CN103125295B - 一种研究植物光合作用的实验装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开了一种研究植物光合作用的实验装置和方法，该装置包括：植物种植装置、半导体光源、第一处理器、气体检测装置、温度传感器和视频采集模块。其中，植物种植装置包括多个生长室。且各个生长室内设有波长和光照强度可调的半导体光源，从而可以使各个生长室内的半导体光源，直接发出各个生长室内所需波长或光照强度的光线，提高了研究结果的准确性。而且，相邻生长室中间的通孔处设置有采集植物生长状态视频图像的视频采集模块，可以对各个生长室内的待研究植物进行360°实时监测，从而可以连续或实时获得待研究植物在不同光谱、光照强度下的生长状况，为分析待研究植物在不同光谱和光照强度下的生长状况，提供了可靠的数据。

Description

一种研究植物光合作用的实验装置和方法

技术领域

本发明涉及植物光生物学研究领域，尤其涉及一种研究植物光合作用的实验装置和方法。

背景技术

光合作用被誉为是地球上最重要的化学反应，没有光合作用就不可能有人类社会的产生和发展。光合作用是作物产量形成的物质基础，如何充分利用太阳能进行光合作用是农业生产中的一个根本性问题。光合作用对提高农业生产率及增加能源生产具有重要意义，同时对研究生命起源、进化及光能转化等基本理论问题也是很重要的。光合作用是绿色植物通过叶子的气孔从空气中吸收CO₂，并通过根部吸收水分，在叶绿体的作用下，利用光能把CO₂-转化成碳水化合物和化学潜能的过程。根据有关资料报导植物的干物质中约90%是以碳水化合物为主的碳化物，而由根吸收的无机盐类只占干物质的10%。

然而，现有技术中研究植物的光合作用与不同的光谱、光照强度之间的关系时，实验装置和方法精度较低，导致研究结果不准确。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明实施例提供了一种研究植物光合作用的实验装置和方法，以克服现有技术中研究植物的光合作用与不同的光谱、光照强度之间的关系时，实验装置和方法精度较低的问题，提高研究结果的准确性。

为解决上述问题，本发明实施例提供了如下技术方案：

一种研究植物光合作用的实验装置，包括：

植物种植装置，所述植物种植装置包括：相互嵌套且两端平齐的不透光内壳和不透光外壳、完全覆盖所述内壳和外壳两端的不透光顶盖和不透光底盖、以及将所述内壳、外壳、顶盖和底盖所构成的环形空间等分成多个生长室的不透光隔离板，其中，所述隔离板与顶盖之间具有第一通孔；

设置在各个生长室内波长、光照时间和光照强度可调的半导体光源；

控制所述半导体光源的波长、光照时间和/或光照强度的第一处理器；

设置在各个生长室内的气体检测装置；

设置在各个生长室内的温度传感器；

设置在第一通孔处用于采集植物生长状态视频图像的视频采集模块。

优选的，还包括：与所述视频采集模块相连，从所述视频实时采集模块采集的植物生长状况视频图像中，提取植物生长状况的视频图像序列，以及根据所述植物生长状况的视频图像序列和预先获得的描述植物生长状况的状态参数，提取叶片的不变矩、傅里叶描绘子和分形维数，作为网络的输入样本，并采用误差回传神经网络对所述网络的输入样本进行分类识别，获得待研究植物生长状态序列的第二处理器。

优选的，还包括：与所述第二处理器相连，记录植物生长状态序列的存储器。

优选的，所述存储器包括：记录植物正常生长状态序列的第一存储器；记录待研究植物生长状态序列与所述第一存储器中植物正常生长状态序列的比较结果的第二存储器。

优选的，还包括：与所述视频采集模块相连，将所述视频采集模块采集的植物生长状况视频图像上传至远程数据中心的数据传输装置。

一种研究植物光合作用的方法，应用于上述实验装置，包括：

预设各个生长室内半导体光源的光照强度和波长；

将待研究的植物放置于各个生长室中；

控制所述半导体光源的光照强度，使得各个生长室内待测点的光照强度与预设的光照强度相一致；

开启视频采集模块，以使所述视频采集模块采集在各个生长室中的植物生长状况的视频图像；

开启气体检测装置，对各个生长室内的气体含量进行检测；

开启温度传感器，实时监测各个生长室内的温度变化情况。

优选的，还包括：

从所述视频采集模块实时采集的植物生长状况视频图像中，提取植物生长状况的视频图像序列；

根据所述植物生长状况的视频图像序列和预先获得的描述植物生长状况的状态参数，提取叶片的不变矩、傅里叶描绘子和分形维数，作为网络的输入样本；

采用误差回传神经网络对所述网络的输入样本进行分类识别，获得待研究植物的生长状态序列。

优选的，所述预设的描述植物生长状况的状态参数根据植物生长状况的特征参数计算得到。

优选的，还包括：预先存储植物正常生长的状态序列；记录待研究植物生长的状态序列与所述植物正常生长的状态序列的比较结果。

优选的，还包括：将所述视频采集模块采集的植物生长状况视频图像上传至远程数据中心，进行分析。

与现有技术相比，上述技术方案具有以下优点：

本发明实施例所提供的技术方案中，植物种植装置包括多个生长室，且各个生长室内设置有波长和光照强度可调的半导体光源，从而可以根据光合作用对光谱的需求，使各个生长室内的半导体光源，直接发出各个生长室内所需波长或光照强度的光线，解决了现有技术方案中，利用对人工光源获得所需波长或强度时，精度较低的问题，提高了研究结果的准确性。而且，本发明实施例所提供的技术方案中，设置在第一通孔处用于植物生长视频图像的视频采集模块，可以对各个生长室内的植物进行360°实时监测，从而可以连续或实时获得植物在不同光谱、光照强度下的生长状态，为分析植物在不同光谱和光照强度下的生长状态时，提供了可靠的数据。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例一所提供植物种植装置的结构示意图；

图2为本发明实施例三所提供的一种研究植物光合作用的方法流程示意图；

图3为本发明实施例三所提供的另一种研究植物光合作用的方法流程示意图；

图4为本发明实施例四所提供的研究植物光合作用的方法流程示意图；

图5为本发明实施例五所提供的研究植物光合作用的方法流程示意图。

具体实施方式

正如背景技术部分所述，现有技术中研究植物的光合作用与不同的光谱、光照强度之间的关系时，实验装置和方法精度较低，导致研究结果不准确。

发明人研究发现，现有技术中研究植物的光合作用与不同的光谱、光照强度之间的关系时，常用的用于植物照明的人工光源主要分为两个系列：红光系列和蓝光系列。其中，红光系列主要以高压钠灯为代表，用于植物的营养生长和光形态的形成；蓝光系列主要以荧光灯和金属卤化物等为代表，用于植物的繁育生长。

而在利用该光源研究植物的光合作用与不同光谱、光照强度的光源之间的关系时，存在以下问题：

第一，白炽灯、高压钠灯或荧光灯光源强度的调节精度不够，使得所滤出的光谱宽度在30nm左右，使得现有技术中的实验方法精度较低，导致研究结果不准确；

第二：在通过调节变压器调节该人工光源的光源强度过程中，光源的光谱会发生偏移，也会使得现有技术中的实验方法精度较低，从而进一步降低研究结果的准确性；

第三：上述光源是依据人眼的视觉函数曲线，针对人对光谱的灵敏度而设计的，理论基础是光度学。但是针对植物而言，由于光合作用对光谱的需求是有选择性的，其选择光谱特点与人眼的视觉函数曲线有着本质的区别，从而使得现有技术中的实验方法精度较低，降低了研究结果的准确性；

第四：现有技术中的实验方法，对植物在不同光谱、光照强度下的生长状态缺乏连续或实时的监测，导致在分析植物在不同光谱和光照强度下的生长状态时，缺乏可靠的数据。

有鉴于此，本发明提供了一种研究植物光合作用的实验装置和方法，以克服现有技术中研究植物的光合作用与不同的光谱、光照强度之间的关系时，实验装置和方法精度较低的问题，提高研究结果的准确性。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。

在以下描述中阐述了具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以多种不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广。因此本发明不受下面公开的具体实施的限制。

实施例一：

本发明实施例提供了一种研究植物光合作用的实验装置，包括：

植物种植装置，如图1所示，所述植物种植装置包括：相互嵌套且两端平齐的不透光内壳101和不透光外壳102、完全覆盖所述内壳101和外壳102两端的不透光顶盖103和不透光底盖104、以及将所述内壳101、外壳102、顶盖103和底盖104所构成的环形空间等分成多个生长室的不透光隔离板105，为了清楚的显示分隔板105，图1中将分隔板105涂黑了。其中，所述隔离板105与顶盖103之间具有第一通孔106；且在本发明的一个实施例中，所述第一通孔沿所述底盖104到顶盖103方向上的高度优选为20㎝，但本发明对此并不做限定。

由于所述植物种植装置的内壳101、外壳102、顶盖103、底盖104以及隔离板105的材料均为不透光材料，因此，所述植物种植装置为一个密闭的暗室。在具体应用时，各个生长室内放置有相同且等量的待研究植物。

在本发明的一个实施例中，所述植物种植装置优选为圆柱型，包括六个生长室，其中，所述外壳102的俯视图优选为半径为160厘米的圆形，所述内壳101的俯视图优选为半径60㎝的圆形，所述底盖104到顶盖103之间的距离优选为200㎝，在本发明的其他实施例中，所述植物种植装置还可以为六棱柱形、七棱柱形、八棱柱形等等，其所包括的生长室的数量可以为七个、八个等等，本发明对此并不做限定，视具体的研究需求而定。

设置在各个生长室内波长、光照时间和光照强度可调的半导体光源，所述半导体光源的波长范围在380nm-700nm之间，用于为待研究植物提供光能；在本发明的一个实施例中，所述半导体光源可以为单波长，也可以为复合光谱，本发明对此并不限定。

为了便于研究待研究植物的光合作用与不同光谱或光照强度之间的关系，所述植物种植装置的各个生长室中均设置有所述半导体光源，各个生长室中所述半导体光源的波长或光照强度不同，且各个生长室中的半导体光源相互隔离，以避免相邻生长室内半导体光源的交叉影响。需要说明的是，所述半导体光源可以根据不同的研究需求进行替换。

在本发明的一个实施例中，所述半导体光源的光色可以为暖白光（色温3200K-6000K及3200K以下）、正白光（6000K-6500K）或者冷白光（6500K-7000K及7000K以上），紫光(370nm-420nm)、蓝光(420nm-500nm)、绿光(500nm-560nm)、黄光(560nm-590nm)、橙光(59lnm-610nm)、红光(620nm-700nm)等六种颜色，或至少两种或两种以上波长的光组成的混合光谱。在本发明实施例中，所述半导体光源可以直接根据光合作用对光谱的需求，发出各个生长室内所需波长或光照强度的光线，从而解决了现有技术方案中，利用对人工光源获得所需波长或强度时，精度较低的问题，提高了研究结果的准确性。

优选的，所述半导体光源可以包括二极管，所述二极管优选为发光二极管或激光二极管，其中发光二极管包括有机发光二极管和无机发光二极管。

需要说明的是，在本发明的一个实施例中，所述植物种植装置还包括：设置于所述外壳102侧壁以及所述隔离板105侧壁上的荧光布，以使得所述生长室内的光照分布更加均匀。优选的，设置在所述外壳102侧壁上的荧光布为全封闭式，使所述植物种植装置与外界环境完全隔离，大小为160㎝*180㎝；所述隔离板侧壁上的荧光布大小为60㎝*180㎝。

控制所述半导体光源的波长、光照时间和/或光照强度的第一处理器，即所述第一处理器可以对所述半导体光源的波长和/或光照时间进行调节，也可以对所述半导体光源的波长和/或光照强度进行调节，还可以对所述半导体光源的光照时间和/或光照强度进行调节；优选的，所述第一处理器包括：与所述半导体光源相连的光源驱动模块、与所述光源驱动模块相连的嵌入式处理模块，以及与所述嵌入式处理模块相连的光照强度传感模块。

其中，所述嵌入式处理模块智能化控制所述半导体光源的光照时间与光照强度，并通过所述光源驱动模块对所述半导体光源进行驱动。所述光照强度传感模块可上下左右移动测定待研究植物的高度和其所在平面上的光照强度，并将测定数据上传到嵌入式处理模块，当待研究植物的高度和其所在平面上的光照强度与设定光照强度值不一致时，自动调整所述光源驱动模块的占空比和PWM信号，从而使其光照强度达到设定值。

设置在各个生长室内的气体检测装置，所述气体检测装置用于测定各个生长室内，待研究植物生长过程中二氧化碳和氧气的含量，并对测量结果进行存储；

设置在所述各个生长室内的温度传感器，所述温度传感器用于监测各个生长室内的温度变化情况。当所述温度传感器监测到的温度处于设定状态之外时，对所述植物种植装置进行加热，使其温度处于设定状态；

设置在第一通孔处用于采集植物生长状态视频图像的视频采集模块。

由于所述视频采集模块设置在所述第一通孔处，而所述第一通孔设置于隔离板105与顶盖103之间，因此，每个视频采集模块均可采集到相邻两个生长室内，待研究植物的生长情况，从而使得本发明所提供的装置可以实现对待研究植物的360°连续、实时监测，进而为研究待研究植物在不同光谱或光照强度下的光合作用，提供了可靠的数据。

在本发明的一个实施例中，所述视频采集模块可以为摄像头，优选为OV7620摄像头，OV7620摄像头是一款高度集成和高分辨率的CMOS图像传感器，支持YCbCr和RGB数据格式输出，分辨率为640×480。

在本发明的一个实施例中，该实验装置还包括：与所述视频采集模块相连，从所述视频实时采集模块采集的待研究植物生长状况视频图像中，提取待研究植物生长状况的视频图像序列，以及根据所述待研究植物生长状况的视频图像序列和预先获得的描述植物生长状况的状态参数，提取叶片的不变矩、傅里叶描绘子和分形维数，作为网络的输入样本，并采用误差回传神经网络对所述网络的输入样本进行分类识别，获得待研究植物生长状态序列的第二处理器，从而使得本发明实施例所提供的实验装置不需要人为分析，进而使得获得的待研究植物生长状态序列更加客观，也更加准确。

其中，从所述视频实时采集模块采集的待研究植物生长状况视频图像中，提取待研究植物生长状况的视频图像序列又包括：根据所述待研究植物生长状况的视频图像序列，对采集到的彩色图像进行灰化处理；利用灰化处理后的视频图像中待提取的目标物体与背景之间灰皮上的差异，计算出至少一个阈值或阈值范围，并根据所述阈值或阈值范围，将灰化处理后的视频图像分为对象物和背景两部分，实现视频图像的二值化；采用数学形态学膨胀和腐蚀运算对二值化的图像进行滤波处理，消除图像的毛刺和细微空洞，并对叶片图像进行去把处理，从中提取待研究植物生长状况的图像序列。

在本发明的另一个实施例中，所述实验装置还包括：与所述第二处理器相连，记录植物生长状态序列的存储器。优选的，所述存储器包括：记录植物正常生长状态序列的第一存储器；和记录待研究植物生长状态序列与所述第一存储器中植物正常生长状态序列比较结果的第二存储器。

在本发明的第三个实施例中，所述实验装置还包括：与所述视频采集模块相连，将所述视频采集模块采集的植物生长状况视频图像上传至远程数据中心的数据传输装置。优选的，所述数据传输装置可以通过有线或无线网络，将所述视频采集模块采集的植物生长状况视频图像上传至远程数据中心，从而可以在远程数据中心，对所采集到的植物生长状况视频图像进行分析，得到待研究植物的生长状态序列。

需要说明的是，所述数据传输装置不仅可以在某个单一网络接入模式进行实时视频传输，也可以在任意两种网络组合模式(主要是WLAN/WCDMA、CDMA2000TD-SCDMA和WLAN/GPRS TD-LTE网络)，或四种网络组合模式条件下进行视频传输，以获得最佳的视频传输效果。

综上所述，本发明实施例所提供的研究植物光合作用的实验装置中，所述植物种植装置包括多个生长室，且各个生长室内设置有波长和光照强度可调的半导体光源，从而可以根据光合作用对光谱的需求，使各个生长室内的半导体光源，直接发出各个生长室内所需波长或光照强度的光线，解决了现有技术方案中，利用对人工光源获得所需波长或强度时，精度较低的问题，提高了研究结果的准确性。而且，本发明实施例所提供的技术方案中，设置在第一通孔处采集植物生长视频图像的视频采集模块，可以对各个生长室内的植物进行360°实时监测，从而可以连续或实时获得植物在不同光谱、光照强度下的生长状况，为分析植物在不同光谱和光照强度下的生长状况时，提供了可靠的数据。

实施例二：

本发明实施例提供了另一种研究植物光合作用的实验装置，不仅可以研究植物在不同光谱和光照强度下的生长状况，还可以同时研究昆虫的趋光性行为，具体的，该装置包括：

植物种植装置，所述植物种植装置包括：相互嵌套且两端平齐的不透光内壳和不透光外壳、完全覆盖所述内壳和外壳两端的不透光顶盖和不透光底盖、以及将所述内壳、外壳、顶盖和底盖所构成的环形空间等分成多个生长室的不透光隔离板，其中，所述隔离板与顶盖之间具有第一通孔，所述内壳下端与所述各个生长室之间，以及所述隔离板与底盖之间具有供昆虫穿梭第二通孔，从而使得昆虫可以在所述植物种植装置的内部腔室和各个生长室之间自由穿梭；在本发明的一个实施例中，所述第二通孔沿所述底盖104到顶盖103方向上的高度优选为10㎝。

设置在各个生长室内波长、光照时间和光照强度可调的半导体光源，所述半导体光源包括：用于为植物提供光能，使其在封闭空间内能够生长的第一半导体光源；和，至少一种用于诱虫和/或驱动的第二半导体光源；

需要说明的是，用于诱虫的第二半导体光源和用于驱动的第二半导体光源，其光谱组成成分并不相同，在本发明的一个实施例中，所述半导体光源可以包括至少一个用于诱虫的第二半导体光源，在本发明的另一个实施例中，所述半导体光源可以包括至少一个用于驱虫的第二半导体光源，在本发明的第三实施例中，所述半导体光源可以包括至少一种用于诱虫和驱动的第二半导体光源，本发明对此并不做限定。

为了便于研究植物在不同波长或光照强度下的授粉情况等，优选的，各个生长室内第二半导体光源的波长和光照强度均相同。

控制所述半导体光源的波长、光照时间和/或光照强度的第一处理器；

设置在各个生长室内的气体检测装置；

设置在各个生长室内的温度传感器；

设置在第一通孔处用于采集植物生长状态视频图像和昆虫活动视频图像的视频采集模块。

由上可知，相较于实施例一种所提供的实验装置，本实施例所提供的实验装置中，所述植物种植装置还包括位于所述隔离板与底盖之间供昆虫穿梭第二通孔，从而使得昆虫可以在所述植物种植装置的内部腔室和各个生长室之间自由穿梭；所述半导体光源还包括至少一种用于诱虫和/或驱动的第二半导体光源，从而使得本发明所提供的实验装置可以在研究植物的在不同光谱或光照强度下授粉情况的同时，还可以研究植物被昆虫的侵食情况或昆虫的趋光性行为等。

实施例三：

本发明提供了一种利用实施例一中所提供的实验装置研究植物光合作用的方法，如图2所示，包括：

步骤101：预设各个生长室内半导体光源的光照强度和波长，将各个生长室内半导体光源的光照强度固定为同一光照强度，预设各个生长室内半导体光源的波长，使得各个生长室内的半导体光源分别为红光、黄光、绿光、蓝光、冷白光和暖白光。

步骤102：将待研究植物放置于各个生长室中，让其在设有不同光谱的生长室内生长数日；

步骤103：控制所述半导体光源的光照强度，使得各个生长室内待测点的光照强度与预设的光照强度相一致；

在本发明的一个实施例中，控制所述半导体光源的光照强度包括：

步骤10301：通过第一处理器中的光源驱动模块为所述半导体光源提供驱动信号；

步骤10302：利用第一处理器中的嵌入式处理模块智能化控制所述半导体光源的光照时间与光照强度；

步骤10303：利用第一处理器中的光照强度传感模块上下左右移动测定待研究植物的生长高度和其所在平面上的光照强度，并将测定数据上传到嵌入式处理模块，当待研究植物的生长高度和其所在平面上的光照强度与设定光照强度值不一致时，自动调整所述光源驱动模块的占空比和PWM信号，从而使其光照强度达到设定值。

步骤104：开启视频采集模块，利用所述视频采集模块监控待研究植物在各个生长室内的生长情况，以使所述视频采集模块采集在各个生长室中的待研究植物生长状况的视频图像；

步骤105：开启气体检测装置，对各个生长室内的气体含量进行检测，以确定各个生长室内，待研究植物生长过程中二氧化碳和氧气的含量，并对测量结果进行存储；

步骤106：开启温度传感器，实时监测各个生长室内的温度变化情况，当所述温度传感器监测到的温度处于设定状态之外时，对所述植物种植装置进行加热，使其温度处于设定状态。

如图3所示，在本发明的一个实施例中，该方法还包括：

步骤107：利用第二处理器对所述视频采集模块采集到的图像信息进行分析，获得待研究植物生长的相关信息。具体包括：

步骤10701：从所述视频采集模块实时采集的植物生长状况视频图像中，提取植物生长状况的视频图像序列；

步骤10702：根据所述植物生长状况的视频图像序列和预先获得的描述植物生长状况的状态参数，提取叶片的不变矩、傅里叶描绘子和分形维数，作为网络的输入样本。；

步骤10703：采用误差回传神经网络（即BP神经网络），对所述网络的输入样本进行分类识别，获得待研究植物生长状态序列。

其中，步骤10701：从所述视频采集模块实时采集的植物生长状况视频图像中，提取植物生长状况的视频图像序列又包括：根据所述待研究植物生长状况的视频图像序列，对采集到的彩色图像进行灰化处理；利用灰化处理后的视频图像中待提取的目标物体与背景之间灰皮上的差异，计算出至少一个阈值或阈值范围，并根据所述阈值或阈值范围，将灰化处理后的视频图像分为对象物和背景两部分，实现视频图像的二值化；采用数学形态学膨胀和腐蚀运算对二值化的图像进行滤波处理，消除图像的毛刺和细微空洞，从中提取待研究植物生长状况的图像序列。需要说明的是，由于叶片的把长短不一，优选的，在提取待研究植物生长状况的图像序列前还需对叶片图像进行去把处理。

在本发明的一个实施例中，所述预设的描述植物生长状况的状态参数根据植物生长状况的特征参数计算得到，包括：定义所述植物种植装置中待研究植物生长状况的特征参数；将待研究植物的生长状况特征参数，通过数据融合的方法，计算得到多个描述植物生长状况的状态参数，如种子萌发、开花、结果等。

在本发明的另一个实施例中，本发明实施例所提供的研究植物光合作用的方法还包括：

预先存储植物正常生长的状态序列；

将待研究植物的生长状态序列与植物正常生长的状态序列进行比较，并记录待研究植物的生长状态序列与所述植物正常生长的状态序列的比较结果。

其中，预先存储植物正常生长的状态序列包括：

在所述植物种植装置中放置健康的植物，并让其在所述植物种植装置中正常生长；利用所述视频采集模块观察植物正常的生长状况，并利用第二处理器从所述视频采集模块采集的植物正常生长的视频图像中，提取植物正常生长的视频图像序列；根据所述植物正常生长的视频图像序列和预设的描述植物生长的状态参数，提取叶片的不变矩、傅里叶描绘子和分形维数，作为网络的输入样本，并采用误差回传神经网络对所述网络的输入样本进行分类识别，获得植物正常生长的状态序列；

对所述植物正常生长的状态序列进行存储。

在本发明的又一个实施例中，本发明所提供的方法还包括：利用网络技术或视频信号传输技术，将所述视频采集模块采集的植物生长状况视频图像上传至远程数据中心，在远程数据中心对所述视频采集模块所采集到的视频图像进行分析，获得植物正常生长的生长状态序列以及待研究植物的生长状况状态序列，并将待研究植物生长状况的状态序列与所述植物正常生长的状态序列进行比较，得到比较结果。

本发明实施例所提供的研究植物光合作用的方法中，根据光合作用对光谱的需求，使各个生长室内的半导体光源，直接发出各个生长室内所需波长或光照强度的光线，解决了现有技术方案中，利用对人工光源获得所需波长或强度时，精度较低的问题，提高了研究结果的准确性。而且，本发明实施例所提供的技术方案中，设置在第一通孔处用于植物生长视频图像的视频采集模块，可以对各个生长室内的植物进行360°实时监测，从而可以连续或实时获得植物在不同光谱、光照强度下的生长状态，为分析植物在不同光谱和光照强度下的生长状态时，提供了可靠的数据。

实施例四：

本发明提供了另一种利用实施例一中所提供的装置研究植物光合作用的方法，如图4所示，包括：

步骤201：预设各个生长室内半导体光源的光照强度和波长，将各个生长室内的半导体光源固定为一个颜色，如白色，预设各个生长室内半导体光源的光照强度，使得光照强度分别为1000ux、2000lx、3000lx、4000lx、5000lx，其他条件一致。

步骤202：将待研究的植物放置于各个生长室中，让其在设有不同光照强度的生长室内生长数日。

步骤203：控制所述半导体光源的光照强度，使得各个生长室内待测点的光照强度与预设的光照强度相一致；

步骤204：开启视频采集模块，利用所述视频采集模块监控待研究植物在各个生长室内的生长情况，以使所述视频采集模块采集在各个生长室中的植物生长的视频图像；

步骤205：开启气体检测装置，对各个生长室内的气体含量进行检测，以确定各个生长室内，待研究植物生长过程中二氧化碳和氧气的含量；

步骤206：开启温度传感器，实时监测各个生长室内的温度变化情况，当所述温度传感器监测到的温度处于设定状态之外时，对所述植物种植装置进行加热，使其温度处于设定状态；

步骤207：对所述视频采集模块采集到的视频图像进行分析，得到不同光照强度下，植物生长的相关信息。

本发明实施例所提供的研究植物光合作用的方法中，根据光合作用对光谱的需求，使各个生长室内的半导体光源，直接发出各个生长室内所需波长或光照强度的光线，解决了现有技术方案中，利用对人工光源获得所需波长或强度时，精度较低的问题，提高了研究结果的准确性。而且，本发明实施例所提供的技术方案中，设置在第一通孔处用于植物生长视频图像的视频采集模块，可以对各个生长室内的植物进行360°实时检测，从而可以连续或实时获得植物在不同光谱、光照强度下的生长状态，为分析植物在不同光谱和光照强度下的生长状态时，提供了可靠的数据。

实施例五：

本发明提供了一种利用实施例二中所提供的实验装置研究植物光合作用的方法，如图5所示，包括：

步骤301：预设各个生长室内半导体光源的光照强度和波长，将各个生长室内第一半导体光源的光照强度固定为同一光照强度，预设各个生长室内第一半导体光源的波长，使得各个生长室内的第一半导体光源分别为红光、黄光、绿光、蓝光、冷白光和暖白光。或将所述第一半导体光源固定为白色，各个生长室内第一半导体光源的光照强度分别为1000ux、2000lx、3000lx、4000lx、5000lx。

所述第二半导体光源只要能够用于诱虫或驱虫，且各个生长室内均相同即可，本发明对此不做限定。

步骤302：将待研究植物放置于各个生长室中，让其在设有不同光谱的生长室内生长数日，同时，将授粉昆虫或害虫放置于所述内壳的内部腔室中，所述授粉昆虫或害虫可通过第二通孔在所述内壳的内部腔室和各个生长室内自由活动。

步骤303：控制所述半导体光源的光照强度，使得各个生长室内待测点的光照强度与预设的光照强度相一致；

步骤304：开启视频采集模块，利用所述视频采集模块监控待研究植物在各个生长室内的生长情况，以使所述视频采集模块采集在各个生长室中的待研究植物生长的视频图像；

步骤305：开启气体检测装置，对各个生长室内的气体含量进行检测，以确定各个生长室内，待研究植物生长过程中二氧化碳和氧气的含量；

步骤306：开启温度传感器，实时监测各个生长室内的温度变化情况，当所述温度传感器监测到的温度处于设定状态之外时，对所述植物种植装置进行加热，使其温度处于设定状态。

步骤307：对所述视频采集模块采集到的视频图像进行分析，得到不同光谱或光照强度下，植物生长的相关信息。

相较于本发明实施例三、四所提供的方法，本实施例所提供的方法还能用于研究植物在不同光谱或光照强度下的授粉情况或被害虫侵食的情况。

综上所述，本发明实施例所提供的研究植物光合作用的实验装置和方法中，所述植物种植装置包括多个生长室，且各个生长室内设置有波长和光照强度可调的半导体光源，从而可以根据光合作用对光谱的需求，使各个生长室内的半导体光源，直接发出各个生长室内所需波长或光照强度的光线，解决了现有技术方案中，利用对人工光源获得所需波长或强度时，精度较低的问题，提高了研究结果的准确性。而且，本发明实施例所提供的技术方案中，设置在第一通孔处采集植物生长视频图像的视频采集模块，可以对各个生长室内的植物进行360°实时监测，从而可以连续或实时获得植物在不同光谱、光照强度下的生长状况，为分析植物在不同光谱和光照强度下的生长状况时，提供了可靠的数据。

本说明书中各个部分采用递进的方式描述，每个部分重点说明的都是与其他部分的不同之处，各个部分之间相同相似部分互相参见即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种研究植物光合作用的实验装置，其特征在于，包括：

植物种植装置，所述植物种植装置包括：相互嵌套且两端平齐的不透光内壳和不透光外壳、完全覆盖所述内壳和外壳两端的不透光顶盖和不透光底盖、以及将所述内壳、外壳、顶盖和底盖所构成的环形空间等分成多个生长室的不透光隔离板，其中，所述隔离板与顶盖之间具有第一通孔，所述内壳下端与所述各个生长室之间，以及所述隔离板与底盖之间具有供昆虫穿梭第二通孔；

设置在各个生长室内波长、光照时间和光照强度可调的第一半导体光源，所述第一半导体光源的波长范围在380nm-700nm之间，并且第一半导体光为单波长或复合光谱，所述第一半导体光源用于为植物提供光能，使其在封闭空间内能够生长，还包括：第二半导体光源，所述第二半导体光源用于诱虫和/或驱虫，其中，用于诱虫的第二半导体光源和用于驱虫的第二半导体光源，其光谱组成成分并不相同；

控制所述半导体光源的波长、光照时间和/或光照强度的第一处理器；

设置在各个生长室内的气体检测装置；

设置在各个生长室内的温度传感器；

设置在第一通孔处用于采集植物生长状态视频图像的视频采集模块；

设置于所述外壳侧壁以及所述隔离板侧壁上的荧光布，其中，设置在所述外壳侧壁上的荧光布为全封闭式。

2.根据权利要求1所述的实验装置，其特征在于，还包括：与所述视频采集模块相连，从所述视频实时采集模块采集的植物生长状况视频图像中，提取植物生长状况的视频图像序列，以及根据所述植物生长状况的视频图像序列和预先获得的描述植物生长状况的状态参数，提取叶片的不变矩、傅里叶描绘子和分形维数，作为网络的输入样本，并采用误差回传神经网络对所述网络的输入样本进行分类识别，获得待研究植物生长状态序列的第二处理器。

3.根据权利要求2所述的实验装置，其特征在于，还包括：

与所述第二处理器相连，记录植物生长状态序列的存储器。

4.根据权利要求3所述的实验装置，其特征在于，所述存储器包括：

记录植物正常生长状态序列的第一存储器；

记录待研究植物生长状态序列与所述第一存储器中植物正常生长状态序列的比较结果的第二存储器。

5.根据权利要求1所述的实验装置，其特征在于，还包括：与所述视频采集模块相连，将所述视频采集模块采集的植物生长状况视频图像上传至远程数据中心的数据传输装置。

6.一种研究植物光合作用的方法，其特征在于，应用于权利要求1-5任一项所述实验装置，包括：

预设各个生长室内第一半导体光源的光照强度和波长；

将待研究的植物放置于各个生长室中；

控制所述第一半导体光源的光照强度，使得各个生长室内待测点的光照强度与预设的光照强度相一致，所述第一半导体光源的波长范围在380nm-700nm之间，并且所述第一半导体光为单波长或复合光谱，所述第一半导体光源用于为植物提供光能，使其在封闭空间内能够生长，还包括：第二半导体光源，所述第二半导体光源用于诱虫和/或驱虫，其中，用于诱虫的第二半导体光源和用于驱虫的第二半导体光源，其光谱组成成分并不相同；

开启视频采集模块，以使所述视频采集模块采集在各个生长室中的植物生长状况的视频图像；

开启气体检测装置，对各个生长室内的气体含量进行检测；

开启温度传感器，实时监测各个生长室内的温度变化情况。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，还包括：

从所述视频采集模块实时采集的植物生长状况视频图像中，提取植物生长状况的视频图像序列；

根据所述植物生长状况的视频图像序列和预先获得的描述植物生长状况的状态参数，提取叶片的不变矩、傅里叶描绘子和分形维数，作为网络的输入样本；

采用误差回传神经网络对所述网络的输入样本进行分类识别，获得待研究植物的生长状态序列。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述预设的描述植物生长状况的状态参数根据植物生长状况的特征参数计算得到。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，还包括：

预先存储植物正常生长的状态序列；

记录待研究植物生长的状态序列与所述植物正常生长的状态序列的比较结果。

10.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，还包括：

将所述视频采集模块采集的植物生长状况视频图像上传至远程数据中心，进行分析。