PlantScreen야외 고통량 식물 표형 분석 플랫폼

——Field-based High-throughput Phenotyping PlatForm

야외 생장 식물에 대한 신속하고 정확하며 높은 통량의 비손상 다성상 표형 분석 능력을 구축하는 것은 21세기 작물의 유전 육종이 직면한 가장 큰 도전이다 (Andrade-Sanchez et al.2014, Furbank and Tester 2011, Houle et al. 2010).야외 고통량 식물 표형 분석 플랫폼은 유전학, 생물 기술, 작물 육종 및 작물이 기후 변화, 토양, 경작 관리에 대한 호응 연구 모니터링 등, 특히 현대 농업, 스마트 농업은 모두 비할 데 없이 중요한 의의를 가지고 있다.

PlantScreen야외 고통량 식물 표형 분석 플랫폼은 자동화 제어 시스템, 엽록소 형광 영상 측정 분석, 식물 열 영상 분석, 식물 고 스펙트럼 분석, RGB 컬러 영상 분석 및 인터넷 + 표형 빅데이터 플랫폼 등 현대 선진 기술을 통합하여 최적화된 방식으로 야외 식물 원위 고통량 표형 분석 측정, 식물 협박 응답과 작물 저항성 영상 분석 측정, 식물 생장 분석 측정, 성상 식별 및 식물 생태 분석 등을 실현한다.세계 최초로 식물 엽록소 형광 영상 시스템을 연구 제작 생산하는 업체로서 PSI회사는 식물 표형 영상 분석 분야에서 전 세계의 기술 선두에 있다. 대면적의 엽록소 형광 영상 분석 등 영상 분석 플랫폼은PlantScreen식물 표형 분석과 기능 영상 분석의 가장 선진적인 기기 설비가 되었다.

특징:

1) 엽록소 형광 이미징, RGB 이미징, 적외선 열 이미징, 통합된 대형 다기능 이미징 플랫폼(Multi-functional sensor platform)LiDAR、하이 스펙트럼 이미징 및 기타 고급 고급 감지 장치, 포괄적 인 분석:

a) 구조적 표형 분석(RGB 이미징 및 LiDAR)

b) 기능 표형 분석(엽록소 형광 영상)

c) 형태 및 성장 평가(RGB 이미징 및 LiDAR)

d) 광합성 표현(엽록소 형광 영상)

e) 생물 협박과 비생물 협박 응답(엽록소 형광 영상, 고 스펙트럼 영상, 적외열 영상)

f) 생리생태표현에는 광합생리, 기공동태, 생화학대사지표 등등이 포함된다 (엽록소형광영상, 고스펙트럼영상, 적외열영상)

2) 세계 최고의 FluorCam 엽록소 형광 영상 기술은 작물 생리 생태 기능 성상의 필수 분석 기술이며, 스마트 LED 광원은 조정 측정 빛을 제공하여 낮에 자동으로 영상 측정 빛의 적응 조건에서의 엽록소 형광 및 광합성 효율을 측정할 수 있다;독특한 고감도 엽록소 형광 영상 렌즈를 갖추고 영상 면적이 35cm x 35cm(고객 맞춤형 80cm x 80cm)에 달하며 세계에서 단폭 엽록소 형광 영상 면적이 가장 큰 기술 설비이다

3) 트랙터에 장착하여 이동식 자동 이미징 분석을 하거나 전용 자동 실행 플랫폼에 장착하여 샘플 궤도를 따라 자동으로 운행하는 동시에 샘플 전체 커버리지 자동 스캔 이미징 및 온라인 분석을 할 수 있다

4) 표형분석 빅데이터 플랫폼, 시스템 제어, 데이터 수집, 데이터 처리 분석과 시각화 온라인 디스플레이, 데이터베이스 등 포함

5) PSI 표형연구센터 전문가팀 기술지원, 매년 미국과 유럽에서 각각 1회 세계식물표형연구토론회 개최

6) 드론 기술 (UAV-based) 기반 PhenoUAS 드론 하이패스 표형 분석 플랫폼을 옵션으로 장착하여 지상 기반 표형 분석 scalling-up을 공중 대지역 고속 표형 분석으로

7) 토양 기상 관측소를 선택하여 환경 조건과 표형 성상의 관계를 전면적으로 분석할 수 있다

8) 식물 생리 생태 모니터링 시스템을 선택하여 식물 광합성 작용 및 과실 생장 등 정보를 동시에 모니터링할 수 있다

9) 자동 무게 측정 디지털 배양분을 선택하여 정확한 무게 측정, 토양 수분 모니터링, 자동 관개 등을 진행할 수 있다

주요 기술 지표:

1.일체형 다기능 자동 영상 분석 플랫폼, 통합 스마트 LED 광원 및 엽록소 형광 영상 모듈, RGB 영상 분석 모듈 및 기타 예를 들면 적외선 열 영상, LiDAR 레이저 스캐닝, 하이 스펙트럼 등 선택 영상 모듈, 운영 체제 자동 운행, 자동 분류 저장, 자동 온라인 분석 등

2. 엽록소 형광 영상 분석(표준):

a) 3색 스마트 LED 자극 광원, 620nm 펄스 측정 광선, 백색 광화학 광선 및 최대 포화 광선, 735nm 적외선 측정 Fo'등의

b) GFP 이미징 측정과 같은 다중 스펙트럼 다중 밴드 형광 측정을 위한 파란색 광원 및 7비트 필터 휠 옵션

c) 고유의 고감도 CCD 엽록소 형광 영상 센서, 프레임 주파수 50fps, 엽록소 형광 순변 효과적으로 포착, 해상도 720x560 픽셀, A/D 12 비트, 비디오 모드와 스냅샷 모드를 갖추고 있다;옵션 고해상도 CCD, 해상도 1360x1024, 프레임 속도 20fps, A/D 16비트

d) 단폭 영상 면적 35x35cm

e) 이미징 측정 매개변수: 어두운 밤의 어두운 적응 측정 및 대낮의 빛 적응 측정을 수행할 수 있으며, 측정 매개변수는 다음과 같습니다.Fo, Fm, Fv, Fo’, Fm’, Fv’, Ft, Fv/Fm, Fv’/Fm’, Phi_PSII, NPQ, qN, qP, Rfd등 엽록소 형광 파라미터, 식물 광합성 효율, 적합도, 생물과 비생물 협박 및 작물 저항, 회복력 등을 분석하는 데 사용

f) Fv/Fm, Kautsky 유도 효과, 형광 담금질 분석과 같은 완비된 자동화 측정 프로그램(protocols)과 측정 매개변수(예: Fv/Fm 프로그램 측정 시간은 10s에 불과

g) 엽록소 형광 데이터 온라인 분석, 주상도, 측정 파라미터도, 데이터 표 등을 포함하며, 사용자 정의 이미지 분할 등 기능을 갖추고 있으며, 서로 다른 시간 척도 (예: 일, 월, 전체 성장 계절 등) 의 다중 파라미터 동적 분석을 진행할 수 있다

h)는 진정한 2차원 동기화 영상이다. 얻은 엽록소 형광 파라미터는 진정한 화소점 기반 2차원 분포 파라미터이다. 단순화된"레이저 유도 영상"(장점은 가볍고 전기를 절약한다) 은 1차원 영상(점이나 선)일 뿐, 2차원 영상을 동기화할 수 없고, 환경 요소의 영향을 받기 쉽다 (예를 들어 바람이 불면 심각한 오차가 발생한다), 영상 파라미터는 아날로그 파라미터 (레이저 스캔 속도에 따라 얻은 빠른 형광과 느린 형광 측정을 통해 얻은 양자 파라미터, 그리고 형광 측정을 통해 얻은 질량자 측정을 통해 얻은 형광 측정과 느린 형광 측정을 통해 얻은 양자 파라미터만 시뮬레이션할 수 있다. 아날로그 광양자 생산량 또는 광양자 효율),기술 미숙(참고 문헌을 찾을 수 없음) 등 문제

i) 세계에서 식물 고통량 표형 분석에 가장 널리 사용되고 논문을 가장 많이 발표하는 기술 수단이다

3. RGB 이미징 분석 (표준): 식물의 모양, 색상 녹색도 등을 이미징 분석할 수 있으며, 해상도 5Mpx, 식물의 꽃 수량, 벼 분얼 등을 자동으로 통계 분석할 수 있으며, 주요 분석 측정 매개변수는 다음과 같다.

1) 리프 영역(Leaf Area: Useful for monitoring growth rate) 및 동적 변화

2) 식물 탄탄도/긴밀도(Solidity/Compactness. Ratio between the area covered by the plant's convex hull and the area covered by the actual plant)

3) 리프 둘레(Leaf Perimeter: Particularly useful for the basic leaf shape and width evaluation(combined with leaf area))

4) 편심률(Eccentricity: Plant shape estimation, scalar number, eccentricity of the ellipse with same second moments as the plant(0...circle, 1...line segment))

5) 엽원도(Roundness: Based on evaluating the ratio between leaf area and perimeter. Gives information about leaf roundness)

6) 엽폭 지수(Medium Leaf Width Index: Leaf area proportional to the plant skeleton(i.e. reduction of the leaf to line segment))

7) 날개 가느다란 길이 SOL(Slenderness of Leaves)

8) 식물의 원직경(Circle Diameter. Diameter of a circle with the same area as the plant)

9) 볼록 영역(Convex Hull Area. Useful for compactness evaluation)

10) 식물성 중심(Centroid. Center of the plant mass position(particularly useful for the eccentricity evaluation))

11) 편평지수(Flattening index)

12) 상대 성장률(Relative growth rate)

13) 녹도지수와 등급분석(암록, 건강록, 연록 등)

14) 색상 계층화 및 파티션 분석(Color segmentation for plant fitness evaluation)

15) 기타 성상 및 색상 등급별 동적 분석

4.3D 레이저 스캐닝 분석(선택): 식물 구조 표형 분석에 사용되며 점 구름 모델을 통해 식물 구조, 생물량, 잎 수량, 잎 면적, 잎 경사 각도, 식물 높이 등 각종 형태 구조 파라미터를 자동으로 분석하여 계산한다.

5.적외선 열 영상 분석(선택): 초점 평면 배열 마이크로 측열 복사계, 해상도 640 × 480 픽셀, 주파수 7.5-13 μm, 온도 범위 -20 – 120 ℃, 해상도 <0.05 ℃ @ 30 ℃ / 50 mK, 영상 면적 35 x 35 cm, 영상 식물의 광선 복사 상황에서의 관층 온도 분포, 식물의 기공 전도 동태, 가뭄 협박 및 가뭄 방지 능력 평가 등 가뭄에 강한 조건을 분석하기 위해 사용됨

6. 하이 스펙트럼 이미징 분석(옵션): 파장 범위 380-1000nm, 스펙트럼 대역수(밴드수) 675개 대역, 이미징 및 분석 가능 귀일화 지수(Normalized Difference Vegetation Index(NDVI)) 단순 비례 지수(Simple Ratio Index, Equation: SR = RNIR/RRED), Elophex 1.2의 흡수율 개선, MCAbsion 1.2 * [2.5 * (R790-R670) - 1.3 * (R790-R550)]), 최적화된 토양조정 식생지수(Optimized Soil-Adjusted Vegetation Index (OSAVI)
, Equation: OSAVI = (1 + 0.16)* (R790-R670) / (R790-R670 + R670 + 0.16), PRI570), 화학적 Rachex(R531-570)

7.야외 이동 플랫폼: 플랫폼 팔 12m 경간, 다기능 영상 플랫폼은 이동 플랫폼에서 좌우 자동 스캔 영상 분석, 자동 스캔 폭 10m 샘플, 매 스캔 영상 면적은 10x0.35m (3.5m2) 에 달할 수 있으며, 한 번의 스캔 완료 시간은 1분 미만에서 몇 분 미만이다 (실험 측정 프로그램 Protocol에 따라 정한다), 이동 플랫폼은 궤도를 따라 자동으로 운행할 수 있으며, 운행 거리는 원칙적으로 궤도에 제한되지 않는다 (궤도).모바일 플랫폼의 높이는 2.5m, 다기능 영상 플랫폼의 높이는 조절할 수 있어 서로 다른 고도의 작물 영상 분석에 적응할 수 있다;모바일 플랫폼 4개의 고무바퀴는 궤도에서 제어 시스템을 통해 자동으로 운행하고 자동으로 영상을 스캔할 수 있을 뿐만 아니라 일반 지면에서 이동, 커브 등을 편리하게 할 수 있다. 75x20m의 견본에 대해 모바일 플랫폼은 다기능 영상 플랫폼을 하중시켜 75x10m의 견본을 한 번에 완성한 후 수동으로 커브를 돌린 후 자동으로 다른 절반의 75x10m의 영상 분석을 완성할 수 있다.GPS 시스템 정밀도가 2cm에 달하고 소프트웨어를 통해 측정 데이터, 위치, 시간 등을 자동으로 기록하여 디젤 발전기가 동력을 제공하여 전체 플랫폼의 이동을 구동할 수 있다

8.환경 측정 센서 네트워크 선택 가능, PAR, 환경 CO2 농도, 공기 온도 습도, 강우량 및 토양 수분 등을 자동으로 모니터링 기록 할 수 있습니다.

9. 시스템 제어 및 데이터 수집 분석 시스템(표형 빅데이터 플랫폼):

1) 사용자 친화적인 그래픽 인터페이스

2) GPS 포지셔닝 기능은 공간 분포 정보 및 시공간 분포 구조 분석을 할 수 있다

3) 사용자 정의, 편집 가능한 자동 측정 프로그램 (protocols) 을 갖춘 다양한 성숙한 Protocols가 내장되어 있으며, 사용자 설정 프로그램에 따라 모든 실험을 자동으로 완료합니다.데이터 결과는 자동으로 저장되고 분석되며 분석된 데이터 결과는 자동으로 동적 커브로 표시됩니다.

4) MySQL 데이터베이스 관리 시스템, 수천만 개의 레코드를 가진 대형 데이터베이스를 처리할 수 있으며, 다양한 스토리지 엔진을 지원하며, 관련 데이터는 데이터베이스의 다른 테이블에 자동으로 저장된다

5) 모든 측정을 위해 기본 프로그램을 사용하거나 개발 도구를 사용하여 사용자 정의 작업 프로세스를 만들거나 LED 광원 켜기 또는 끄기, RGB 스윕 이미징, 엽록소 형광 이미징 등을 수동으로 조작할 수 있습니다.

6) 실험 프로그램(Protocols)은 시작 키, 끝 키, 일시 정지 키를 갖추고 있다

7) 시스템은 인터넷 무선 원격 제어를 통해 사용자가 인터넷을 통해 원격으로 액세스할 수 있도록 하고 데이터 처리, 다운로드 및 실험 설계를 변경할 수 있으며 사용자 권한 등급별 기능을 갖추어 다른 사람이 잘못 조작하여 실험에 영향을 주는 것을 방지한다

생산지: 유럽 PSI

활용 사례:

FluorCam 적용엽록소형광기술로 야외식물에 대해 원위치부동한 계절의 장기적인 감측을 진행하는 동시에 식물광합성작용 (CO2동화) A를 감측한 결과는 아래 그림을 참조한다.FluorCam 엽록소 형광 기술은 자극 광 펄스 변조 기술, 고감도 CCD 센서 (샘플링 주파수 초당 50회) 기술 및 스마트 LED 광원을 사용하여 대면적 (프레임당 영상 면적 35x35cm 표준) 이 가능하다식물/작물 영상 분석, 야외에서 야간에 어두운 적응 조건에서의 엽록소 형광 영상 분석을 할 수 있을 뿐만 아니라 환경 광 적응 조건에서 엽록소 형광 영상 분석을 할 수 있다. 간단한 레이저 유도 엽록소 형광 측정 (1다발 또는 선형 단색 자극 광원을 통해 엽록소 형광을 자극하고 측정할 수 있다. 장점은 전기를 절약하고 더욱 가벼울 수 있다) 보다 많은 기능적 장점이 있다. 측정 파라미터가 많을 뿐만 아니라 엽록소 형광 또는 엽록소 형광 불분사 측정 프로그램의 심각한 실광 측정 문제를 피할 수 있다.

첨부: 기타 야외 표형 이미지 분석 시스템:

1)PhenoUAS드론 소통량 대전작물 표형 분석 플랫폼

2)FluorCam야외 이동식 엽록소 형광 및 RGB 영상 분석 시스템

3)FluorCam스캔식 엽록소 형광 및 RGB 이미징 분석 시스템(적외선 열 이미징 옵션 제공)