CN109032212A - 自动扫描植物表型分析系统 - Google Patents

Abstract

本发明乃是一种自动扫描植物表型分析系统，其包括：至少一数字数据撷取单元、至少一可自动移动支架机构单元、至少一栽种区域单元、至少一环境控制模块、至少一自动控制单元及至少一影像分析系统单元；并利用自动化的环境控制模块，提供稳定环境影响因子，再以数字数据撷取单元撷取数字数据提供影像分析系统单元运算，据以达成应用于植物栽种自动化的环境模拟及观察分析。

Description

自动扫描植物表型分析系统

技术领域

本发明涉及用于植物栽种过程，自动化控制环境参数及自动化植物外观数字数据输入的分析系统，方便于植物栽种自动化的环境模拟及观察分析。

背景技术

植物工厂发展创造硬设备需求以及环境控制系统整合应用，植物工厂技术横跨光电、建筑、农业、畜牧等跨界整合，农业自动化科技带动整体产业价值，同时也是未来得以解决粮食需求而备受期许的新兴技术。

现有技术针对自动化环控培育设备的研究，如中国台湾专利公告号M540472所公开的，一种环控培育设备，用于培育冬虫夏草，包括一培育场以及多个环控机构。再如中国台湾专利公告号I555468及M462511所公开的，一种自动控制的温室耕种系统，包括至少一个燃料电池模块、环境感测控制模块及多个环境形成装置，并具备有多个感测单元及控制单元，以供感测及反馈控制环境因素条件。又如中国台湾专利公告号200904323所公开的，于该智能型室内环境控制装置的顶面覆设有至少一可供日光穿透的透明光罩,其内部具有一可供作物栽种的栽培空间,其中,该控制装置包括有一电源供应单元、一供水设备、一可供输入湿度范围设定値的湿度控制器,当湿度低于该设定値时,则启动该供水设备调节该栽培空间的湿度并维持在该设定値内以及一可供输入温度范围设定値的温度控制器,其与该空调设备电性连接,当该栽培空间的室温低于或高于该设定値时,则启动该空调设备调节该栽培空间的室温并维持在该设定値内,据此,该栽培空间内的供水量、湿度、室温以及光照度可以得到适当的控制,以利作物培育及栽种。而美国专利公告号US20140173769A1所公开的，一种多个植物容器的生长条件的监测系统，利用连续运输植物系统及湿度传感器，以移动植物盆栽及进行各别观察分析湿度。但现有技术针对环控仅止于设定的各条件的上下限给予供给调整，植物生长过程中的变化并无一有系统的记录及回馈条件，亟待解决。

另一方面，现有技术针对植物影像的特征量测系统的开发，如中国台湾专利公告号I489097及I401412所公开的，一种植物影像的特征测量系统，计算出植物影像的植物特征数据。也如中国台湾专利公告号I435234所公开的，植物病症辨识方法、系统及其纪录媒体，方法步骤如下：提供一植物病征数据库，以储存植物病症名称及对应植物病症名称的病症特征影像信息，通过影像捕获设备取得植栽影像信息后，由图像处理单元依据第一色调处理技术取得植物影像信息，且依据第二色调处理技术取得疑病区域影像信息，计算疑病区域影像信息的面积，当面积大于默认区域面积时，将疑病区域影像信息做为一病征区域影像信息，将病征区域影像信息与病症特征影像信息比对，当病征区域影像信息与任一特定病症特征影像信息相符时，取得对应的一特定植物病症名称。

现有技术针对动态表型记录的研究，如美国专利公告号US20140173769A1所公开的，为应用于筛选植物标本的图像检测装置。以美国专利公告号US20070044445A1所公开的，一种传感器系统，方法和计算器程序产品，用于确定位于农业环境中的行中的各个植物的物理特性，记录植物的轮廓图像、叶片图形和植物位置，以区分植物、侵入物种或杂草的种类。也有美国专利公告号US8537360所公开的，一种大豆表型记录推车，用于评估大豆植物对缺铁萎黄病的监测系统，以推车及辐射传感器收集数据信号，并计算及存储数据。

发明内容

本发明人从事植物工厂硬设备产业工作多年，深知其自动化整合表型记录及环境控制的设备仍有不足之处须解，乃致力于发展自动扫描植物表型分析系统开发。

本发明乃是一种自动扫描植物表型分析系统，其包括：至少一数字数据撷取单元、至少一可自动移动支架机构单元、至少一栽种区域单元、至少一环境控制模块、至少一自动控制单元及至少一影像分析系统单元；并利用自动化的环境控制模块，提供稳定环境影响因子，再以数字数据撷取单元撷取数字数据提供影像分析系统单元运算，据以达成应用于植物栽种自动化的环境模拟及观察分析。

为达到上述的目的，本发明提供一种自动扫描植物表型分析系统，其包括：

至少一数字数据撷取单元，架设于可自动移动支架机构单元上，具有植物外观影像及数据输入功能；

至少一可自动移动支架机构单元，连接自动控制单元及数字数据撷取单元，具有各轴向移动的功能；

至少一栽种区域单元，其可提供进行一个或多个样数栽种，并连接各项环境控制模块；

至少一环境控制模块，提供独立控制参数功能，以改变栽种区域单元的环境参数；

至少一自动控制单元，提供可自动移动支架机构单元移动及数字数据撷取单元拍摄或感测指令，以传输数字数据至影像分析系统单元；

至少一影像分析系统单元，将所撷取植物的数字数据做影像分析、合成或进行算法运算；

并利用自动化的环境控制模块，提供稳定环境影响因子，再以数字数据撷取单元撷取数字数据提供影像分析系统单元运算，其系统应用于植物栽种自动化的环境模拟及观察分析。

其中，数字数据撷取单元选自摄像镜头、红外线条形码扫描光源、3D扫描镜头、射频传感器或以上组合组件。

其中，可自动移动支架机构单元包括：至少一固定架单元，连接滑轨单元及螺杆单元，并提供架设数字数据撷取单元固定及位移功能；至少一滑轨单元，X轴及Y轴方向控制移动固定架单元，以移动数字数据撷取单元的横向及纵向位置；及至少一螺杆单元，Z轴高度控制移动固定架单元，以移动数字数据撷取单元的高度位置。

其中，可自动移动支架机构单元通过一个可编程软件程序，进行控制前、后、左、右、上、下移动性。

其中，栽种区域单元由呈水平、呈垂直或呈角度的栽种台或架所组成。

其中，栽种区域单元的各个区域旁设置各个卷标单元，以辨识该区域的栽种品名及条件参数。

其中，卷标单元单元可选用RF射频、一维条形码、二维条形码、三维条形码或QRcode提供辨识位置区域及所施加的环境参数。

其中，影像分析系统单元通过光学影像合成分析软件，进行影像图像以建立大数据库，通过高效运算判断影响植物生长的原因。

其中，环境控制模块包括：养液条件控制单元、光照条件控制单元、温度湿度环控条件控制单元、气体环境浓度控制单元、灌溉条件控制单元或以上组合单元；并搭配感测单元回馈修正各环境控制模块的状态。

其中，养液条件控制单元能够在单一栽种区域单元内设置多个独立养液控制单元或进行同时间同环控条件下，进行稳定成长观察 ；也能够在同植物上进行不同养液的成分、pH值、浓度、温度及施予时间，进行同时间同环控条件下，不同区域的植物成长观察。

其中，光照条件控制单元采用LED多晶复合技术进行不同光谱型态进行混合，光谱范围由UVB340~NIR 900 nm，并通过光谱感测单元回馈能够接近仿真地球上各纬度、各经度光谱照光条件。

其中，温度湿度环控条件控制单元利用自动控制系统进行大气环境温湿度环境改变条件进行控制，并通过可程序边程能够进行24小时每个区段温度改变，并能够进行每区段升降斜率速率控制。

其中，气体环境浓度控制单元利用不同气体环境感测，进行环境气体浓度监测进行控制，气体浓度控制能够通过与一种气体或多种气体进行混合调配控制。

其中，灌溉条件控制单元设计同一槽体能够有多种灌溉模式，只要少许移动就能够进行多种灌溉方式，其包括大田灌溉、潮汐灌溉模式、气雾加湿灌溉及滴灌加水模式；且灌溉系统每区域单位均可进行pH值、浓度值、温度控制循环过程通过UV杀菌消毒。

附图说明

图1为本发明的自动扫描植物表型分析系统立体图。

图2为本发明的自动扫描植物表型分析系统的可自动移动支架机构单元动作图。

图3为本发明的自动扫描植物表型分析系统的数字数据撷取单元动作图。

图4为本发明的自动扫描植物表型分析系统侧视图。

图5为本发明的自动扫描植物表型分析系统的数字数据撷取单元数字数据输入示意图。

图6为本发明的自动扫描植物表型分析系统的环境控制模块参数控制示意图。

附图标记说明

1 自动扫描植物表型分析系统

101 数字数据撷取单元

102 可自动移动支架机构单元

103 栽种区域单元

104 卷标单元

105 环境控制模块

106 自动控制单元

107 影像分析系统单元

108 影像分析运算计算机

109 影像分析屏幕

110 光照条件控制单元

111 观测植物

2 自动扫描植物表型分析系统的栽种系统

3 自动扫描植物表型分析系统的栽种系统

4 自动扫描植物表型分析系统的栽种系统

5 自动扫描植物表型分析系统的数字数据撷取单元数字数据输入状态

6 自动扫描植物表型分析系统的环境控制模块参数控制状态

601 温度湿度环控条件控制单元及气体环境浓度控制单元

602 养液条件控制单元及灌溉条件控制单元。

具体实施方式

本发明具有自动化整合表型记录及环境控制，有别于过去现有技艺具有差异化，其新颖、进步及实用效益无误。有关本发明所采用的技术手段及其功效，现列举一较佳实施例并配合附图详细说明于后，相信本发明上述的目的、构造及特征，当可由之得一深入而具体的了解。

以下通过特定的具体实施例说明本发明实施方式，本领域技术人员可由本说明书所公开的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明也可通过其他不同的具体实施例加以施行或应用，本说明书中的各项细节也可基于不同观点与应用，在不悖离本发明的精神下进行各种修饰与变更。

首先敬请阅图1，为本发明的自动扫描植物表型分析系统立体图，显示，自动扫描植物表型分析系统1，其包括：

至少一数字数据撷取单元101，架设于可自动移动支架机构单元102的固定架上，具有植物外观数字数据输入功能；至少一可自动移动支架机构单元102，连接自动控制单元106及数字数据撷取单元101，具有各轴向移动的功能；至少一栽种区域单元103，其可提供进行一个或多个样数栽种，并连接各项环境控制模块105；多个卷标单元104，设置于栽种区域单元103的分区域旁，以辨识该区域的栽种条件参数；至少一环境控制模块105，提供独立控制参数功能，以改变栽种区域单元103的环境参数；至少一自动控制单元106，提供可自动移动支架机构单元移动102及数字数据撷取单元101拍摄或感测指令，以传输数字数据至影像分析系统单元107；及至少一影像分析系统单元107，将所撷取观测植物111的数字数据做影像分析、合成或进行算法运算；并利用自动化的环境控制模块105，提供稳定环境影响因子，再以数字数据撷取单元101撷取数字数字数据提供影像分析系统单元107运算，其系统应用于植物栽种自动化的环境模拟及观察分析。其中，环境控制模块105包括：养液条件控制单元、光照条件控制单元110、温度湿度环控条件控制单元、气体环境浓度控制单元或/及灌溉条件控制单元，提供各种环境条件并回传至影像分析系统单元107记录各条件施予的时间点范围，以比对植物表型受环境条件的影响。影像分析系统单元107包括：影像分析运算计算机108及影像分析屏幕109，以分析植物表型及操控环境控制模块105。

图2为本发明的自动扫描植物表型分析系统的可自动移动支架机构单元动作图，显示，自动扫描植物表型分析系统的栽种系统2，数字数据撷取单元101可选用摄像镜头、红外线条形码扫描光源、3D扫描镜头、射频传感器或以上组合组件。可自动移动支架机构单元102包括：至少一固定架单元，连接滑轨单元及螺杆单元，并提供架设数字数据撷取单元101固定及位移功能；至少一滑轨单元，X轴及Y轴方向控制移动固定架单元，以移动数字数据撷取单元101的横向及纵向位置；及至少一螺杆单元，Z轴高度控制移动固定架单元，以移动数字数据撷取单元101的高度位置。可自动移动支架机构单元102利用XYZ三轴自动化位移，将摄像镜头、红外线条形码扫描光源及/或3D扫描镜头，固定于可变动平台上，利用数字辨识方法可将对观测植物111进行影像扫描，可自动移动支架机构单元102通过一个可编程软件程序，进行控制前、后、左、右、上、下移动性，视栽种区域单元103的面积大小或型态而设置合适机构。栽种区域单元103的面积大可至一温室厂房，小可至一桌面大小。栽种区域单元103可呈水平、呈垂直或呈角度的栽种台或架。栽种区域单元103的各个区域旁设置各个卷标单元104，以辨识该区域的栽种品名及条件参数。卷标单元104可选用RF射频、一维条形码、二维条形码、三维条形码或QR code提供辨识位置区域及所施加的环境参数。

图3为本发明的自动扫描植物表型分析系统的数字数据撷取单元动作图，显示，自动扫描植物表型分析系统的栽种系统3，进一步说明其数字数据撷取单元101的水平X轴及高度Z轴位置可任意移动。再配合图4，为本发明的自动扫描植物表型分析系统侧视图，显示，自动扫描植物表型分析系统的栽种系统4，可自动移动支架机构单元102得进行前后方向Y轴移动，提供架设数字数据撷取单元101前后位移，以撷取观测植物111的数字数据或卷标单元104的卷标数据功能。

为使审查委员更进一步了解本发明实际应用情境，如图5为本发明的自动扫描植物表型分析系统的数字数据撷取单元数字数据输入示意图，显示，自动扫描植物表型分析系统的数字数据撷取单元数字数据输入状态5，可自动移动支架机构单元102利用XYZ三轴自动化位移，将数字数据撷取单元101，包括：摄像镜头、红外线条形码扫描光源及/或3D扫描镜头，固定于可变动平台上，利用数字辨识方法可将对栽种区域单元103的观测植物111进行影像扫描，或卷标单元104的卷标数据收集，可自动移动支架机构单元102移动通过一个可编程软件程序，进行设定其进行方向及移动位置。数字数据撷取单元101进一步可收集观测植物111各角度的表型，以扩展观测角度的影像分析防止观测死角。通过后端的影像分析系统单元107通过光学影像合成分析软件，进行影像图像以建立大数据库，通过高效运算判断影响植物生长的原因。并利用单一或多个数字数据撷取单元101，对植物进行正面、侧面、多角度拍照或扫描，得到的影像可进行植物表型分析观测其成长状况、表面积增长、叶数、颜色、角体、病变、选种、植物茎部长度直径生长速度、弯曲角度变化率、子叶顶端弯钩子叶夹角、根部长度生长速率、弯曲角度、种子萌芽时期：发芽率、根毛长度生长速率、弯曲角度、化学荧光强度分布及变化率；植物激素影响、向旋光性、暗室与光形态建成、非生物胁迫观测。

图6为本发明的自动扫描植物表型分析系统的环境控制模块参数控制示意图，显示，自动扫描植物表型分析系统的环境控制模块参数控制状态6，环境控制模块105包括：光照条件控制单元110、温度湿度环控条件控制单元及气体环境浓度控制单元601，以及养液条件控制单元及灌溉条件控制单元602；并搭配感测单元回馈修正各环境控制模块105的状态。其中，光照条件控制单元110采用LED多晶复合技术进行不同光谱型态进行混合，光谱范围由UVB340~NIR 900 nm，并通过光谱感测单元回馈可接近仿真地球上各纬度、各经度光谱照光条件。温度湿度环控条件控制单元利用自动控制系统进行大气环境温湿度环境改变条件进行控制，并通过可程序编程可进行24小时每个区段温度改变，并可进行每区段升降斜率速率控制。气体环境浓度控制单元利用不同气体环境感测，进行环境气体浓度监测进行控制，气体浓度控制可通过与一种气体或多种气体进行混合调配控制。养液条件控制单元可在栽种区域单元103内设置多个独立养液控制单元或进行同时间同环控条件下，进行稳定成长观察，也可在同植物上进行不同养液的成分、pH值、浓度、温度及施予时间等，进行同时间同环控条件下，不同区域的植物成长观察。灌溉条件控制单元设计同一槽体可有多种灌溉模式，只要少许移动就可进行多种灌溉方式，其包括大田灌溉、潮汐灌溉模式、气雾加湿灌溉及滴灌加水模式；且灌溉系统每区域单位均可进行pH值、浓度值、温度控制循环过程通过UV杀菌消毒。灌溉条件控制单元利用水位上升下降原理，让每一株植物得到含水率及养份为一致性，使研究数据可以得到精准观测。

本发明乃是一种自动扫描植物表型分析系统，其包括：至少一数字数据撷取单元、至少一可自动移动支架机构单元、至少一栽种区域单元、至少一环境控制模块、至少一自动控制单元及至少一影像分析系统单元；并利用自动化的环境控制模块，提供稳定环境影响因子，再以数字数据撷取单元撷取数字数据提供影像分析系统单元运算，据以达成应用于植物栽种自动化的环境模拟及观察分析。本发明技术特征，有别于过去现有技艺具有差异化，其新颖、进步及实用效益无误。故可有效改进现有技术的缺陷，使用上有相当大的实用性。

综观上述，本发明的实施例所公开的具体构造，确实能提供植物栽种自动化的环境模拟及观察分析的应用，以其整体结构而言，本发明不属于现有技术，符合发明专利的申请条件，恳请贵局明鉴，早日审查授权。

但以上所述的，仅为本发明的一较佳实施例而已，不能以此限定本发明实施的范围，即凡依本发明权利要求书及说明书内容所作的等效变化与修饰，皆应仍属本发明的保护范围内。

Claims (14)

1.一种自动扫描植物表型分析系统，其特征在于，包括：

至少一数字数据撷取单元，架设于可自动移动支架机构单元上，具有植物外观影像及数据输入功能；

至少一可自动移动支架机构单元，连接自动控制单元及数字数据撷取单元，具有各轴向移动的功能；

至少一栽种区域单元，其可提供进行一个或多个样数栽种，并连接各项环境控制模块；

至少一环境控制模块，提供独立控制参数功能，以改变栽种区域单元的环境参数；

至少一自动控制单元，提供可自动移动支架机构单元移动及数字数据撷取单元拍摄或感测指令，以传输数字数据至影像分析系统单元；

至少一影像分析系统单元，将所撷取植物的数字数据做影像分析、合成或进行算法运算；

并利用自动化的环境控制模块，提供稳定环境影响因子，再以数字数据撷取单元撷取数字数据提供影像分析系统单元运算，其系统应用于植物栽种自动化的环境模拟及观察分析。

2.如权利要求1所述的自动扫描植物表型分析系统，其特征在于，数字数据撷取单元选自摄像镜头、红外线条形码扫描光源、3D扫描镜头、射频传感器或以上组合组件。

3.如权利要求1所述的自动扫描植物表型分析系统，其特征在于，可自动移动支架机构单元包括：至少一固定架单元，连接滑轨单元及螺杆单元，并提供架设数字数据撷取单元固定及位移功能；至少一滑轨单元，X轴及Y轴方向控制移动固定架单元，以移动数字数据撷取单元的横向及纵向位置；及至少一螺杆单元，Z轴高度控制移动固定架单元，以移动数字数据撷取单元的高度位置。

4.如权利要求1所述的自动扫描植物表型分析系统，其特征在于，可自动移动支架机构单元通过一个可编程软件程序，进行控制前、后、左、右、上、下移动性。

5.如权利要求1所述的自动扫描植物表型分析系统，其特征在于，栽种区域单元由呈水平、呈垂直或呈角度的栽种台或架所组成。

6.如权利要求1所述的自动扫描植物表型分析系统，其特征在于，栽种区域单元的各个区域旁设置各个卷标单元，以辨识该区域的栽种品名及条件参数。

7.如权利要求6所述的自动扫描植物表型分析系统，其特征在于，卷标单元单元可选用RF射频、一维条形码、二维条形码、三维条形码或QR code提供辨识位置区域及所施加的环境参数。

8.如权利要求1所述的自动扫描植物表型分析系统，其特征在于，影像分析系统单元通过光学影像合成分析软件，进行影像图像以建立大数据库，通过高效运算判断影响植物生长的原因。

9.如权利要求1所述的自动扫描植物表型分析系统，其特征在于，环境控制模块包括：养液条件控制单元、光照条件控制单元、温度湿度环控条件控制单元、气体环境浓度控制单元、灌溉条件控制单元或以上组合单元；并搭配感测单元回馈修正各环境控制模块的状态。

10.如权利要求9所述的自动扫描植物表型分析系统，其特征在于，养液条件控制单元能够在单一栽种区域单元内设置多个独立养液控制单元或进行同时间同环控条件下，进行稳定成长观察 ；也能够在同植物上进行不同养液的成分、pH值、浓度、温度及施予时间，进行同时间同环控条件下，不同区域的植物成长观察。

11.如权利要求9所述的自动扫描植物表型分析系统，其特征在于，光照条件控制单元采用LED多晶复合技术进行不同光谱型态进行混合，光谱范围由UVB340~NIR 900 nm，并通过光谱感测单元回馈能够接近仿真地球上各纬度、各经度光谱照光条件。

12.如权利要求9所述的自动扫描植物表型分析系统，其特征在于，温度湿度环控条件控制单元利用自动控制系统进行大气环境温湿度环境改变条件进行控制，并通过可程序边程能够进行24小时每个区段温度改变，并能够进行每区段升降斜率速率控制。

13.如权利要求9所述的自动扫描植物表型分析系统，其特征在于，气体环境浓度控制单元利用不同气体环境感测，进行环境气体浓度监测进行控制，气体浓度控制能够通过与一种气体或多种气体进行混合调配控制。

14.如权利要求9所述的自动扫描植物表型分析系统，其特征在于，灌溉条件控制单元设计同一槽体能够有多种灌溉模式，只要少许移动就能够进行多种灌溉方式，其包括大田灌溉、潮汐灌溉模式、气雾加湿灌溉及滴灌加水模式；且灌溉系统每区域单位均可进行pH值、浓度值、温度控制循环过程通过UV杀菌消毒。