CN111288920A - 植物须状根系构型检测分析系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种植物须状根系构型检测分析系统，包括：植物生长盆，轴向具有贯穿横截面的至少一个狭缝区域；至少一个激光测量单元，分别具有与狭缝区域相对应设置的激光发射器和接收器，使得激光发射器朝向接收器发出的激光光束贯穿植物生长盆的横截面；通过旋转载物台，以及激光测量单元以激光发射器为圆心在预定角度范围内水平摆动，从而实现对狭缝区域内的所有根系进行测量；数据分析单元，用于根据激光测量结果对待测植物的根系进行统计分析，本发明通过激光进行测量，并未接触植物根系，不会对植物根系造成破坏，而且能够实现对整个横截面内的根系进行测量，还可以根据上下多个狭缝区域的断层分析结果，重构伪三维根系构型。

Description

植物须状根系构型检测分析系统
技术领域
本发明属于植物表型鉴定技术领域，具体地涉及一种采用非接触式检测技术并且检测准确度高的植物须状根系构型检测分析系统。
背景技术
植物根系有着不可或缺的功能，不仅固定和支撑植株茎、叶、花、果等地上部各类器官，而且是植物吸收水分和矿物营养的主要器官，还在养分储存和生理生化调控中发挥作用。根系构型既受植物基因型控制，也在很大程度上受到环境条件的影响，根系构型以及根系活力是农作物产量和抗逆性的重要决定因素。
深根性是植物根系构型的重要特征之一，指更高比例的根系分布于较深土层之中，深根与浅根的比例与根系生长角度密切相关。例如在水稻中与水平方向夹角小于50度的被认定为浅根，而大于水平夹角大于50度的根被看作为深根(KatoY et al.2006,PlantSoil)，由此提出一种鉴定深浅根比例的“篮子法”，把水稻植株种植在底面半径与深度比例为0.84的多孔塑料或者不锈钢篮子的顶部中心位置，把篮子埋在土中让植株生长一段时间，挖出篮子人工数出从篮子底面伸出的根的数量，看作深根；数出从篮子侧边伸出的根的数量，看作浅根(UgaY et al.2009,Breed Sci)。
由于根系生长在土壤之中而且有复杂的三维分布，对根系构型的调查有着很高的技术难度，尤其难以实现无损、连续、高通量的检测。
长期以来，人们想方设法对植物根系构型进行观察和测量，既有实际田间土壤中根系的检测技术，也有在实验室或者温室人工模拟的场景中的根系观测方法。例如，直接挖掘土壤中的根系或者对切割出来各土层中的根进行人工测量，为了让冲洗移去土体后的根系维持三维空间分布，可以事先把立体网格的铁丝笼子买入土中，也可以把中空的圆筒事先埋入土中以便于土体挖掘(例如Shovelomics玉米冠根分析方法)；通过大型地下根室中预设的玻璃视窗或者透明根管可以对贴近表面的根系进行原位观察，或者通过预埋微根管和配套扫描探头也可以对局部可见的根系进行原位观察。
在人工场景中培养植物并观测根系构型的策略主要有以下几类：1)水培的方法便于观察但其根系三维构型与土壤中构型有很大变化；2)透明凝胶中根系图像分析并重构3D分布，仅适用于小苗而且与土壤中环境仍有较大差异；3)利用多层夹板把根系压缩在2D平面中或者薄层基质中观测根系的方法，便于较高通量连续观测，但空间分布发生了很大变化；4)PVC根管土培的方法较好地模拟田间土壤环境并便于施加不同处理，但仅能在试验结束后洗出根系进行观测，丢失根系原有三维分布信息；5)x射线CT和MRI成像技术能进行植物根系活体三维检测，但高分辨大视场仪器造价昂贵，受基质成份和含水量等影响，而x射线CT技术要求高透明特殊介质。
总而言之，现有根系构型测量技术在实施过程中要么具有破坏性，要么只能对贴近视窗表面的少量根系进行观测，在模拟田间土壤环境、无损连续监测、廉价高通量监测等技术要素上尚未达到较为理想的综合优化状态。
发明内容
本发明是为了解决上述问题而进行的，目的在于提供一种采用非接触式检测技术并且检测准确度高的植物须状根系构型检测分析系统。
本发明提供了一种植物须状根系构型检测分析系统，其特征在于，包括：植物生长盆，用于种植待测植物，轴向具有贯穿横截面的至少一个狭缝区域；
至少一个激光测量单元，分别具有与所述狭缝区域相对应设置的激光发射器和接收器，使得所述激光发射器朝向所述接收器发出的激光光束贯穿所述植物生长盆的横截面；
弧形测量弓，用于安装所述激光测量单元，并带动所述激光测量单元以所述激光发射器为圆心在预定角度范围内水平摆动从而实现对有效扇区内的根系进行测量；
旋转载物台，用于驱动所述植物生长盆等角度步进旋转，实现依次从不同角度获得多个有效扇区内的根系测量结果，从而对所述狭缝区域内的所有根系进行测量；
数据分析单元，与所述激光测量单元相连接，用于根据激光测量结果对所述待测植物的根系进行统计分析。
在本发明提供的植物须状根系构型检测分析系统中，还可以具有这样的特征，其中，所述植物生长盆包含：一个底盆和可依次插接在所述底盆上方的至少一个插接盆体，
所述底盆与相邻的所述插接盆体之间具有所述狭缝区域，
所述插接盆体的底部为多孔网格结构，网格孔径大于所述待测植物根的最大直径。
在本发明提供的植物须状根系构型检测分析系统中，还可以具有这样的特征，其中，所述插接盆体的数量为至少两个，相邻的两个所述插接盆体之间也具有所述狭缝区域，
所述激光测量单元的数量与所述插接盆体的数量相一致，
每个所述狭缝区域都设有所述激光发射器和所述接收器。
在本发明提供的植物须状根系构型检测分析系统中，还可以具有这样的特征，其中，所述底盆与所述插接盆体之间、以及相邻的两个所述插接盆体之间分别通过三个插销和插孔连接固定。
在本发明提供的植物须状根系构型检测分析系统中，还可以具有这样的特征，其中，所述弧形测量弓的与所述激光发射器对应的端部固定立柱上，所述立柱安装于所述旋转载物台的固定基座上。
在本发明提供的植物须状根系构型检测分析系统中，还可以具有这样的特征，其中，所述激光发射器所发出的激光光束的直径小于1mm，
所述激光测量结果为所述激光发射器朝向对应的所述接收器发出的激光光束得到的光路透射信号或光路受阻挡信号。
在本发明提供的植物须状根系构型检测分析系统中，还可以具有这样的特征，其中，在所述弧形测量弓转动过程中，所述激光测量单元按照预定时间间隔进行复数次检测，从而形成一个检测扇区。
在本发明提供的植物须状根系构型检测分析系统中，还可以具有这样的特征，其中，将所述植物生长盆置于所述旋转载物台上后使两者的圆心处于垂直同轴的位置，在所述植物生长盆等角度步进旋转一周过程中，所述激光测量单元在每个步进间隙完成一次摆动进行根系测量，从而得到复数个检测扇区的根系测量结果。
在本发明提供的植物须状根系构型检测分析系统中，还可以具有这样的特征，其中，所述数据分析单元通过分析重构全部检测光路在所述狭缝区域内的坐标位置，依据激光光束在横断面中的覆盖情况以及受阻挡光路的交叉位置信息，对横截面中根系的位置进行断层定位和根系计数。
在本发明提供的植物须状根系构型检测分析系统中，还可以具有这样的特征，其中，所述数据分析单元还将多个所述狭缝区域的断面中根系的位置和数量的检测数据进行整合分析，从而实现重构所述待测植物的伪三维根系构型。
发明的作用与效果
根据本发明所涉及的植物须状根系构型检测分析系统，将待测植物种植于植物生长盆内，在其生长期间的不同时间点，通过旋转载物台带动植物生长盆同轴等角度步进旋转，激光测量单元在每个步进间隙以激光发射器为圆心在预定角度范围内水平摆动，激光发射器在摆动的同时朝向接收器发出激光光束，按照预定时间间隔读取光束通断信号，根据所有激光光束的测量结果分析得到每个狭缝区域对应的横截面内的根系位置与数量；本发明只是通过激光光束对狭缝区域内的根系进行测量，并未接触植物根系，也就不会对植物根系造成破坏，而且狭缝区域设置在植物生长盆的至少一个位置，能够实现对需要位置的整个横截面内的根系进行测量，多个断面测量结果可以用于构建根系的伪三维构型。
附图说明
图1是本发明的实施例中植物须状根系构型检测分析系统的结构示意图。
图2是本发明的实施例中插接盆体的结构示意图。
图3是本发明的实施例中激光测量单元的测量示意图。
图4是本发明的实施例中激光光束的光路通断示意图。
图5是本发明的实施例中根系伪三维构型示意图。
具体实施方式
下面通过实施例的方式进一步说明本发明，但并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。
<实施例>
本实施例的技术方案目的在于克服现有技术中植物根系构型表型鉴定的不足，建立在植物盆栽土体中预留水平检测狭缝区域的植物培养方法，建立利用激光光束对狭缝区域中植物根系进行断层定位和计数，进一步通过上下多层狭缝区域的断层定位数据重新构建植物根系伪三维构型。
图1是本发明的实施例中植物须状根系构型检测分析系统的结构示意图。
如图1所示，本实施例中公开了一种植物须状根系构型检测分析系统100，该检测分析系统100为一种非接触式检测技术方案，它包括：植物生长盆10、两个激光测量单元20、旋转载物台30以及图中未显示的数据分析单元。
植物生长盆10用于种植待测植物，其整体呈圆柱状，轴向具有贯穿横截面的两个狭缝区域11，两个狭缝区域11的结构与尺寸完全相同，仅设置在植物生长盆10的轴向不同位置处，也就是说，两个狭缝区域11将对应待测植物根系的不同深度位置。
植物生长盆10包含：一个底盆12和可依次插接并上下相叠在底盆12上方的两个插接盆体13。通过一个盆体12和两个插接盆体13形成圆柱状植物种植盆。
在本实施例中，底盆12为有底的塑料圆盆，它的盆壁上沿外侧有三个等角分布的带插孔的连接扣。
在本实施例中，两个插接盆体13的结构与功能完全相同，依次上下相叠设置，在此仅对其中一个插接盆体13进行详细说明，省略对另一个的详细说明。
图2是本发明的实施例中插接盆体的结构示意图。
如图2所示，插接盆体13的底部为多孔网格结构14，网格孔径大于待测植物根系的最大直径。具体地，插接盆体13的底部的最小处孔径为2mm的网孔板，可以一体成型或者在稍内扣的空心圆筒中放入单独加工的网孔板。插接盆体13的盆壁下沿有三个等角分布的带插销15的连接扣，上沿有三个相同位置的带插孔16的连接扣。
上下相叠的两个插接盆体13的尺寸和连接扣的位置准确匹配，插销插入插孔后把底盆12与插接盆体13、相邻的两个插接盆体13连接固定，在每一层接口处，即上层盆壁下沿与下层盆壁上沿之间，留出3mm-5mm的均匀缝隙，从而形成一个狭缝区域11。
另外，在每层插接盆体13中装填砂土或其他基质之前，在插接盆体13的底部上可以敷衬薄层海绵或者发芽纸等材料，防止砂土从孔隙中漏出。而且下层装填砂土或其他基质时尽量填满但不高于其侧壁的上沿，以防止穿过狭缝区域11的根系过多暴露在空气中，也防止过多基质阻挡穿过狭缝区域11的光束。
综上，底盆12与插接盆体13之间、以及相邻的两个插接盆体13之间分别通过三个插销和插孔连接固定，插销和插孔采用高强度材料制成，保证底盆12与相邻的插接盆体13之间形成一个狭缝区域11，相邻的两个插接盆体13之间又形成另一个狭缝区域11。
在本实施例种，两个激光测量单元20的结构与功能完全相同，与两个狭缝区域11一一对应设置，在此仅对其中一个激光测量单元20进行详细说明，省略对另一个的详细说明。
图3是本发明的实施例中激光测量单元的测量示意图。
如图1和3所示，一个激光测量单元20具有与狭缝区域11相对应设置的激光发射器21和接收器22以及弧形测量弓23。
激光发射器21和接收器22分别固定在弧形测量弓23的两个端部，使得激光发射器21和接收器22位于植物生长盆10相对的两侧，这样能够保证激光发射器21发出的激光光束正对接收器22，保证光路水平且贯穿植物生长盆10的狭缝区域11的横截面。
在本实施例中，将弧形测量弓23安装到固定于旋转载物台30基座的立柱上，使其以光束起点的激光发射器21为圆心，按照角度α往返匀速转动，按照固定时间间隔进行光路通断检测，获得等角度分布的m条光路的通断检测结果。弧形测量弓完成一次摆动过程，在起始检测光路与结束检测光路之间形成一个检测扇区，该扇区与种植生长盆10的圆柱体横截面的重叠区域，是一次摆动过程的有效检测区域(如图3阴影所示)。通过优化设计弧形测量弓23使其能够以植物生长盆10的直径中线完成α角度摆动，同时保持激光发射器21与接收器22之间的最短距离，这样有助于提高检测灵敏度。
在本实施例中，激光发射器21所发出的激光光束的直径小于1mm。
又如图1所示，将种植有待测植物的植物生长盆10放到旋转载物台30之上，使得两者的圆心保持垂直同轴。
在本实施例中，采用高精度等角度步进电机驱动旋转载物台30，使得植物生长盆10绕同心轴步进旋转。在每个步进间歇时间完成一次弧形测量弓23的摆动检测，设定步进电机每次转动角度β，则上述旋转一周后共有n次步进间隙(n＝360/β)，整个周期检测了m×n条光路的通过或阻断信号。
数据分析单元与两个激光测量单元20相通信连接，用于根据激光测量结果对待测植物的根系进行统计分析，最终实现对该狭缝区域11内的所有根系进行准确测量。在本实施例中，数据分析单元的功能在计算机中实现。这里，激光测量结果是指激光发射器21朝向对应的接收器22发出的激光光束得到的光路透射信号或光路受阻挡信号。具体来说，当激光光束受到根系阻挡时，当前光束的测量结果为光路受阻挡信号；当激光光束未收到根系阻挡时，当前光束的测量结果为光路投射信号。
图4是本发明的实施例中激光光束的光路通断示意图。
如图4所示，在一个狭缝区域11内进行了三个角度的激光测量，得到三个检测扇区，通过数据分析单元分析重构该三个检测扇区中全部检测光路在狭缝区域内的坐标位置，依据光路通断信号在横截面的覆盖情况以及受阻挡光路的交叉位置信息，从而对横截面中根系的位置进行断层定位和计数。
具体地，在预定的两个根系横截面周围，激光光路的通断信息能够有效界定根的横截面边界。通过n个检测扇区或者有效检测面积对植物生长盆10的横截面的重叠覆盖，足够数量、各种角度的检测光束能够“照亮”根系之间的全部间隙。即使横截面中有较大数量的根系存在互相阻挡关系，也可以对绝大多数根系进行断层定位和计数。
根据本实施例的特定深度横断面的根系数量及其分布检测，进一步能够推算根角度和深浅根比例。具体方案如下：
利用本实施例进行根系构型检测时，待测植物的基部位于植物生长盆10的基质表面中心处，以此作为根系着生的位置(a点)，在土表以下指定深度(h)预留一个狭缝区域11，在狭缝区域11内检测断层中定位到某个根系的横截面中心点(b点)到检测断层中心点的距离为x，则ab连线与水平面的夹角为：γ＝arctan(x/h)，按照这一方法可以估算出每条根的生长角度，从而可以得出待测植物根系生长角度平均值、变异幅度、频次分布等表型指标。
鉴于已有研究方法设定区分深层根和浅层根的临界角度，例如在水稻中把根的生长方向与水平面夹角小于50度的归为浅根，大于50度的归为深根，依据上述估算根系生长角度与该指定临界值的比较，区分浅根、深根并统计各自数量，计算获得深根比表型指标。
依据检测断层到基质表面的高度(h)和待测植物中约定的深浅根临界角度(γ)，在狭缝区域11的横截面中有以中心点为圆心、半径为r＝h×tan(γ)的圆，则定位在该圆以内的为深根，位于该圆以外的为浅根，分别统计深根数和浅根数量，也可计算得出深根比表型指标。
图5是本发明的实施例中根系伪三维构型示意图。
如图1和5所示，在两个狭缝区域11分别对植物根系进行测量定位后，对上述根系断层定位和计数技术进行验证和参数优化，评估根系数量上升与检测误差之间关系，建立实际根系数量与检测计数之间的回归模型，最终通过待测植物多种基因型的不同时期的根系实际测量结果，验证并应用本项技术检测根系数量与实际根系数量之间的回归方程。而且，根据该两个狭缝区域11的断面中根系的位置和数量的检测数据进行整合分析，从而重构出如图5所示的待测植物的伪三维根系构型。具体方案如下：
待测植物根系具有向地生长和从中心向外发散的特点，按照上一个狭缝区域的断层中根系定位坐标与下一个狭缝区域断层中根系定位坐标之间的垂直投影关系，位置完全重合或者更接近的两个根横截面之间，以直线或平滑曲线相连，看作一条根；在相近范围内，上断层只定位到一条根，下断层有两条根，上下投影位置更接近的两个定位点之间相连后看作主根或高一级侧根，从该主根或者侧根的中间位置到下断层定位处以平滑曲线相连，认定为主根的一条侧根或者某级侧根的下一级侧根；在相近范围内，上断层有两条根而下断层只有一条，则看作其中一条根的根尖位于上断层定位位置垂直往下1/2高度处；同理，通过待测植物根系构型已有数据库和更多断层定位信息，对主根-侧根关系、根尖位置、根走向曲线等进行优化，构建伪三维根系构型。
实施例的作用与效果
根据本实施例所涉及的植物须状根系构型检测分析系统，在植物生长盆中预留水平的狭缝区域，用水平摆动的激光发射器构成扇形透射检测视场；再通过旋转载物台与弧形测量弓之间的相对匀速旋转，使得多角度检测光路充分覆盖横截面；利用数据分析单元对光路透射和受阻挡信号进行重构分析，分析出横截面中根系分布，统计根系数量；进一步根据上下多个狭缝区域的断层分析结果，重构伪三维根系构型。
在变形例中，弧形测量弓在旋转载物台基座立柱上的垂直位置连续可调，调节完成后锁定，保持激光发射器的光路处于水平位置；一个旋转载物台上可安装多个弧形测量弓，各自调节高度至对应预留狭缝区域，可以同时对上下两个或更多狭缝区域进行激光透射检测，以提高检测效率，缩短一个多狭缝植物生长盆的检测所需时间。
在变形例中，还可以一个激光发射器与多个成弧形分布的接收器之间同时形成多光路检测扇区。或者，定向光束匀速旋转依次照射到弧形分布的多个接收器，实现扇形多光路透射检测，这样就可以略去弧形测量弓，从而简化系统并提高检测效率。
在变形例中，把不同波长的激光光电传感器或抗干扰的多对光电传感器安装在同一狭缝区域对应位置上，形成多条交叉检测光路，也可以提高检测效率。
与现有技术相比，本发明的技术方案具有如下有益效果：
1)采用本发明的植物生长盆的待测植物的根系生长状态和空间分布情况，相较于水培条件下、透明培养基或者压缩二维空间中的植物根系而言，更为接近于田间土壤中的根系构型。
2)本发明通过预留狭缝区域对根系进行断层透射检测，属于非侵入式观测方法，可在植物生长过程中多次对根系构型进行检测，获得根系构型动态变化的连续监测结果。
3)本发明采用可见光光束进行透射检测，相较于植物根系CT或核磁共振成像检测技术，具有成本低、无电离辐射风险、在同等投入水平下大幅度提高分辨率等优越性。
4)通过预留狭缝区域把土体分隔成上下多个土层，必要时可以对不同土层施加不同灌溉水量、养分含量等处理，例如模拟田间深浅层土壤墒情和养分有效性差异。
虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这仅是举例说明，本发明的保护范围是由所附权利要求书限定的。本领域的技术人员在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式做出多种变更或修改，但这些变更和修改均落入本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种植物须状根系构型检测分析系统，其特征在于，包括：
植物生长盆，用于种植待测植物，轴向具有贯穿横截面的至少一个狭缝区域；
至少一个激光测量单元，分别具有与所述狭缝区域相对应设置的激光发射器和接收器，使得所述激光发射器朝向所述接收器发出的激光光束贯穿所述植物生长盆的横截面；
弧形测量弓，用于安装所述激光测量单元，并带动所述激光测量单元以所述激光发射器为圆心在预定角度范围内水平摆动从而实现对有效扇区内的根系进行测量；
旋转载物台，用于驱动所述植物生长盆等角度步进旋转，实现依次从不同角度获得多个有效扇区内的根系测量结果，从而对所述狭缝区域内的所有根系进行测量；
数据分析单元，与所述激光测量单元相连接，用于根据激光测量结果对所述待测植物的根系进行统计分析。
2.如权利要求1所述的植物须状根系构型检测分析系统，其特征在于：
所述植物生长盆包含：一个底盆和可依次插接在所述底盆上方的至少一个插接盆体，
所述底盆与相邻的所述插接盆体之间具有所述狭缝区域，
所述插接盆体的底部为多孔网格结构，网格孔径大于所述待测植物根的最大直径。
3.如权利要求2所述的植物须状根系构型检测分析系统，其特征在于：
所述插接盆体的数量为至少两个，相邻的两个所述插接盆体之间也具有所述狭缝区域，
所述激光测量单元的数量与所述插接盆体的数量相一致，
每个所述狭缝区域都设有所述激光发射器和所述接收器。
4.如权利要求3所述的植物须状根系构型检测分析系统，其特征在于：
所述底盆与所述插接盆体之间、以及相邻的两个所述插接盆体之间分别通过三个插销和插孔连接固定。
5.如权利要求4所述的植物须状根系构型检测分析系统，其特征在于：
所述弧形测量弓的与所述激光发射器对应的端部固定在立柱上，所述立柱安装于所述旋转载物台的固定基座上。
6.如权利要求5所述的植物须状根系构型检测分析系统，其特征在于：
所述激光发射器所发出的激光光束的直径小于1mm，
所述激光测量结果为所述激光发射器朝向对应的所述接收器发出的激光光束得到的光路透射信号或光路受阻挡信号。
7.如权利要求6所述的植物须状根系构型检测分析系统，其特征在于：
在所述弧形测量弓转动过程中，所述激光测量单元按照预定时间间隔进行复数次检测，从而形成一个检测扇区。
8.如权利要求7所述的植物须状根系构型检测分析系统，其特征在于：
将所述植物生长盆置于所述旋转载物台上后使两者的圆心处于垂直同轴的位置，在所述植物生长盆等角度步进旋转一周过程中，所述激光测量单元在每个步进间隙完成一次摆动进行根系测量，从而得到复数个检测扇区的根系测量结果。
9.如权利要求8所述的植物须状根系构型检测分析系统，其特征在于：
所述数据分析单元通过分析重构全部检测光路在所述狭缝区域内的坐标位置，依据激光光束在横断面中的覆盖情况以及受阻挡光路的交叉位置信息，对横截面中根系的位置进行断层定位和根系计数。
10.如权利要求9所述的植物须状根系构型检测分析系统，其特征在于：
所述数据分析单元还将多个所述狭缝区域的断面中根系的位置和数量的检测数据进行整合分析，从而实现重构所述待测植物的伪三维根系构型。
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