的诸多自动化配件，均由SMO公司自主设计，因公司拥有极为强大的工程师团队，基于工业领域的丰富经验，可针对不同客户需求，一般2-3周就可以提供极复杂表型成像系统的解决方案。目前WIWAM植物表型平台分为WIWAM XY，WIWAM Line以及WIWAM Conveyor3个系列。同时还可提供WIWAM Boxing柜式成像系统，也提供野外表型成像系统设计方案。