CN111165228B - 一种用于田间作物表型获取与分析的移动表型舱 - Google Patents
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Abstract
一种用于田间作物表型获取与分析的移动表型舱。其包括根系监测系统、表型舱框架系统、环境控制系统以及数据采集系统。本发明通过在表型舱框架系统上设置运行机构，使得本发明的表型舱能够在大田上来回运动至适合的位置，对同一外部土壤水文环境下的大田进行不同环境因素的对比实验。实验过程中，表型舱框架系统内部环境可通过水封装置设置为封闭可控，因此本发明对舱内环境因素的调节更为精准，能够实现室内与室外植物表型特征观察、实现地上与地下植物表型特征采集。由于田间作物样本丰富，本发明能够进行高通量、高精度、低成本和综合化的作物表型获取与分析。
Description
技术领域
本发明涉及田间作物表型获取技术领域，具体而言涉及一种用于田间作物表型获取与分析的移动表型舱。
背景技术
作物表型是由基因与环境相互作用产生的部分或者全部可辨识的物理、生理和生化特征及性状，包括作物的结构、组成以及生长发育过程，其不仅反映了分子水平上的表达调控，同时反映了植物的生理生化、形态解剖、胁迫抗性等复杂性状。
目前，田间作物表型研究主要集中于获取植物株型信息与生理参数、识别植物与检测杂草、监测病虫害以及预测产量等四个方面。
作物育种领域中功能基因组学和基因技术的发展是粮食增产的最便捷和有效的手段。表型是作物基因的外部表达，是作物自身基因和外部环境共同作用的结果。因此，探索作物基因型、环境因素和作物表型特征、性状的之间关系变得尤为重要。
传统的人工气候室一般用于作物生长环境的监测和控制，其具备设置温度、湿度、光照度、CO2浓度、土壤含水量等环境因素的功能，可应用于作物的基因改良和新物种培育等试验，虽然避免了自然环境下诸多的制约因素，但是主要依靠人工观察和测量描述作物的外部特征，从而得到基因型、环境因素和作物表型之间的关系，例如，通过手工测量的方式获取植物的株型信息，如利用直尺测量株高、叶宽、叶长等；基于个人积累的经验，通过观察作物和杂草的根、茎、叶、花和果等特点，从颜色、性状、味道等方面对作物和杂草进行识别与分类；通常人眼观察的方式发现病虫害；通过目测估计、测数预测和割取预测等人工抽样的估产方式进行产量预测等，上述研究工作往往依赖于人工手动检测小样本植物的个别性状，因此数据量有限，效率低，难以开展植物多种性状的综合分析，且引入人为因素极易导致测量数据的误差，其可分析规模小、成本高、费时费力，缺乏规范性且测量精度较低，已成为制约植物基因组功能分析和分子育种发展的瓶颈。
发明内容
本发明针对现有技术的不足，提供一种用于田间作物表型获取与分析的移动表型舱，本发明能够满足目前植物基因组学研究和分子育种所需高通量、高精度和低成本的表型分析装置的需求，本发明能够方便高效地获取与植物生长、产量、品质和对生物、非生物胁迫的耐受性等相关表型数据。本发明具体采用如下技术方案。
首先，为实现上述目的，提出一种用于田间作物表型获取与分析的移动表型舱，其包括：
根系监测系统，其埋设在大田中作物根系生长区域，所述根系监测系统中至少接近作物根系生长区域的一侧为透明材质，所述根系监测系统内还设置有地下表型获取设备，所述地下表型获取设备沿透明材质在作物根系生长区域移动，扫描获取接近透明材质生长的作物根系的表型数据；
表型舱框架系统，其包括设置在根系监测系统边缘的水封装置，所述水封装置上设置有横跨大田的表型舱框架，所述表型舱框架的外侧覆盖有阳光板，所述阳光板封闭所述表型舱，所述表型舱框架的下侧与水封装置之间设置有运行机构，所述运行机构驱动所述表型舱框架沿根系监测系统边缘平移，所述表型舱在平移方向的两端还分别设置有数控舱门，所述数控舱门开启以供大田中作物及地上设备通过数控舱门，所述数控舱门关闭以封闭所述表型舱框架、在表型舱框架内部形成封闭可控的作物生长环境；
环境控制系统，其设置在表型舱框架系统上，包括与表型舱框架固定连接的温度控制系统、气体浓度控制系统、湿度控制系统，还包括设置在表型舱框架顶部固定在阳光板内侧以及设置在根系监测系统外侧的辅助光照系统，所述温度控制系统、气体浓度控制系统、湿度控制系统分别调控表型舱框架内作物生长环境中的温度、气体浓度和湿度，所述辅助光照系统增加或减少表型舱框架内作物生长环境中的光照强度和/或光照时间；
数据采集行车，其包括设置在根系监测系统边缘的行车导轨，所述行车导轨平行于所述水封装置，所述行车导轨上架设有横跨大田的行车主体，所述行车主体上活动连接有调节机构，所述调节机构的下部设置有地上表型获取设备，所述地上表型获取设备随同行车主体在大田间移动并沿行车主体调节至适当位置获取大田中作物的地上表型数据。
可选的，上述任一的用于田间作物表型获取与分析的移动表型舱，其中，所述根系监测系统包括埋设在大田中包围作物根系生长区域边缘的根系检测通道、穿插设置在根系检测通道之间的根管组以及分别设置在根系检测通道和根管组内的地下表型获取设备；
其中，
所述根系检测通道沿第一方向埋设在作物根系生长区域边缘，所述根系检测通道中接近作物根系生长区域一侧的侧壁上设置有玻璃视窗，根系检测通道底部的中间位置沿第一方向设置有向上凸的轨道，根系检测通道内的地下表型获取设备为RGV小车；
所述RGV小车，其底座上设置有与所述轨道配合的导向槽和行走轮，所述行走轮驱动所述RGV小车沿第一方向设置的所述轨道移动，采集玻璃视窗内作物根系沿第一方向分布的各类表型数据；
所述根管组，其包括有分别垂直于所述第一方向排列的多组根管，每一组中均分别包括垂直于所述第一方向分别水平设置在作物根系生长区域内不同深度的多根，各根根管之间相互平行，根管内的地下表型获取设备为监测仪，各监测仪分别在所述根管内水平移动并沿根管的周向旋转，拍摄各根管沿线360°范围内作物根系的分布状况各组根管。
可选的，上述任一的用于田间作物表型获取与分析的移动表型舱，其中，所述监测仪主体为圆柱结构，所述监测仪设置在所述透明材质的根管内部；
所述监测仪的一端或两端设置有运动模块，其包括沿圆柱结构周向转动的转动轮，还包括沿圆柱结构轴向转动的驱动轮，所述监测仪由驱动轮驱动在所述根管内水平移动，由转动轮驱动在根管的周向旋转；
所述监测仪的中部设置有LED光源，其在监测仪拍摄根管沿线360°范围内作物根系的分布状况时为监测仪中的图像获取单元提供拍摄所需照明，至少照亮图像获取单元的拍摄区域；
数据处传输存储模块，其设置在监测仪内，与图像获取单元电连接，存储监测仪在根管内不同位置所拍摄的不同角度下的作物根系的分布状况的照片
可选的，上述任一的用于田间作物表型获取与分析的移动表型舱，其中，所述根系检测通道的顶部设置有运行机构，所述运行机构包括：
运行导轨，其沿第一方向设置在根系检测通道的顶部，位于所述作物根系生长区域边缘，一个根系检测通道顶部的运行导轨包括有相互平行的两条；
导轨轮，其固定在表型舱框架的下侧，表型舱框架每一侧的导轨轮均包括至少两组，每一组导轨轮均分别沿一条所述运行导轨滚动。
可选的，上述任一的用于田间作物表型获取与分析的移动表型舱，其中，所述运行机构的中间设置有水封装置，所述水封装置包括：
水槽，其沿第一方向设置在根系检测通道顶部相互平行的两条运行导轨之间；
挡水板，其由所述表型舱框架的下侧向下延伸至水槽内，水槽中在数控舱门关闭时注水，注水水面的高度超出挡水板的下端面以封闭所述表型舱框架、在表型舱框架内部形成封闭可控的作物生长环境。
可选的，上述任一的用于田间作物表型获取与分析的移动表型舱，其中，所述根系检测通道与地面之间还连接有提升机构，所述提升机内设置有上下移动的载板，载板表面还在对应根系检测通道底部的中间位置设置有轨道，所述RGV小车沿轨道进入提升机内，随同所述载板向上移动至地面上，或向下移动至根系检测通道中。
可选的，上述任一的田间作物根系表型的获取系统，其中，所述提升机包括：
支架，其垂直贯通上下各层根系检测通道；
丝杆，其平行于所述支架，设置在支架之间，各丝杆同步旋转；
丝杆螺母固定座，其与丝杆螺纹连接，随同所述丝杆旋转而沿所述丝杆向上移动或向下移动；
载板，其一端与所述丝杆螺母固定座固定连接，随同所述丝杆螺母固定座同步的由丝杆以及丝杆螺母固定座启动而沿所述丝杆向上移动或向下移动，带动运行至载板上的RGV小车向上移动至地面或向下移动至根系检测通道内。
可选的，上述任一的用于田间作物表型获取与分析的移动表型舱，其中，所述辅助光照系统，其包括设置在表型舱框架顶部固定在阳光板内侧的辅助光照LED灯，还包括设置在根系监测系统中各根管端部的密封盖，以及设置在根系监测系统中玻璃视窗上的遮阳帘。
可选的，上述任一的用于田间作物表型获取与分析的移动表型舱，其中，所述地上设备包括均匀分布在大田中的环境传感器组，其包括臭氧浓度传感器、光照强度传感器、二氧化碳浓度传感器、温湿度传感器和显示屏，其中，显示屏连接所述臭氧浓度传感器、光照强度传感器、二氧化碳浓度传感器、温湿度传感器，显示该环境传感器组所采集到的臭氧浓度、光照强度、二氧化碳浓度、温度和湿度。
有益效果
本发明通过在表型舱框架系统上设置运行机构，使得本发明的表型舱能够在大田上来回运动至适合的位置，对同一外部土壤水文环境下的大田进行不同环境因素的对比实验。实验过程中，表型舱框架系统内部环境可通过水封装置设置为封闭可控，因此本发明对舱内环境因素的调节更为精准，可进行温度、湿度、CO2、O3与光照等不同的环境因素的对比研究，能够模拟田间作物的生物(病虫害等)和非生物逆境(如干旱、冷冻害和盐渍化等)的环境，与舱外自然环境下生长的作物情况行程对照组，可以满足开展不同环境因素对作物表型特征和生理参数的影响研究。
进一步，本发明能够使得作物分别在舱内、舱外两种状态下生长，并能够通过可移动的地上表型获取设备以及地下表型获取设备，分别获取舱内、舱外两种状态下作物表型特征。结合对舱内作物生长环境所进行的采样，本发明能够获得舱内与舱外不同环境因素对作物的影响，进行准确的对照模拟实验的目的。
本发明的可移动的地上表型获取设备以及地下表型获取设备能够对大田内更大样本的作物进行室内与室外植物表型特征观察、实现地上与地下植物表型特征采集。由于田间作物样本丰富，本发明能够进行高通量、高精度、低成本以及综合化的作物表型获取与分析。本发明采用原位采集的方式获取作物表型数据，其所引入的人为干扰因素更少，因而数据采集更为准确。相较于一般国内的大型植物监测装置，本发明所能够监测的样本更多。
本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，并与本发明的实施例一起，用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1是本发明的用于田间作物表型获取与分析的移动表型舱的整体结构示意图；
图2是本发明的移动表型舱中可移动的框架系统的示意图；
图3是本发明的移动表型舱中根系监测系统的侧视图；
图4是本发明的移动表型舱中RGV小车的结构示意图；
图5是本发明的移动表型舱中根系监测系统的整体结构示意图；
图6是本发明移动表型舱的根系监测系统中根管设置方式的示意图；
图7是图6中根系监测系统的外部结构示意图；
图8是图6中根系监测系统的遮阳帘结构示意图；
图9是本发明移动表型舱的根系监测系统中提升机结构的示意图；
图10是本发明的移动表型舱中可移动的框架系统顶部结构的示意图；
图11是本发明的移动表型舱中可移动的框架系统中环境传感器组的示意图；
图12是本发明的移动表型舱中可移动的框架系统中监测仪与根管之间设置方式的示意图；
图13是本发明的移动表型舱中可移动的框架系统中运行机构的示意图。
图中，I表示根系监测系统；II表示表型舱框架系统；IV表示环境控制系统；V表示数据采集行车；1表示玻璃视窗；10表示大田；11表示遮阳帘；2表示根管；3表示采光井；31表示空调；32表示电控柜；33表示气肥机；34表示辅助光照LED灯；35表示喷淋系统；4表示根系检测通道；41表示RGV小车；42表示集成平台；43表示可调云台；44表示表型获取传感器组；5表示轨道；51表示载板；52表示丝杆螺母固定座；53表示丝杆；54表示支架；55表示提升机；6表示监测仪；61表示LED光源；62表示数据处传输存储模块；63表示运动模块；7表示环境传感器组；71表示显示屏；72表示臭氧浓度传感器；73表示光照强度传感器；74表示二氧化碳浓度传感器；75表示温湿度传感器。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的和技术方案更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。
本发明中所述的“和/或”的含义指的是各自单独存在或两者同时存在的情况均包括在内。
本发明中所述的“内、外”的含义指的是相对于根管本身而言，指向根管内部监测仪的方向为内，反之为外；而非对本发明的装置机构的特定限定。
本发明中所述的“连接”的含义可以是部件之间的直接连接也可以是部件间通过其它部件的间接连接。
本发明中所述的“上、下”的含义指的是相对于用于田间作物表型获取与分析的移动表型舱本身而言，由表型舱框架系统顶部指向根系检测通道内部滑动导轨所设置的底部的方向即为下，反之即为上，而非对本发明的装置机构的特定限定。
植物表型组学研究按植物生长的环境可分为室内和室外，各有其优缺点。本发明通过整体表型舱框架结构的移动，实现大型表型研究平台的室内、外一体化研究。该表型舱框架系统由表型舱框架、数控舱门、运行机构组件和运动控制系统组成。数控舱门可以使表型舱内处于封闭模式，能够确保舱内植株环境感受一致，实现作物生长归一化的实验环境控制；舱内可开展植物对水分的利用率、对各种营养物质的需求量的研究，能够研究不同光源对植物生长发育的影响。本发明可以通过模拟和控制光照、温度、湿度和CO2浓度4个主要气候因子，实现气候对植物的影响以及植物对生物、非生物胁迫的反应等研究。舱外可研究各种性状在自然环境下的特征，并且舱外的植物表型研究成果可以直接应用于生产实践。
图1为根据本发明的一种用于田间作物表型获取与分析的移动表型舱，其包括：
根系监测系统I，其埋设在大田10中作物根系生长区域，所述根系监测系统I中至少接近作物根系生长区域的一侧为透明材质，所述根系监测系统I内还设置有地下表型获取设备，所述地下表型获取设备沿透明材质在作物根系生长区域移动，扫描获取接近透明材质生长的作物根系的表型数据；
表型舱框架系统II，其包括表型舱框架、数控舱门、水封装置、运行机构组件，可便于对试验田进行光照及雨雪遮挡，能够根据实验观察需求随时切换温室与户外模式，实现大型表型研究平台的室内、外一体化研究。其中，水封装置设置在根系监测系统I的边缘，所述水封装置上设置有横跨大田10的表型舱框架。所述表型舱框架包括立柱(主桁架)、屋架、檩条、柱间支撑、检测通道、外围覆盖结构—阳光板；所述外围覆盖结构—阳光板覆盖于表型舱顶部与四周，链接处采用专用铝合金型材固定密封，根据实验要求模拟各类遮阳、阴影等自然环境条件，可以保证温室的采光、透光和隔热节能；表型舱两侧面均设置了供工作人员通过的检测通道，可近距离观察受控条件下的植物表征性状。本发明中的数控舱门包括提升机构、运行轨道、舱门，舱门安装于移动表型舱的前后两端头，控制系统控制舱门沿运行轨道运动实现开启与关闭。表型舱框架的外侧由阳光板覆盖，以实现对所述表型舱的封闭，所述表型舱框架的下侧与水封装置之间设置有运行机构，所述运行机构驱动所述表型舱框架沿根系监测系统I边缘平移，所述表型舱在平移方向的两端还分别设置有数控舱门，所述数控舱门开启以供大田10中作物及地上设备通过数控舱门，所述数控舱门关闭以封闭所述表型舱框架、在表型舱框架内部形成封闭可控的作物生长环境；
环境控制系统IV，其设置在表型舱框架系统II上，包括与表型舱框架固定连接的温度控制系统、气体浓度控制系统、湿度控制系统，还包括设置在表型舱框架顶部固定在阳光板内侧以及设置在根系监测系统I外侧的辅助光照系统，所述温度控制系统、气体浓度控制系统、湿度控制系统分别调控表型舱框架内作物生长环境中的温度、气体浓度和湿度，所述辅助光照系统增加或减少表型舱框架内作物生长环境中的光照强度和/或光照时间；
数据采集行车V，其包括设置在根系监测系统I边缘的行车导轨，所述行车导轨平行于所述水封装置，所述行车导轨上架设有横跨大田10的行车主体，所述行车主体上活动连接有调节机构，所述调节机构的下部设置有地上表型获取设备，所述地上表型获取设备随同行车主体在大田10间移动并沿行车主体调节至适当位置获取大田中作物的地上表型数据。
其还可设置舱内五维数据采集系统，通过舱内五维数据采集行车、第一方向滑动导轨、滑轮、第二方向滑动导轨、小车机构、伸缩架、可调平台和图像采集设备集成平台；所述舱内五维数据采集行车通过滑轮搭载于第一方向滑动导轨上，在运动系统的控制下，沿第一方向在表型舱内移动；所述小车机构搭载于第二方向滑动导轨上，根据图像采集要求，调节图像采集设备在第二方向上的位置；所述伸缩架悬挂在所述小车机构上，可以根据图像采集需求，通过伸缩架调节拍摄高度；所述可调平台包括回转机构和电机，可以根据成像需求实时调节所述图像采集设备集成平台的拍摄角度，实现对田间作物的360°拍摄，采集田间作物的图像；所述图像采集设备集成平台可根据植物茎叶等器官的俯视图表型数据的获取需求实时控制五维数据采集行车，实现对多组植物俯视图表型数据的获取。
本发明在数控舱门开启后，可通过伺服电机驱动舱体框架作沿第一方向运动，能够根据实验观察需求随时切换温室与户外模式。表型舱系统的运行机构组件包括运行导轨、导轨轮、变频器、绝对值编码器、PLC和伺服电机等；运动控制系统由定位模块与运动模块组成，运动模块由PLC负责采集舱体的运行状态和行车坐标，接着读取绝对值编码器数据，然后将系统管理部分生成的运行控制参数经由主机推送到PLC上，经过逻辑运算，生成输出控制信号，经输出模块发送指令至变频器，从而控制电机转速，实现电机的启停和变速功能。本发明由此提供一种用于高通量、高精度的田间作物表型获取与分析的移动表型舱，本发明可通过控制舱内环境因素与表型舱的移动进行田间作物培育、表型获取与对比分析，解决了现有气候室中存在的不能开展田间大批量实验、不能开展精确、自动获取与分析作物表型的问题。
具体参考图6以及图7所示，上述根系监测系统I分为根窗监测系统和多通道监测系统，其具体可包括埋设在大田10中包围作物根系生长区域边缘的根系检测通道4、穿插设置在根系检测通道4之间的根管组以及分别设置在根系检测通道4和根管组内的地下表型获取设备。其可以实时、动态、全天候地采集多种植物根系土壤水分、温度以及作物根系生长参数的数据和图像；根窗监测系统由根系监测通道、滑动导轨、图像采集设备集成平台、RGV小车、辅助光照系统、通风系统、提升装置、楼梯间组成。
其中：
所述根系检测通道4沿第一方向埋设在作物根系生长区域边缘，所述根系检测通道4中接近作物根系生长区域一侧的侧壁上设置有玻璃视窗1，根系检测通道4底部的中间位置沿第一方向设置有向上凸的轨道5，所述根系监测通道为长方体结构，两侧面之间的间距在60-70cm范围内，可供工作人员进入实施设备维修，左侧为实心挡土板，右侧为透明玻璃视窗，可进行田间作物根系的观测；根系检测通道4内的地下表型获取设备为RGV小车41；所述的轨道5可选择为工字钢结构，其安装于通道底部，供RGV小车沿导轨在通道内移动；
所述RGV小车41，参考图4所示，其底座上设置有与所述轨道5配合的导向槽和行走轮，所述行走轮驱动所述RGV小车41沿第一方向设置的所述轨道5移动，采集玻璃视窗1内作物根系沿第一方向分布的各类表型数据；所述RGV小车41上所设置的图像采集设备集成平台包括表型获取传感器组、集成平台以及可调云台组成；所述表型获取传感器组包括高光谱成像、红外热成像、近红外成像、荧光成像、雷达扫描成像单元，安装在集成平台中，集成平台通过可调云台固定到RGV小车上，可调节云台角度，实现XYZ三坐标方向的移动。所述RGV小车负载图像采集设备集成平台，沿导轨在通道内移动，可实时监测实植物根系原位生长状况,不需要人员在现场进行操作,只需调试好装置后远程控制监测即可；远程控制表型获取传感器组实时、定时、定点的获取多组作物根系表型数据，继而完成多组作物根系表型数据的存储、传输及根系表型数据分析。
所述根管组，其包括有分别垂直于所述第一方向排列的多组根管，每一组中均分别包括垂直于所述第一方向分别水平设置在作物根系生长区域内不同深度的多根，各根根管之间相互平行，根管内的地下表型获取设备为监测仪6，各监测仪6分别在所述根管2内水平移动并沿根管的周向旋转，拍摄各根管沿线360°范围内作物根系的分布状况各组根管。
所述的根管可设置为多段式根管为圆柱形透明管道，其水平放置于作物种植点正下方，透明根管前后端设有螺纹，多段透明根管通过螺纹连接成不同深度的根系监测通道，在竖直方向均匀排布组成一组通道，通道在水平方向均布排列构成多通道。
根管内的地下表型获取设备可设置为图12所示的监测仪6。所述监测仪6主体为圆柱结构，所述监测仪6设置在所述透明材质的根管2内部，构成所述多通道监测系统采用内窥式图像获取装置，可实时、动态、全天候地采集作物根系生长参数的数据和图像；
所述监测仪6的一端或两端设置有运动模块63，其包括沿圆柱结构周向转动的转动轮，还包括沿圆柱结构轴向转动的驱动轮，所述监测仪6由驱动轮驱动在所述根管2内水平移动，由转动轮驱动在根管的周向旋转；
所述监测仪6的中部设置有LED光源61，其在监测仪6拍摄根管沿线360°范围内作物根系的分布状况时为监测仪6中的图像获取单元提供拍摄所需照明，至少照亮图像获取单元的拍摄区域；
数据处传输存储模块62，其设置在监测仪6内，与图像获取单元电连接，存储监测仪6在根管内不同位置所拍摄的不同角度下的作物根系的分布状况的照片。
所述监测仪6主机通过数据传输存储模块接受远程控制指令后控制运动模块在通道内移动，配合LED光源可实时监测不同深度植物根系原位生长状况,实时、定时、定点的获取多组作物根系表型数据；通过采集分布在不同深度根管附近的作物根系图像，进行不同时间与空间多幅图片的拼接，保证对植物根系全面信息的获取；所述根系监测管道两端装配密封盖，营造避光环境，避免外界光线对根系的影响。
参考图13所示，所述根系检测通道4顶部的运行机构具体可设置为包括：
运行导轨，其沿第一方向设置在根系检测通道4的顶部，位于所述作物根系生长区域边缘，一个根系检测通道4顶部的运行导轨包括有相互平行的两条；
导轨轮，其固定在表型舱框架的下侧，表型舱框架每一侧的导轨轮均包括至少两组，每一组导轨轮均分别沿一条所述运行导轨滚动。
由此，表型舱系统以运行导轨为基准，通过移动表型舱定位系统对表型舱舱体在运行导轨上的位置进行定位，可实时获取舱体的位置。根据操作人员的要求，通过表型舱智能控制系统控制表型舱沿运行轨道进行相应的移动。
所述的水封装置设置在图13中移动表型舱侧面运动机构的两个运行轨道之间，由水槽与挡水板组成，当数控舱门关闭时，向水槽加水至没过挡水板下端，以保证舱内环境完全与外界隔离，形成密闭环境，此时舱内的环境条件完全由环境控制系统进行调控。参考图2所示，所述的水封装置，其具体结构包括：
水槽，其沿第一方向设置在根系检测通道4顶部相互平行的两条运行导轨之间；
挡水板，其由所述表型舱框架的下侧向下延伸至水槽内，水槽中在数控舱门关闭时注水，注水水面的高度超出挡水板的下端面以封闭所述表型舱框架、在表型舱框架内部形成封闭可控的作物生长环境。
为方便RGV小车41移动，本发明还可以进一步的通过图3以及图9的方式，在所述根系检测通道4与地面之间还连接有提升机构55，所述提升机55内设置有上下移动的载板51，载板51表面还在对应根系检测通道4底部的中间位置设置有轨道5，所述RGV小车41沿轨道5进入提升机55内，随同所述载板51向上移动至地面上，或向下移动至根系检测通道4中。
具体而言，所述提升机55包括：
支架54，其垂直贯通上下各层根系检测通道4；
丝杆53，其平行于所述支架54，设置在支架54之间，各丝杆53同步旋转；
丝杆螺母固定座52，其与丝杆53螺纹连接，随同所述丝杆53旋转而沿所述丝杆53向上移动或向下移动；
载板51，其一端与所述丝杆螺母固定座52固定连接，随同所述丝杆螺母固定座52同步的由丝杆53以及丝杆螺母固定座52启动而沿所述丝杆53向上移动或向下移动，带动运行至载板51上的RGV小车41向上移动至地面或向下移动至根系检测通道4内。
本发明中，环境控制系统IV包括温度控制系统、气体浓度控制系统、湿度控制系统、辅助光照系统以及分区消防系统，通过安装在移动表型舱内的温度、CO2浓度、O3浓度、湿度、光照强度等特定传感器实时向控制系统工控主机返回检测数值，系统根据得到的数据对相应的装置进行控制，对环境进行调整。所述温度控制系统包括舱内的空调设备与均布在田间的多组温度传感器，温度控制系统根据温度传感器返回的检测值，通过控制空调调控舱内温度，进而保证舱内温度的稳定；所述气体浓度控制系统包括气肥机与均布在田间的多组CO2、O3浓度传感器，气体浓度控制系统根据CO2、O3浓度传感器返回的检测值调节舱内气体成分，当环境控制系统检测到CO2、O3等气体浓度不足，气肥机会产生相应气体进行补充；所述湿度控制系统包括安装于表型舱顶部的喷淋系统、水箱及均布在田间的多组湿度传感器，湿度控制系统根据传感器返回的检测值，通过控制喷淋系统浇水或增加舱内通风进行舱内湿度的调控；所述辅助光照控制系统包括安装于表型舱顶部的LED灯组、多个光照强度传感器以及安装于根系监测通道内采光井上的遮阳帘，辅助光照控制系统根据光敏传感器返回的检测值，通过控制LED灯组的开关对舱内田间作物进行补光，通过控制遮阳帘的开关减少外界光线对作物根系的影响；分区消防系统由分布在根系监测通道顶部多个自动喷水灭火装置组成，系统的管道内充满有压水，一旦发生火灾，喷头动作后立即喷水进行灭火。
其辅助光照系统，为全面地调控表型舱系统内部的光照状况，可设置为包括：设置在表型舱框架顶部固定在阳光板内侧的如图10所示的辅助光照LED灯34，还包括设置在根系监测系统I中各根管端部的密封盖，以及设置在根系监测系统I中玻璃视窗1上如图8所示的遮阳帘11。LED灯组安装于RGV小车上，根据图像采集的需求，通过控制LED灯组的开关进行补光；遮阳帘的材质可采用不通光材料,安装于根系监测通道内采光井上，提供了一个封闭光环境,能够保证作物根系成像不受外界光照干扰，在使用遮阳帘提供封闭光环境的情况下,处理装置对于接收到的二维作物根系图像序列可以使用普通阂值分割方法进行图像分割,此种方式可以简化处理过程,提高了分析效率。根系检测通道四个角落均设置有通风管、提升机机构，在通道中间与四个角落共设置了六个楼梯间，通风管能够实现管道内的通风功能，提升机机构可以将RGV小车从地面运输至通道轨道，楼梯间可供工作人员从地面进入通道实施设备维修。
为提高表型采集的效率，本发明还可以进一步的将舱外数据采集系统Ⅴ设置为包括数据采集行车、第一方向滑动导轨、滑轮、第二方向滑动导轨、滑板、第三方向液压升降机构、图像采集设备；所述数据采集行车通过滑轮搭载于第一方向滑动导轨上，在运动系统的控制下，沿第一方向在田间移动；所述滑板与第二方向滑动导轨配合，根据图像采集要求，调节图像采集设备在第二方向上的位置；所述第三方向液压升降机构通过控制液压支撑杆的升降调节行车与地面的相对高度，可根据不同图像采集需求调节拍摄高度；所述图像采集设备可根据植物茎叶等器官的俯视图表型数据的获取需求实时拍摄，实现对多组植物俯视图表型数据的获取。
舱外数据采集系统Ⅴ还可进一步包括有图5或图11所示的均匀分布在大田10中的环境传感器组7，其包括臭氧浓度传感器72、光照强度传感器73、二氧化碳浓度传感器74、温湿度传感器75和显示屏71，其中，显示屏71连接所述臭氧浓度传感器72、光照强度传感器73、二氧化碳浓度传感器74、温湿度传感器75，显示该环境传感器组7所采集到的臭氧浓度、光照强度、二氧化碳浓度、温度和湿度。
以上仅为本发明的实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些均属于本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种用于田间作物表型获取与分析的移动表型舱，其特征在于，包括：
根系监测系统(I)，其埋设在大田(10)中作物根系生长区域，所述根系监测系统(I)中至少接近作物根系生长区域的一侧为透明材质，所述根系监测系统(I)内还设置有地下表型获取设备，所述地下表型获取设备沿透明材质在作物根系生长区域移动，扫描获取接近透明材质生长的作物根系的表型数据；
表型舱框架系统(II)，其包括设置在根系监测系统(I)边缘的水封装置，所述水封装置上设置有横跨大田(10)的表型舱框架，所述表型舱框架的外侧覆盖有阳光板，所述阳光板封闭所述表型舱，所述表型舱框架的下侧与水封装置之间设置有运行机构，所述运行机构驱动所述表型舱框架沿根系监测系统(I)边缘平移，所述表型舱在平移方向的两端还分别设置有数控舱门，所述数控舱门开启以供大田(10)中作物及地上设备通过数控舱门，所述数控舱门关闭以封闭所述表型舱框架、在表型舱框架内部形成封闭可控的作物生长环境；
舱内五维数据采集系统，其包括舱内五维数据采集行车、第一方向滑动导轨、滑轮、第二方向滑动导轨、小车机构、伸缩架、可调平台和图像采集设备集成平台，其中，所述舱内五维数据采集行车通过滑轮搭载于第一方向滑动导轨上，在运动系统的控制下，沿第一方向在表型舱内移动；所述小车机构搭载于第二方向滑动导轨上，根据图像采集要求，调节图像采集设备在第二方向上的位置；所述伸缩架悬挂在所述小车机构上，以根据图像采集需求，通过伸缩架调节拍摄高度；所述可调平台包括回转机构和电机，根据成像需求实时调节所述图像采集设备集成平台的拍摄角度，实现对田间作物的360°拍摄，采集田间作物的图像；所述图像采集设备集成平台根据植物茎叶等器官的俯视图表型数据的获取需求实时控制五维数据采集行车，实现对多组植物俯视图表型数据的获取；
环境控制系统(IV)，其设置在表型舱框架系统(II)上，包括与表型舱框架固定连接的温度控制系统、气体浓度控制系统、湿度控制系统，还包括设置在表型舱框架顶部固定在阳光板内侧以及设置在根系监测系统(I)外侧的辅助光照系统，所述温度控制系统、气体浓度控制系统、湿度控制系统分别调控表型舱框架内作物生长环境中的温度、气体浓度和湿度，所述辅助光照系统增加或减少表型舱框架内作物生长环境中的光照强度和/或光照时间；数据采集行车(V)，其包括设置在根系监测系统(I)边缘的行车导轨，所述行车导轨平行于所述水封装置，所述行车导轨上架设有横跨大田(10)的行车主体，所述行车主体上活动连接有调节机构，所述调节机构的下部设置有地上表型获取设备，所述地上表型获取设备随同行车主体在大田(10)间移动并沿行车主体调节至适当位置获取大田中作物的地上表型数据。
2.如权利要求1所述的用于田间作物表型获取与分析的移动表型舱，其特征在于，所述根系监测系统(I)包括埋设在大田(10)中包围作物根系生长区域边缘的根系检测通道(4)、穿插设置在根系检测通道(4)之间的根管组以及分别设置在根系检测通道(4)和根管组内的地下表型获取设备；
其中，
所述根系检测通道(4)沿第一方向埋设在作物根系生长区域边缘，所述根系检测通道(4)中接近作物根系生长区域一侧的侧壁上设置有玻璃视窗(1)，根系检测通道(4)底部的中间位置沿第一方向设置有向上凸的轨道(5)，根系检测通道(4)内的地下表型获取设备为RGV小车(41)；
所述RGV小车(41)，其底座上设置有与所述轨道(5)配合的导向槽和行走轮，所述行走轮驱动所述RGV小车(41)沿第一方向设置的所述轨道(5)移动，采集玻璃视窗(1)内作物根系沿第一方向分布的各类表型数据；
所述根管组，其包括有分别垂直于所述第一方向排列的多组根管，每一组中均分别包括垂直于所述第一方向分别水平设置在作物根系生长区域内不同深度的多根，各根根管之间相互平行，根管内的地下表型获取设备为监测仪(6)，各监测仪(6)分别在所述根管(2)内水平移动并沿根管的周向旋转，拍摄各根管沿线360°范围内作物根系的分布状况各组根管。
3.如权利要求2所述的用于田间作物表型获取与分析的移动表型舱，其特征在于，所述监测仪(6)主体为圆柱结构，所述监测仪(6)设置在所述透明材质的根管(2)内部；
所述监测仪(6)的一端或两端设置有运动模块(63)，其包括沿圆柱结构周向转动的转动轮，还包括沿圆柱结构轴向转动的驱动轮，所述监测仪(6)由驱动轮驱动在所述根管(2)内水平移动，由转动轮驱动在根管的周向旋转；
所述监测仪(6)的中部设置有LED光源(61)，其在监测仪(6)拍摄根管沿线360°范围内作物根系的分布状况时为监测仪(6)中的图像获取单元提供拍摄所需照明，至少照亮图像获取单元的拍摄区域；
数据处传输存储模块(62)，其设置在监测仪(6)内，与图像获取单元电连接，存储监测仪(6)在根管内不同位置所拍摄的不同角度下的作物根系的分布状况的照片。
4.如权利要求3所述的用于田间作物表型获取与分析的移动表型舱，其特征在于，所述根系检测通道(4)的顶部设置有运行机构，所述运行机构包括：运行导轨，其沿第一方向设置在根系检测通道(4)的顶部，位于所述作物根系生长区域边缘，一个根系检测通道(4)顶部的运行导轨包括有相互平行的两条；
导轨轮，其固定在表型舱框架的下侧，表型舱框架每一侧的导轨轮均包括至少两组，每一组导轨轮均分别沿一条所述运行导轨滚动。
5.如权利要求3所述的用于田间作物表型获取与分析的移动表型舱，其特征在于，所述运行机构的中间设置有水封装置，所述水封装置包括：
水槽，其沿第一方向设置在根系检测通道(4)顶部相互平行的两条运行导轨之间；
挡水板，其由所述表型舱框架的下侧向下延伸至水槽内，水槽中在数控舱门关闭时注水，注水水面的高度超出挡水板的下端面以封闭所述表型舱框架、在表型舱框架内部形成封闭可控的作物生长环境。
6.如权利要求5所述的用于田间作物表型获取与分析的移动表型舱，其特征在于，所述根系检测通道(4)与地面之间还连接有提升机(55)，所述提升机(55)内设置有上下移动的载板(51)，载板(51)表面还在对应根系检测通道(4)底部的中间位置设置有轨道(5)，所述RGV小车(41)沿轨道(5)进入提升机(55)内，随同所述载板(51)向上移动至地面上，或向下移动至根系检测通道(4)中。
7.如权利要求6所述的用于田间作物表型获取与分析的移动表型舱，其特征在于，所述提升机(55)包括：
支架(54)，其垂直贯通上下各层根系检测通道(4)；
丝杆(53)，其平行于所述支架(54)，设置在支架(54)之间，各丝杆(53)同步旋转；
丝杆螺母固定座(52)，其与丝杆(53)螺纹连接，随同所述丝杆(53)旋转而沿所述丝杆(53)向上移动或向下移动；
载板(51)，其一端与所述丝杆螺母固定座(52)固定连接，随同所述丝杆螺母固定座(52)同步的由丝杆(53)以及丝杆螺母固定座(52)启动而沿所述丝杆(53)向上移动或向下移动，带动运行至载板(51)上的RGV小车(41)向上移动至地面或向下移动至根系检测通道(4)内。
8.如权利要求3所述的用于田间作物表型获取与分析的移动表型舱，其特征在于，所述辅助光照系统，其包括设置在表型舱框架顶部固定在阳光板内侧的辅助光照LED灯(34)，还包括设置在根系监测系统(I)中各根管端部的密封盖，以及设置在根系监测系统(I)中玻璃视窗(1)上的遮阳帘(11)。
9.如权利要求1所述的用于田间作物表型获取与分析的移动表型舱，其特征在于，所述地上设备包括均匀分布在大田(10)中的环境传感器组(7)，其包括臭氧浓度传感器(72)、光照强度传感器(73)、二氧化碳浓度传感器(74)、温湿度传感器(75)和显示屏(71)，其中，显示屏(71)连接所述臭氧浓度传感器(72)、光照强度传感器(73)、二氧化碳浓度传感器(74)、温湿度传感器(75)，显示该环境传感器组(7)所采集到的臭氧浓度、光照强度、二氧化碳浓度、温度和湿度。
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