CN104186239A - 一种用于研究根系三维构型的试验装置及方法 - Google Patents
一种用于研究根系三维构型的试验装置及方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种用于研究根系三维构型的试验装置及方法。该装置包括用于调节植物根系拍摄距离及角度的定距装置和图像采集装置；定距装置包括带刻度导尺和固定于该带刻度导尺一端的定距旋转平台，定距旋转平台包括一绕所述带刻度导尺一端旋转的活动转盘，活动转盘上设置有一置物台，该置物台放置有需观察根系的植物；图像采集装置包括一可相对所述带刻度导尺轴向滑动的拍摄平台及置于该拍摄平台上的单反数码相机，单反数码相机镜头沿着带刻度导尺的导向方向朝向所述植物，设置于该单反数码相机镜头前的无畸变相机镜头。本发明装置及方法，能够较精确的获取已取出根系或玻璃容器内水培苗根系的高分辨率图像，得到较精确的根系三维构型。
Description
技术领域
本发明属于根系三维构型观测技术的研究领域，主要涉及植物根系在土壤中的空间分布特征的研究，特别是一种用于研究根系三维构型的试验装置及方法。
背景技术
植物根系构型是描述根系在土壤中形态、结构及空间分布特征的综合性概念，是决定植物根系分布及对土体觅养效率的重要因素。随着科学研究的深入，国内外学者对根系三维构型的观测进行了大量研究，但鉴于根系观测技术和方法的局限性，一直以来对植物根系的原位动态观测和三维空间重构是根系研究的一大难题。
目前进行根系构型的观测方法主要有美国的CID，EI-100等图像分析系统，根系三维图像的捕获技术以及自行开发的计算机图像分析软件都被用于根系图像的采集、处理、特征提取与分析处理等。但这些观测系统和软件安装复杂，操作繁琐，且对于植物整个三维构型的分析上有一定的难度，同时这些仪器在盆栽试验中搬运、安装和测定相对较困难，且像类似于微根管的图像获取技术，在一定程度上根管会阻碍根系的生长及延伸方向，且每次进行图像采集时都要寻找同一根系，限制了观测的准确性。
发明内容
本发明的第一目的在于提供一种用于进行植物根系原位动态观测和定量分析的用于研究根系三维构型的试验装置。
为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种用于研究根系三维构型的试验装置，包括用于调节植物根系拍摄距离及角度的定距装置和用于采集植物根系图像的图像采集装置；所述定距装置包括带刻度导尺和固定于该带刻度导尺一端的定距旋转平台，所述定距旋转平台包括一绕所述带刻度导尺一端旋转的活动转盘，所述活动转盘上设置有一置物台，该置物台放置有需观察根系的植物；所述图像采集装置包括一可相对所述带刻度导尺轴向滑动的拍摄平台及置于该拍摄平台上的单反数码相机，所述单反数码相机镜头沿着带刻度导尺的导向方向朝向所述植物根系。
在本发明实施例中，所述图像采集装置还包括一设置于所述单反数码相机镜头前的无畸变相机镜头。
在本发明实施例中，所述活动转盘通过设置于所述定距旋转平台中心的转轴旋转；所述定距旋转平台还包括一用于限制所述转轴转动的旋转台固定板。
在本发明实施例中，所述拍摄平台通过设置于其下方的滑轮滑动；所述拍摄平台还包括一控制所述单反数码相机升降的升降台，以调节所述单反数码相机的拍摄高度。
在本发明实施例中，所述置物台边缘中心处设置有一纵向固定杆，所述纵向固定杆上设置有一可升降的悬臂杆，所述植物悬挂于所述悬臂杆上，且该植物悬立于所述置物台中心上方。
在本发明实施例中，所述置物台上放置有用于栽培植物的玻璃容器，所述玻璃容器包括盛有营养液的玻璃框和用于盖住所述玻璃框的玻璃盖，所述玻璃盖上设置有植物孔和通气孔，所述植物孔用于固定所述植物，并使所述植物的根系位于所述玻璃盖下方。
本发明的第二目的在于提供了一种采用上述所述的一种用于研究根系三维构型的试验装置的试验方法，包括如下步骤，
S1：将待测植物悬挂于所述悬臂杆上；
S2：使悬挂的植物根系保持静止状态，并对该植物根系进行定距观测拍照；拍摄时利用带刻度导尺调整好单反数码相机与植物根系之间的距离，并保持统一距离，转动活动转盘对植物根系进行多角度拍摄，从而获取等距的多角度相同比例的根系图像；
S3：将捕获的图像进行灰度处理，利用Adobe公司开发的Photoshop CC图像处理软件，对图片进行归类整理，保存于Adobe Bridge软件的图片数据库中，并通过AutoCAD或者CorelDRAW进行表达，得到植物根系三维重构图。
在本发明实施例中，所述步骤S3中，所述使用Photoshop CC图像处理软件用于还原二维图像与现实根系间1:1的大小关系；所述通过AutoCAD或者CorelDRAW进行表达时需将所述1:1的灰度图像进行二维至三维影像的跟踪、转化，并存入Microsoft Office数据库，最终得到植物根系的三维构型。
本发明的第三目的在于提供了一种采用上述所述的一种用于研究根系三维构型的试验装置的试验方法，包括如下步骤，
S01：将待测植物芽苗置于所述玻璃容器内；
S02：对该植物根系进行定距观测拍照，拍摄时利用带刻度导尺调整好单反数码相机与植物根系之间的距离，并保持统一距离，转动活动转盘对植物根系进行多角度拍摄，从而获取等距的多角度相同比例的根系图像；
S03：定期对玻璃容器内的植物根系进行图像采集；
S04：将捕获的图像进行灰度处理，利用Adobe公司开发的Photoshop CC图像处理软件，对图片进行归类整理，保存于Adobe Bridge软件的图片数据库中，并通过AutoCAD或者CorelDRAW进行表达，得到植物根系三维重构图。
在本发明实施例中，所述步骤S04中，所述使用Photoshop CC图像处理软件用于还原二维图像与现实根系间1:1的大小关系；所述通过AutoCAD或者CorelDRAW进行表达时需将所述1:1的灰度图像进行二维至三维影像的跟踪、转化，并存入Microsoft Office数据库，最终得到植物根系的三维构型。
相较于现有技术，本发明具有以下有益效果：本发明的装置能够较真实的重构根系的三维图像，从而达到定量研究植物根系三维构型的目的；特别的是本装置整体结构简单，取材方便，制作和操作简单，易于携带；且其图像重构方法，软件较普遍，易于实际操作，实用性强。
附图说明
图1 本发明一实施例试验装置结构示意图。
图2本发明另一实施例示意装置结构示意图。
图3 图2的俯视图。
图4 玻璃容器装置结构示意图。
图5 根系重构结果图。
图中：1-定距旋转平台，2-拍摄平台，3-带刻度导尺，4-单反数码相机，5-转轴，6-活动转盘，7-纵向固定杆，8-升降台，9-滑轮，10-植物，11-旋转台固定板，12-无畸变相机镜头，13-升降调节阀，14-橡皮筋，15-置物台，16-置物台中心，17-玻璃框，18-玻璃盖，19-植物孔，20-通气孔。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的技术方案进行具体说明。
如图1-3所示，本发明的一种用于研究根系三维构型的试验装置，包括用于调节植物根系拍摄距离及角度的定距装置和用于采集植物根系图像的图像采集装置；所述定距装置包括带刻度导尺3和固定于该带刻度导尺3一端的定距旋转平台1，所述定距旋转平台1包括一绕所述带刻度导尺3一端旋转的活动转盘6，所述活动转盘6上设置有一置物台15，该置物台15放置有需观察根系的植物10；所述图像采集装置包括一可相对所述带刻度导尺3轴向滑动的拍摄平台2及置于该拍摄平台2上的单反数码相机4（如Canon EOS 5D MarkⅢ），所述单反数码相机4镜头沿着带刻度导尺3的导向方向朝向所述植物根系。
所述图像采集装置还包括一设置于所述单反数码相机4镜头前的无畸变相机镜头12，该单反数码相机4还配置有快门线，以保证图像和现实比例按1:1进行重构；所述拍摄平台2通过设置于其下方的滑轮9滑动；所述拍摄平台2还包括一控制所述单反数码相机4升降的升降台8，以调节所述单反数码相机4的拍摄高度。
所述活动转盘6通过设置于所述定距旋转平台1中心的转轴旋转；所述定距旋转平台1还包括一用于限制所述转轴5转动的旋转台固定板11；所述单反数码相机4在定距旋转平台1的控制下从不同角度对根系的生长情况进行二维灰度影响的捕获，重构时需利用根系在不同角度的位置，达到真实还原的作用。
实施例一：
如图1所示，所述置物台15边缘中心处设置有一纵向固定杆7，所述纵向固定杆上设置有一可升降的悬臂杆（通过一升降调节阀13实现该悬臂杆的上下滑动），所述植物10悬挂于所述悬臂杆上，该植物通过橡皮筋14或其他固定固定方式来固定，且该植物10悬立于所述置物台中心16上方。
针对上述所述的一种用于研究根系三维构型的试验装置提出了一种试验方法，包括如下步骤，
S1：将待测植物10悬挂于所述悬臂杆上；
S2：使悬挂的植物根系保持静止状态，并对该植物根系进行定距观测拍照；拍摄时利用带刻度导尺3调整好单反数码相机4与植物10根系之间的距离，并保持统一距离，转动活动转盘6对植物10根系进行多角度拍摄，从而获取等距的多角度相同比例的根系图像；
S3：将捕获的图像进行灰度处理，利用Adobe公司开发的Photoshop CC图像处理软件，对图片进行归类整理，保存于Adobe Bridge软件的图片数据库中，并通过AutoCAD或者CorelDRAW进行表达，得到植物根系三维重构图。
所述步骤S3中，所述使用Photoshop CC图像处理软件用于还原二维图像与现实根系间1:1的大小关系；所述通过AutoCAD或者CorelDRAW进行表达时需将所述1:1的灰度图像进行二维至三维影像的跟踪、转化，并存入Microsoft Office数据库，最终得到植物根系的三维构型。
实施例二：
如图2-4所示，所述置物台15上放置有用于栽培植物的玻璃容器，所述玻璃容器包括盛有营养液的玻璃框17和用于盖住所述玻璃框17的玻璃盖18，所述玻璃盖18上设置有植物孔19和通气孔20，该通气孔20方便植物根系通气，所述植物孔19用于固定所述植物10，并使所述植物10的根系位于所述玻璃盖18下方。
针对上述所述的一种用于研究根系三维构型的试验装置提出了一种试验方法，按以下步骤进行：
（1）将植物10根系放置于透明玻璃容器的水中，用泡沫进行固定：选用透明度和透光度大于90%的玻璃做成正方形容器，作为盆栽装置，采用水培，对水中根系进行动态观测；
（2）将单反数码相机4放置在定距旋转平台1的另一端，旋转转轴5，定距对根系进行不同角度的图像捕获。本发明的上述（1）中的，定距对盆中根系进行了与方形容器对应的四个面的根系图像的采集；
（3）将捕获的灰度图像通过Canon公司开发的Digital Photo Professional Version 3.13.0.1数码暗房软件，提取300DPI的二维图像，通过测量相机及所使用镜头法兰距，计算拍摄影像所对应的现实根系大小比例；
（4）使用Adobe公司开发的Photoshop CC图像处理软件，还原二维图像与现实根系间1:1的大小关系，对图片进行归类整理，并保存于Adobe Bridge软件的图片数据库中；
（5）对应图像置入Corel公司的CorelDRAW软件中，进行二维至三维影像的跟踪、转化，并存入Microsoft Office数据库；
（6）使用Autodesk公司的可视化图形套件表达数据库中信息，最终获得所拍摄根系的三维数字化模型及根系特征图像。
上述实施例一及二的图像重构效果图如图5所示。
下面结合所捕获的根系图像，对根系重构原理进行详细描述。
首先，根据根系拍摄时，相机与根系之间的距离，利用三角形原理，计算根系的的实际大小比例；
其次，将获取的根系灰度图像，按照实际比例进行处理，用photoshop CC图像处理软件处理图像，使所捕获的图像与实际根系成1:1比例；
再次，将处理好的图像置入Corel公司的CorelDRAW软件中，进行二维至三维影像的跟踪、转化，并存入Microsoft Office数据库。所述二维至三维的图像转换，即利用多角度的根系图像，确定根系在三维空间所伸长的方向，进行线性跟踪。
最后，将上述三维数据，使用Autodesk公司的可视化图形套件进行表达，再进行渲染，最终获得所拍摄根系的三维数字化模型及根系特征图像。
以上是本发明的较佳实施例，凡依本发明技术方案所作的改变，所产生的功能作用未超出本发明技术方案的范围时，均属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种用于研究根系三维构型的试验装置，其特征在于：包括用于调节植物根系拍摄距离及角度的定距装置和用于采集植物根系图像的图像采集装置；所述定距装置包括带刻度导尺和固定于该带刻度导尺一端的定距旋转平台，所述定距旋转平台包括一绕所述带刻度导尺一端旋转的活动转盘，所述活动转盘上设置有一置物台，该置物台放置有需观察根系的植物；所述图像采集装置包括一可相对所述带刻度导尺轴向滑动的拍摄平台及置于该拍摄平台上的单反数码相机，所述单反数码相机镜头沿着带刻度导尺的导向方向朝向所述植物根系。
2.根据权利要求1所述的一种用于研究根系三维构型的试验装置，其特征在于：所述图像采集装置还包括一设置于所述单反数码相机镜头前的无畸变相机镜头。
3.根据权利要求1所述的一种用于研究根系三维构型的试验装置，其特征在于：所述活动转盘通过设置于所述定距旋转平台中心的转轴旋转；所述定距旋转平台还包括一用于限制所述转轴转动的旋转台固定板。
4.根据权利要求1所述的一种用于研究根系三维构型的试验装置，其特征在于：所述拍摄平台通过设置于其下方的滑轮滑动；所述拍摄平台还包括一控制所述单反数码相机升降的升降台，以调节所述单反数码相机的拍摄高度。
5.根据权利要求1所述的一种用于研究根系三维构型的试验装置，其特征在于：所述置物台边缘中心处设置有一纵向固定杆，所述纵向固定杆上设置有一可升降的悬臂杆，所述植物悬挂于所述悬臂杆上，且该植物悬立于所述置物台中心上方。
6.根据权利要求1所述的一种用于研究根系三维构型的试验装置，其特征在于：所述置物台上放置有用于栽培植物的玻璃容器，所述玻璃容器包括盛有营养液的玻璃框和用于盖住所述玻璃框的玻璃盖，所述玻璃盖上设置有植物孔和通气孔，所述植物孔用于固定所述植物，并使所述植物的根系位于所述玻璃盖下方。
7.一种采用权利要求5所述的一种用于研究根系三维构型的试验装置的试验方法，其特征在于：包括如下步骤，
S1：将待测植物悬挂于所述悬臂杆上；
S2：使悬挂的植物根系保持静止状态，并对该植物根系进行定距观测拍照；拍摄时利用带刻度导尺调整好单反数码相机与植物根系之间的距离，并保持统一距离，转动活动转盘对植物根系进行多角度拍摄，从而获取等距的多角度相同比例的根系图像；
S3：将捕获的图像进行灰度处理，利用Adobe公司开发的Photoshop CC图像处理软件，对图片进行归类整理，保存于Adobe Bridge软件的图片数据库中，并通过AutoCAD或者CorelDRAW进行表达，得到植物根系三维重构图。
8.根据权利要求7所述的一种用于研究根系三维构型的试验装置的试验方法，其特征在于：所述步骤S3中，所述使用Photoshop CC图像处理软件用于还原二维图像与现实根系间1:1的大小关系；所述通过AutoCAD或者CorelDRAW进行表达时需将所述1:1的灰度图像进行二维至三维影像的跟踪、转化，并存入Microsoft Office数据库，最终得到植物根系的三维构型。
9.一种采用权利要求6所述的一种用于研究根系三维构型的试验装置的试验方法，其特征在于：包括如下步骤，
S01：将待测植物芽苗置于所述玻璃容器内；
S02：对该植物根系进行定距观测拍照，拍摄时利用带刻度导尺调整好单反数码相机与植物根系之间的距离，并保持统一距离，转动活动转盘对植物根系进行多角度拍摄，从而获取等距的多角度相同比例的根系图像；
S03：定期对玻璃容器内的植物根系进行图像采集；
S04：将捕获的图像进行灰度处理，利用Adobe公司开发的Photoshop CC图像处理软件，对图片进行归类整理，保存于Adobe Bridge软件的图片数据库中，并通过AutoCAD或者CorelDRAW进行表达，得到植物根系三维重构图。
10.根据权利要求7所述的一种用于研究根系三维构型的试验装置的试验方法，其特征在于：所述步骤S04中，所述使用Photoshop CC图像处理软件用于还原二维图像与现实根系间1:1的大小关系；所述通过AutoCAD或者CorelDRAW进行表达时需将所述1:1的灰度图像进行二维至三维影像的跟踪、转化，并存入Microsoft Office数据库，最终得到植物根系的三维构型。
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| C14 | Grant of patent or utility model | ||
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Granted publication date: 20160601 Termination date: 20170905 |
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