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、植物多光谱分 析、植物CT断层扫描分析、自动条码识别管理、RGB真彩3D成像等多项先进技术，以较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。

SMO是欧洲先进的机械设备制造与设计工程公司，是一家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，在机械自动化以及机器视觉成像领域拥有丰富的设计和实践经验，为欧洲先进客户提供机械设计 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，因公司拥有较为强大的工程师 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周就可以提供较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 Conveyor 3个系列，同时还提供WIWAM Boxing柜 式成像系统，也提供野外表型成像系统设计方案。

植物表型成像系统WIWAM XY产品介绍

WIWAM XY是一款高通量可重复性表型机器人，用于对小型植物，如小玉米植物研究。该机器人可定期对多种植物参数进行自动化灌溉和并测量多种植物生长参数。WIWAM XY代替了很多手工处理、省时省钱、精度较高。

WIWAM XY由花盆定位桌面，不同独立线路，上层机器人以及1个或多个成像或称重、浇水站组成。全套系统可以安装在现有生长室，内置高品质工业部件。

WIWAM XY是一款高通量可重复性表型机器人，用于对小型植物，如幼苗和小植物，如拟南芥植物研究。该机器人可定期对多种植物进行自动化灌溉和并测量多种植物生长参数。WIWAM XY代替了很多手工处理，省时省钱，精度极高。

WIWAM XY由花盆定位桌面，不同独立线路，上层机器人以及1个或多个成像或称重、浇水站组成。全套系统可以安装在现有生长室，内置高品质工业部件。

植物在各自花盆内生长，可预设时间间隔，机器臂选取植物，将其带到成像和称重浇水工作站。机器人在植物上方移动，依据程序定位花盆，并将其提升脱离桌面。RFID读取装置以及花盆底部的RFID标签，可作为额外花盆识别之用，识别和校正桌面上因手工安置花盆造成的错误。通常侧面取景照相机能从不同角度获得图像。成像站可安装一系列照相机系统。称重浇水站集成在机器臂上。花盆中植物在浇水时旋转以获得最佳水分布。灌溉精度极高可达±0.1mL。另外，灌溉可基于目标重量或固定量自动计算。在整个实验过程中，可精确控制土壤湿度水准。集成光、温度和湿度传感器可用来监控温度，详细记录实验生长条件。

WIWAM XY基本配置包括自动化XY移动操作系统、RGB成像、叶绿素成像，可选配高光谱成像、植物热成像、植物近红外成像、植物标识系统等，成像系统由自动化三维机械臂移动到植物上方进行成像分析等。

植物表型成像系统WIWAM XY产品特点

1、浇水时花盆旋转以获得较佳水分布

2、高精度灌溉(达0.1mL!).

3、植物表型成像系统WIWAM XY 可配置环境传感器

4、植物表型成像系统WIWAM XY 配有直观用户界面

5、开放式数据库结构

6、可提供全定制系统

成像系统优势

所有表型平台均为SMO工程部门自主设计、针对课题组的研究项目快速、准确提供技术方案，设备中诸多备件为自主生产和设计；公司软件设计团队针对具体项目提供有针对性的WIWAM定制软件；SMO和VIB自主开发PIPPA 数据管理、视觉成像和分析软件，系统有效处理整个实验设计的大数据；PIPPA 软件可安装在网络服务器上（包括专有用户管理系统），网络中每个计算机均可操作；在PIPPA软件内，可集成整合外来分析数据和文本；易于获取数据库和原始图像数据；与客户自有IT技术设施进行整合；针对客户对表型设备运行环境了解欠缺的事实，提供表型设备生长室、温室建设交钥匙设计方案，实现环境参数如 照明、温度、湿度等控制，提供一站式表型研究解决方案；专门技术人员维护设备、定期指导维护硬件；代理密切沟通服务、提供支持反馈；自主电路设计、建筑内电柜设计、机械电缆布线以及PLC管理所有室内设施，将工业领域理念灌输到科研中；多篇利用WIWAM系统进行研究的文章发表在先进期刊如Nature Biotechnology等上面；迅速增长的用户群；采用开放式框架设计，可整合市面上的所以种类成像模块。

应用领域

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作物产量的主要瓶颈。表型工作是较耗劳力和较具技术挑战性的部分，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 植物表型成像系统集成了这些技术，替代了很多人工处理。该植物表型平台可应用到多个研究领域，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。也可在不同光照条件，营养水平或土壤类型下，研究化学物影响.

产品可选配模块

可见光RGB成像模块

可见光RGB成像是所有高通量植物表型平台的核心部分，它分辨率高、测量快速、科研中应用最多、发表文章最多，可以捕获与植物生长和发育相关的大量参数。此外，它们可以提供植物形态和结构的测量，并且包含颜色信息。参数如下：

叶面积

植物紧实度／紧密度

叶片周长

偏心率

叶圆度

叶宽指数 

叶片细长度SOL

植物圆直径

植物质心

节间距

生长高度

植物三维最大高度和宽度

叶倾角

节叶片数量

可见光RGB成像技术参数

分辨率：4008×2672像素

最大信噪比：41.3 dB

最大帧频：39帧

杂散光敏感度：1/50000

输出：24位RGB

扩展动态范围：是，最高90 dB

敏感度：5,56 V/lux.s

暗电流：125 e-/s (25 degC)

转换增益：0,075 LSB/e-

固定模式噪音：< 1 LSB (<0.1% of full swing)

完全充电：13500 e-

电源电压：1.8V / 3.3V

暗噪音：13 e- (RMS)

功率：600 mW

动态范围：60 dB

叶绿素荧光成像模块

叶绿素荧光成像属于定制化设计，成像面积范围是从30x30cm到200x200cm，是目前适合大型植物植株成像的荧光成像系统。它可以顶部成像，也可以侧面成像，甚至顶部和侧面都成像；集成到高通量植物表型平台中，进行高通量的光合表型测量。该模块技术参数如下：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。

叶绿素荧光成像技术参数

相机传感器类型：CCD

相 机 分 辨 率 ：140万像素

Binning：1 x 1到8 x 8

灰阶：14比特或16 384级灰阶

图像采集速度：30帧/秒

图像格式：16位RAW格式

光谱范围：350～950 nm

镜头类型：8 mm定焦，4

光学滤光片：6种高质量光学干涉滤光片，包括荧光、红光、绿光、蓝光、花青素和近红外滤光片

数据传输方式：Ethernet

叶绿素荧光激发光源：光强0-1 000 umol m-2 s-1

光化光源：光强0-1 000 umol m-2 s-1

多光谱和彩色图像光源：白色LED和近红外LED

成像面积：30 cm x 30 cm到200 cm x 200 cm，完全定制化设计

工作温度：+5～+40℃

比利时根特大学的表型平台整合叶绿素荧光成像模块的应用案例

该平台作为一个传感器，扩展一套叶绿素荧光成像系统。多功能工作台可以包含高达20cm的小植物和多孔板，高分辨率相机系统能够进行RGB成像和标准光合测量，并结合叶绿素和花青素含量的光谱测量，还可以可视化GFP和RFP信号。图像既可以在整个平台上植物水平（相机的位置跟随植物的生长曲线）上获得，也可以在单个植株的水平上获得。平台上还有一个指定的浇水站，可以浇灌植物，在多孔板中分配非常少量的溶液，并将液体蒸发到每个孔板中。生长室温湿度技术升级后，WIWAM系统在实验过程中兼顾了环境条件的控制和记录，还提供了专用的调制光谱照明。WIWAM软件管理不同的用户定义的日光配置文件。

此植保研究平台将基因编辑技术与表型组技术结合，通过对病原菌或有益微生物的基因编辑，能够在肉眼不可见的尺度和时间进行植物-微生物互作研究。图2是应用于高通量筛选具有除草或生物刺激作用的新生物活性分子或新农用化学品。图3是利用GFP荧光观测赤霉病侵染过程。

群体植物光合长期监测模块

群体植物光合监测系统适用于实验室、温室和大田，采用叶绿素荧光“遥测”技术，实现了大面积对植物群体光合作用的连续监测。

群体植物光合监测系统安装在植物上方1-4m处，每5秒钟，激光束不断变化在植物上的位置，每次循环可生成数百个测量点。它用一束激光（类似于激光笔的光线）打到叶片上进行叶绿素荧光测量，在30min到1h内可以对数平米内的所有植物测量一次。测量参数包括最大光合效率Fv/Fm、实际光合效率Fq’/Fm’(DF/Fm’)、光强PAR、太阳总辐射、相对电子传递速率ETR、植物高度等。

系统特点

可以获得24/7样品的实时信息可达 17000个测量/天

能够区分植物样品和非植物样品，只有植物样品才会被测量并存储能够选择感兴趣的区域（ROI），进行小区域或单株光合作用分析测量位点可编程控制

在植物上方1-4米处遥测

同时测量光合效率、PAR、相对电子传递速率、太阳总辐射、测量点的叶片高度、植物平均高度，并估算植物叶片对土壤的覆盖度

独立使用或集成到WIWAM在线软件平台

实时监测，同时满足温室和田间使用的需求

测量参数

各个叶片最大光合效率Fv/Fm（夜间）

各个叶片实际光合效率DF/Fm’（白天） 

各个叶片表面光强PAR相对量

各个叶片相对电子传递速率rETR

太阳总辐射

测量点的叶片高度

植物平均高度

植物叶片对土壤的覆盖度

近红外成像模块

近红外成像主要用于观测分析植物的水分状态及其在不同组织间的分布变异，处于良好浇灌状态的植物表现出对近红外光谱的高吸收性，而处于干旱状态的植物则表现出对近红外光谱的高反射性，通过分析软件可以监测分析从干旱胁迫到再浇灌过程中的整个过程动态及植物对干旱胁迫的响应和水分利用效率，并形成假彩图像，可以与植物的形态指数及叶绿素荧光指数进行相关分析研究。

近红外成像模块技术参数

分辨率：320 x 256像素

图像传感器：2/3英寸 INGaAs

像素大小：35 x 35μm

光谱范围：900 - 1700nm

最大帧率：50Hz

数据传输：千兆以太网

图像大小：1.5M

图像位深度：Mono 16:12 字节／像素

镜头卡口：C接口

焦距：2.5 ～ 75mm

最大光圈：1:1.8

光圈控制：马达，Type 1，6V，最大35mA

光圈速度：4 s

聚焦控制：马达，Type 1，6V，最大40mA

聚焦控制速度：5 s

变焦控制：马达，Type 1，6V，最大40mA

变焦控制速度：5s

可视角度（水平）：（38°～49°）（广角端）～（6°～40°）（远端）

最小工作距离：0.5m

滤光片线程：49mm x 0.75mm

尺寸：101.5mm x 92.2mm x 94.5mm

重量：820g

最小变焦：200mm x 150mm

最大变焦：35mm x 26mm

工作温度：10～55℃

高频光源：22 kHz，光强波动范围2%，平均寿命2500h

红外热成像模块

红外热成像主要用于成像分析植物在光辐射情况下的二维发热分布，良好的散热可以使植物耐受较长时间的高光辐射或低水条件（干旱）。

红外热成像技术参数

分辨率：640 x 480像素

传感器类型：焦平面阵列（FPA），非致冷微测热辐射计

噪声等效温差（NETD）： <0.05℃ @ + 30℃/ 50mK

光谱范围：7.5 ～ 13μm

温度测量范围：–20～ +150℃，0 ~+650℃

数据传输：千兆以太网

图像流：16-bit 640 x 480 pixels @ 25 Hz

焦 距 ：24.5mm

光 圈 ： F1

帧速：25Hz

空间分辨率（IFOV）：0.69mrad

最小工作距离：0.4m

可视角度（水平）：25°x 18.8° 

工作温度：-15～50℃

允许拍摄的植物最大尺寸：高约2m，宽约1.5m

精度：±2℃或读数±2%

高光谱成像模块

高光谱成像在估测植物各种生化组分的吸收光谱信息及植物生长情况的检测上表现出了强大的优势，主要用于植物 的营养状况、水分含量、长势情况、病虫害情况监测等。

高光谱成像技术参数

光谱范围:400-1000/900-1700 nm

光谱分辨率: 5.5 / 8 nm

空间像素数:1024 / 640

成像速度:330-9900 / 670-15000 Hz

波段可选

激光3D扫描多光谱成像模块

激光3D扫描成像模块

激光3D扫描成像能够耐受全日照辐射而不影响测量，在高精度测量三维点云信息的同时，测量400-900 nm范围内4个波段的多光谱成像，使得我们可以得到植物在X、Y和Z轴上所有坐标点的多光谱信息，通过点云的空间深度信息和角度信息，可以对光谱信息进行完美的校准，从而获得更加精准的数据。此模块可以得到的参数如下：

植物高度

3D叶面积

叶片投影面积

数字生物量

叶片倾斜度

叶面积指数

光穿透深度

叶片覆盖度

归一化植被指数

增强型植被指数

光化学反射指数

绿度

叶绿素

衰老信息

激光3D扫描成像模块的应用案例

WIWAM团队安装了一个包含两个3D扫描仪的表型系统，同时作为一个双扫描装置，用于创建生长在550平方米温室中的植物的精确3D点云。该系统采用sensor-to-plant的方法，以高通量的方式对植株进行自动化、无损的测量。由于不允许固定在地板上，设计了一种吊梁式门形机器人。安装一个10.2米长的铝制桁架结构，摄像头系统的位置由伺服驱动的XY系统控制。应客户要求，将第三方软件集成到表型平台的功能中。

激光3D扫描成像技术参数

形态参数：10

光谱灵敏度：380-900nm

光谱带：多达7

温度控制：激光、LED和相机温度控制

重量：5.3kg

尺寸：440×210×99mm

输入/输出：数字信号外部触发器，RS232/RS485*，7通道闪光TTL输出

测量速率：50 XZ-profiles / s

温度范围：- 10-50°C

湿度：0—100%相对

激光等级：1M

电源要求：24伏直流电，10—36V直流电

耗电量：50W

保护等级：IP65

连接：WIFI，以太网

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成像模块

根系CT成像是植物表型平台的重要组成部分，成功的实现了原位监测植株根系状态，并对直径20cm花盆内自然土 壤中的根系进行扫描和重建。

根系CT成像技术参数

尺寸：不包括外围设备约5 m x 1.5 m x 2.5 m（高压供电及控制箱需要额外1.5 m x 1 m）

焦点到检测器的最大距离：850 mm

焦点到被测物的距离：740 mm

视野面积：20 x 20 cm（即花盆直径最大20 cm，花盆高度最大20 cm）

安全防护：硬件互锁，一旦门被打开射线发射器马上停止工作

高通量测量：X-射线检测器以及X-射线管安装在传送带系统上，可以360°循环旋转测量。

环境防护：关键部位涂有额外的保护涂层，以适应比较苛刻的环境（如灰尘）。如有其它特殊防护要求请客户提前做出说明。

成像速度：为5 min/盆

有效面积：200 x 200 mm

像素间距：100 µm

分 辨 率 ：约为 2000 x 2000 像素

电压：10-225 kV

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

高压供电：配备有高压电源（电流16 A ）

IT解决方案和储存

WIWAM软件在工业计算机上运行，触摸屏。该软件配有用户友好图形界面，用于控制机器人站行为以及以较高灵活度设计设计实验。可同时运行多组实验，可运行不同随机模式，可及时规划单个植株或一组植株的处理。在预设启动时间，PC机将向工业PLC发送指令，照管机器人移动。所有成像，称重/浇水以及环境数据均可存于SQL数据库，记录后可用于分析记录。系统采用了开放式数据库结构，可以直接获取图像。该平台可以与高性能计算相连，用于分析储存数据或者可与本地服务器设施整合。

SMS邮件服务可以通知用户机器报警和错误，可尽快进行用户干涉。系统可于任一点暂停和停下，UPS(不间断电源)可防止数据丢失和确保在停电后全系统恢复。该软件也有平台管理员系统设置和维护行为通道。

图像分析和数据可视化

WIWAM Conveyor有VIB开发的图像分析和数据可视化软件支持，此软件包，称为PIPPA，是网络界面和数据库，一方面用来为不同类型的WIWAM植物表型平台提供管理的工具，另一方面用于分析图像和数据。

PIPPA与该平台通讯，通过将PIPPA网络界面生成的实验结果传到平台。每个花盆的处理和基因型信息已在数据库限定以确保在整个实验中的数据一体性。实验期间PIPPA对来自平台的称重，灌溉测量，环境数据，错误记录以及图像信息进行处理分析。PIPPA支持这些图像后续处理(旋转/收获/等)。图像分析文本可以在PIPPA界面初始化，可设置于网络服务器运行(独立版本)或计算机群运行，以快速生成结果。随后，通过检查数据是否在特定阈值之内可在网络几面对输出文本进行验证，例如，是否生长相关性状，如植物枝条面积一段时间内是否增加。

北京博普特科技有限公司是比利时WIWAM植物表型成像系统的中国区总总代理，全面负责其系列产品在中国市场的推广、销售和售后服务。