CN103364399A - 作物根系生长探测系统及探测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及作物生长探测技术领域，具体涉及一种作物根系生长探测系统及探测方法。本发明实施例所提供的作物根系生长探测系统及探测方法，通过利用基于光导纤维的探测头，一方面由于直径很小，可以将探测管道做的更细，从而大幅度减小了对作物根系正常生长的影响；另一方面，由于可以将探测管道设置为弯管或者其他形态，可进行土壤内多点多时段的根系生长与形态监测以及可进行根系生长任意位置的探测，极大的提升了对作物根系生长探测的空间自由度，从而为作物根系原位生长与形态探测提供一种全新的手段。

Description

作物根系生长探测系统及探测方法

技术领域

本发明涉及作物生长探测技术领域，具体涉及一种作物根系生长探测系统及探测方法。

背景技术

根系作为作物与土壤相互作用的纽带，其形态结构特征对其功能的执行具有至关重要的作用。根系生长与构型体现了作物对土壤环境的适应程度，其也是人类认识、分析和评价作物与土壤适应程度的基本方式和最直接的渠道。由于根系是植物不可忽略的重要组成部分，且其相对于植物的地上部而言，根系生长的介质——土壤是不透明的，造成根系的数据不易直接观测得到，故针对作物根系目前大量研究与设备集中于根系的数据获取方法与设备上。

作物根系的数据获取主要分为两大类，一类是破坏性数据获取，如直接挖掘根系法、土块保护挖掘清洗法、平板扫描分析法等；另一类是原位探测方法，典型方法如土壤中安置观察装置法（根箱法、微根管法）、地面穿透雷达法、特殊环境培养法（水培、冷凝胶培养）、CCD（Charge-coupled Device，电荷耦合元件）相机法、穿透射线成像法（CT扫描、核磁共振）等。

现有技术中的作物根系数据获取主要存在以下缺陷：

破坏性根系数据获取方法虽能获取作物根系的拓扑信息及二维根系形态参数等，但破坏了作物根系的原位信息，且无法观测根系生长情况。

原位探测方法中，地面穿透雷达法仅针对树木根系效果好，对于相对较细的作物根系成像效果不佳；特殊环境培养法虽能观测作物根系的连续生长过程，但其无法体现作物根系在土壤中的实际生长状况；CCD相机法仅适合于太空中无土情况下的原位数据获取；穿透射线成像法设备要求昂贵，且无法进行大块土壤根系环境的数据获取。

在土壤中安置观察装置的方式中，根箱法即在种植作物前，在根系将会生长到的位置埋设一个观察室，将扫描仪或相机放置其中进行连续的根系生长与形态数据获取，但其仅能获取根系生长环境的一个剖面信息，且对到达该剖面的根系生长影响有较大的干扰作用；微根管法是目前大田进行根系动态生长监测最常用的方法之一，其是在根系生长位置埋插微根管，在根系生长时期于微根管内放置旋转扫描装置进行根系的扫描，但由于该微根管直径相对较大，埋设过多微根管也会影响作物根系的自然生长状态，且微根管必须为直管道以能放入根系扫描仪进行根系数据获取，但这样也极大的限制了根系数据获取的空间自由度。

发明内容

（一）要解决的技术问题

本发明的目的在于提供一种作物根系生长探测系统及探测方法，从而为作物根系原位生长与形态探测提供一种新的手段，该探测系统及探测方法能够在尽量不影响作物根系正常生长的前提下，以更多的空间自由度进行作物根系的生长与形态数据获取。

（二）技术方案

本发明技术方案如下：

一种作物根系生长探测系统，包括：

延伸入待探测区域土壤内部的透明的探测管道；

延伸入所述探测管道的光导纤维，所述光导纤维第一端露出所述探测管道；

设置在所述光导纤维第二端的探测头；以及

与所述探测头紧邻的光源。

优选的，所述探测管道包括主探测管道以及与所述主探测管道连通的若干支探测管道；所述支探测管道为直管或者弯管。

优选的，所述支探测管道可绕所述主探测管道的轴线旋转。

优选的，所述支探测管道通过连接管道与所述主探测管道连通；所述连接管道与所述主探测管道以及支探测管道之间分别具有45度拐角；所述支探测管道与主探测管道垂直。

优选的，所述探测头为工业用内窥镜，所述工业用内窥镜的镜头为侧视镜头。

优选的，所述光导纤维以及探测头的直径不大于1mm。

优选的，还包括：

与所述光导纤维的第一端连接的数据采集器；

与所述数据采集器连接的显示终端；

与所述探测头以及光源连接的供电装置；以及

与所述探测头连接的光学适配器，所述光学适配器用于控制探测头的视场、观测方向以及景深。

本发明还提供了一种根据上述任意一种作物根系生长探测系统实现的作物根系生长探测方法，包括：

S1.在待观测区域种植作物之前预先埋设所述探测管道；

S2.在需要探测时，将所述光导纤维以及探测头导入所述探测管道进行探测。

本发明还提供了一种根据上述任意一种作物根系生长探测系统实现的作物根系生长探测方法，包括：

S1.在待观测区域作物的根系生长好后，在预定的位置钻出探测孔洞；将所述探测管道导入所述探测孔洞；

S2.将所述光导纤维以及探测头导入所述探测管道进行探测。

优选的，所述步骤S2包括：

在探测管道的某一位置，探测头从初始朝向角开始以某一方向在探测管道内旋转，完成在该位置各个角度的探测；

探测头前进所述探测头的视长距离到下一位置，重复上述步骤完成在该位置各个角度的探测。

（三）有益效果

本发明实施例所提供的作物根系生长探测系统及探测方法，通过利用基于光导纤维的探测头，一方面由于直径很小，可以将探测管道做的更细，从而大幅度减小了对作物根系正常生长的影响；另一方面，由于可以将探测管道设置为弯管或者其他形态，可进行土壤内多点多时段的根系生长与形态监测以及可进行根系生长任意位置的探测，极大的提升了对作物根系生长探测的空间自由度，从而为作物根系原位生长与形态探测提供一种全新的手段。

附图说明

图1是本发明实施例中探测管道的一种埋设方式示意图；

图2是本发明实施例中探测管道的一种实现方式示意图；

图3是本发明实施例中探测头在探测管道中的旋转示意图。

图中：1：主探测管道；2：支探测管道；3：探测头标示点；4：探测头。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式做进一步描述。以下实施例仅用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

本实施例中首先提供了一种作物根系生长探测系统，该作物根系生长探测系统主要包括：探测管道、光导纤维以及探测头等组件。探测管道的上部露出待探测区域土壤外部，其余部分延伸入待探测区域土壤内部，由于需要透过探测管道对作物根系生长进行探测，因此，探测管道需要为透明管道；光导纤维的第一端露出探测管道，以方便外界获取探测头采集的数据，光导纤维的其余部分延伸入探测管道，并且在光导纤维的第二端设置有探测头，探测头采集的数据通过光导纤维传输到外界；并且，由于土壤内部没有光照，必须人工提供光照才能够使探测头顺利进行数据采集，因此，本实施例中还设置了与探测头紧邻的光源，光源优选为体积小巧、节省能耗的LED光源。

本实施例中，探测头优选为基于光纤的工业用内窥镜，并且工业用内窥镜的镜头优选为侧视镜头，这样可以进行镜身侧部的图像数据获取。为了将探测管道做的更细，从而大幅度减小对作物根系正常生长的影响，本实施例中选择的探测头与光导纤维最大直径不大于1mm。并且，为了适应土壤中的特殊探测环境，所选用的探测头以及光导纤维要求适合土壤的操作环境如作业温度要求、防水要求等。

本实施例中的探测管道可以为多条直管，也可以为带弯转区域的弯管；探测管道的埋设可以垂直于地表、可以在固定深度区平行于地表、也可以以任意角度随意埋置于土壤中，如图2中所示的探测管道，可以以如图1中所示的方式埋设在土壤之中。图2中所示的探测管道主要包括主探测管道1以及与主探测管道1连通的若干支探测管道2；支探测管道2为直管或者弯管；本实施例中，支探测管道2为直管；其中，支探测管道2与主探测管道1垂直，并且支探测管道2可绕主探测管道1的轴线旋转，这样能够进一步增大对作物根系生长探测的角度范围。进一步的，支探测管道2通过连接管道5与主探测管道1连通；连接管道5与主探测管道1以及支探测管道2之间分别具有45度拐角；这样相比于直角拐角，可以更方便探测头在探测管道中的前进；为了准确标示出支探测管道2与主探测管道1的分界位置，本实施例中还在支探测管道2与主探测管道1的分界处设置了探测头标示点3。

本实施例中作物根系生长探测系统还包括置于地表、与探测头连接的采集端，采集端包括供电装置、数据采集器、显示终端以及光学适配器，其中供电装置与探测头以及光源连接，用于为探测头以及光源供电，其可以是充电电池；数据采集器与光导纤维的第一端连接，用于存储探测头采集的视频或图像；显示终端与数据采集器连接，用于实时显示探测头采集的图像或者视频数据，而且方便实时对探测头进行精准控制；光学适配器与探测头连接，用于控制探测头的视场、观测方向以及景深等。

本实施例中还提供了一种根据上述任意一种作物根系生长探测系统实现的作物根系生长探测方法；该探测方法主要包括以下步骤：

S1.在待观测区域种植作物之前，在待观测区域预先埋设透明的探测管道；探测管道可以为多条直管，也可以为带弯转区域的弯管；探测管道的埋设可以垂直于地表、可以在固定深度区平行于地表、也可以以任意角度随意埋置于土壤中；

S2.在需要探测时，将光导纤维以及探测头导入探测管道进行探测。

本发明还提供了另一种根据上述任意一种作物根系生长探测系统实现的作物根系生长探测方法，该探测方法主要包括以下步骤：

S1.在待观测区域作物的根系生长好后，在预定的位置，采用土锥或者其他工具钻出探测孔洞；将探测管道导入探测孔洞；

S2.将光导纤维以及探测头导入探测管道进行探测。

上述两种探测方法中的步骤S2可以根据探测头的不同设置有多种探测方式：

例如，多探测头的多点分布式定时探测方式：

将多个探测头放置于探测管道中的指定位置，调整好视场，并设置定时获取，以连续监测指定位置根系的生长状况。如图1以及图2中所示，可以在该类型的探测管道中，每层支探测管道2内放置一个探测头，以同时探测不同位置的根系生长。

又例如，单探测管道连续成像探测方式：

如图3中所示，从探测管道的起始位置开始测量，探测头在每个位置的初始朝向角相同，然后向着统一的方向（顺时针或逆时针方向）旋转探测头4的视场角并进行数据获取，直至完成在该位置处360度角度范围内的测量；然后将探测头4平移至下一位置，平移距离为探测头4的视长，并重复上一位置的操作，直至完成在该位置处360度角度范围内的测量；持续探测头4的平移以及旋转数据获取操作，直至整个探测管道的成像探测完毕。

以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的保护范畴。

Claims (10)

1.一种作物根系生长探测系统，其特征在于，包括：

延伸入待探测区域土壤内部的透明的探测管道；

延伸入所述探测管道的光导纤维，所述光导纤维第一端露出所述探测管道；

设置在所述光导纤维第二端的探测头；以及

与所述探测头紧邻的光源。

2.根据权利要求1所述的作物根系生长探测系统，其特征在于，所述探测管道包括主探测管道以及与所述主探测管道连通的若干支探测管道；所述支探测管道为直管或者弯管。

3.根据权利要求2所述的作物根系生长探测系统，其特征在于，所述支探测管道可绕所述主探测管道的轴线旋转。

4.根据权利要求3所述的作物根系生长探测系统，其特征在于，所述支探测管道通过连接管道与所述主探测管道连通；所述连接管道与所述主探测管道以及支探测管道之间分别具有45度拐角；所述支探测管道与主探测管道垂直。

5.根据权利要求1-4任意一项所述的作物根系生长探测系统，其特征在于，所述探测头为工业用内窥镜，所述工业用内窥镜的镜头为侧视镜头。

6.根据权利要求5所述的作物根系生长探测系统，其特征在于，所述光导纤维以及探测头的直径不大于1mm。

7.根据权利要求1-4或6任意一项所述的作物根系生长探测系统，其特征在于，还包括：

与所述光导纤维的第一端连接的数据采集器；

与所述数据采集器连接的显示终端；

与所述探测头以及光源连接的供电装置；以及

与所述探测头连接的光学适配器，所述光学适配器用于控制探测头的视场、观测方向以及景深。

8.一种根据如权利要求1-7任意一项所述的系统实现的作物根系生长探测方法，其特征在于，包括：

S1.在待观测区域种植作物之前预先埋设所述探测管道；

S2.在需要探测时，将所述光导纤维以及探测头导入所述探测管道进行探测。

9.一种根据如权利要求1-7任意一项所述的系统实现的作物根系生长探测方法，其特征在于，包括：

S1.在待观测区域作物的根系生长好后，在预定的位置钻出探测孔洞；将所述探测管道导入所述探测孔洞；

S2.将所述光导纤维以及探测头导入所述探测管道进行探测。

10.根据权利要求8或9所述的作物根系生长探测方法，其特征在于，所述步骤S2包括：

在探测管道的某一位置，探测头从初始朝向角开始以某一方向在探测管道内旋转，完成在该位置各个角度的探测；

探测头前进所述探测头的视长距离到下一位置，重复上述步骤完成在该位置各个角度的探测。

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