CN111812922A - 田间根系槽道式拍照系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种田间根系槽道式拍照系统，包括田间根系模拟坑道、坑道穿梭车，田间根系模拟坑道沿长度方向的两侧嵌设有多个扁平栽培容器，坑道穿梭车在田间根系模拟坑道内沿其长度方向移动对两侧扁平栽培容器的根系拍照成像，田间根系模拟坑道外沿长度方向的两侧均设置拍照装置，拍照装置在田间根系模拟坑道外沿扁平栽培容器移动对扁平栽培容器另一侧的根系拍照成像。本发明采用田间根系模拟坑道模拟田间，扁平栽培容器内的作物模拟田间作物，采用田间根系模拟坑道内的坑道穿梭车、田间根系模拟坑道外的拍照装置对大型重量扁平栽培容器内的作物进行清晰全面的作物根系图像采集，实时多角度、全方位观测完整的作物根系表型。

Description

田间根系槽道式拍照系统

技术领域

本发明涉及一种采集系统，尤其涉及一种基于槽道的作物根系表型采集系统。

背景技术

作物表型分为地上部表型和地下部表型两部分，目前多集中在地上部表型性状的观测，由于地下的不可见性导致地下部表型研究相对较少。地下部作物表型通常是指位于地表以下的作物根系部分，是植物重要的营养器官。根系一方面吸收土壤中的水分和其他有机营养物质，另一方面本身也通过分泌有机酸等物质影响和改善植物土壤微生物的环境，促进作物地上部分的生长发育，直接或间接影响了产量。因此，研究根系表型对作物结构和功能性状具有十分重要的意义。

传统的根系研究大多数是纯手工、破坏性直接采样，将根系从土壤中取出后洗净，米尺测量和相机拍摄，获取根系的长度、直径及其相关生物量的一些性状参数，手工取样法费时费力，样品易遭到破坏且误差较大。基于“plant to sensor”根系表型非破坏性间接观测方法众多。研究人员将植株放置于大型传送带，传送带带动植株移动并进入传感器进行图像采集。但是基于传送带结合传感器方法，成本高，占地空间大，不适用于高通量的作物根系表型研究。将CT核磁共振或X射线扫描测定根系，植株置入带有传感器暗室拍摄成像获取表型信息，但是该方法具有一定的辐射，需要较高标准的安全防护，且获取的根系表型信息有限，图像分辨率低。通过GROWSCREEN-Rhizo方法对窄根盒进行根系成像，但该方法只能获取部分碎片化根系表型信息，且窄根盒限制了根系的生长空间，易使成像窗中根系重叠严重，获取的根系图像损失较多的根系表型信息。

因此，现有的根系表型平台成本高，占地空间大，获取的根系图像信息有限等问题，急需研发一种图像清晰，无需预处理、自动化和高通量的根系表型采集系统。

发明内容

本发明克服了现有技术中的不足，在于提供一种用于模仿田间根系，并对田间根系进行全面、准确观测的田间根系槽道式拍照系统。

本发明的具体技术方案如下：

一种田间根系槽道式拍照系统，包括田间根系模拟坑道、坑道穿梭车，田间根系模拟坑道沿长度方向的两侧嵌设有多个扁平栽培容器，坑道穿梭车在田间根系模拟坑道内沿其长度方向移动对两侧扁平栽培容器的根系拍照成像，田间根系模拟坑道外沿长度方向的两侧均设置拍照装置，拍照装置在田间根系模拟坑道外沿扁平栽培容器移动对扁平栽培容器另一侧的根系拍照成像。

优选的，所述扁平栽培容器包括两片透明板、间隔条以及遮光板，所述间隔条夹放在两片透明板之间，间隔条包括两根垂直间隔条和一根水平间隔条，垂直间隔条位于透明板的两侧，水平间隔条位于透明板的底部，间隔条和透明板组成中空的栽培容器；所述遮光板位于透明板顶部，遮光板中部开设有遮光板槽，遮光板槽的形状与栽培容器顶部开口处的形状相同且位置对应，遮光板的面积大于栽培容器顶部面积。

优选的，所述田间根系模拟坑道包括矩形框架，设于矩形框架上的底板和顶板，矩形框架的底部沿其长度方向设有相互平行的轨道，矩形框架沿其长度方向的两侧设有多个嵌入槽，扁平栽培容器可拆卸的设在该嵌入槽内；矩形框架对应于扁平栽培容器底部的位置设有接水盒；沿矩形框架的宽度方向设有全遮光卷帘门。

优选的，所述田间根系模拟坑道沿长度方向的两侧均设有遮光结构，遮光结构设在扁平栽培容器的外侧；所述遮光结构包括沿田间根系模拟坑道长度方向延伸的框架，设于框架上的幕帘，所述拍照装置设在框架内。

优选的，所述拍照装置包括CIS拍照相机、相机架体，CIS拍照相机设在相机架体上可相对相机架体伸缩，CIS拍照相机可沿相机架体上下滑动，所述相机架体设在框架内并可沿框架的长度方向滑动。

优选的，所述坑道穿梭车包括车架、采集机构，车架用于装载所述采集机构并能够沿田间根系模拟坑道内的长度方向滑动；所述采集机构包括采集框架以及设在采集框架上的多个相机，多个相机的相机镜头朝向田间根系模拟坑道内的左侧和右侧；车架的左侧、右侧均设有沿竖直方向延伸的灯条。

优选的，所述采集框架包括左框架和右框架，左框架的上半部分和下半部分均设有镜头朝向田间根系模拟坑道右侧的相机，右框架的上半部分和下半部分均设有镜头朝向田间根系模拟坑道左侧的相机。

优选的，各个相机的两侧均设有防反光板，车架左侧、右侧的顶部均设有沿车架高度方向延伸的全遮光手动卷帘，全遮光手动卷帘上设有用于各个相机进行拍照的拍照孔。

优选的，所述车架的底部设有主动轮组、从动轮组和导轮，

主动轮组包括第一转轴、套设在第一转轴两端并且与矩形框架底部相互平行的轨道滑动配合的主动轮，用于驱动第一转轴转动的驱动装置；

从动轮组包括第二转轴、套设在第二转轴两端并且与矩形框架底部相互平行的轨道滑动配合的从动轮；

导轮设在与同一轨道滑动配合的主动轮、从动轮的两侧并与该轨道侧面接触。

优选的，车架的后侧底部设有两个与矩形框架底部相互平行的轨道相配合的定向轮。

本发明由于采用以上技术方案，其具有以下优点：

1.本发明采用田间根系模拟坑道模拟田间，扁平栽培容器内的作物模拟田间作物，采用田间根系模拟坑道内的坑道穿梭车、田间根系模拟坑道外的拍照装置对扁平栽培容器内的作物进行清晰全面的采集根系图像，实时多角度、全方位观测完整的作物根系表型。

2.本发明坑道穿梭车在田间根系模拟坑道内沿其长度方向移动，拍照装置在田间根系模拟坑道外沿扁平栽培容器移动进行自动拍照，自动化程度高，实现高通量、全自动拍照。

3.采用本发明所述田间根系槽道式拍照系统，无需破坏作物或土壤原有状态的情况下即可对田间作物的根系进行全面观测，提高了观测的准确性。

4. 本发明采用的田间根系模拟坑道可以实现全暗环境下的根系表型的监测，避免根系表型监测时，作物根系暴露于光照环境，对根系的生长造成影响，提高根系表型研究工作的准确性。

附图说明

图1为本发明所述田间根系槽道式拍照系统的结构示意图；

图2为本发明所述田间根系模拟坑道的结构示意图；

图3为本发明所述扁平栽培容器的结构示意图；

图4为本发明所述拍照装置的结构示意图；

图5为图4中的A区放大图；

图6为本发明所述CIS拍照相机与相机架体连接的结构示意图；

图7为本发明所述坑道穿梭车的结构示意图；

图8为本发明所述坑道穿梭车的俯视图；

图9为本发明所述坑道穿梭车的仰视图。

具体实施方式

以下将结合附图对本发明的较佳实施例进行详细说明，以便更清楚理解本发明的目的、特点和优点。应理解的是，附图所示的实施例并不是对本发明范围的限制，而只是为了说明本发明技术方案的实质精神。本发明未提及部分均为现有技术。

参见图1，本发明提供一种田间根系槽道式拍照系统，包括田间根系模拟坑道1、坑道穿梭车2，田间根系模拟坑道1沿长度方向的两侧嵌设有多个扁平栽培容器3，坑道穿梭车2在田间根系模拟坑道1内沿其长度方向移动对两侧扁平栽培容器3的根系拍照成像，田间根系模拟坑道1外沿长度方向的两侧均设置拍照装置4，拍照装置4在田间根系模拟坑道1外沿扁平栽培容器3移动对扁平栽培容器3另一侧的根系拍照成像。本发明采用田间根系模拟坑道1以及扁平栽培容器3内的作物模拟田间作物，采用坑道穿梭车2和田间根系模拟坑道1外的拍照装置4对扁平栽培容器3内作物的根系拍照成像，从而模仿田间根系拍照，对田间根系表型非破坏性观测，不仅观测全面，而且准确性高。

进一步的，参见图3，扁平栽培容器3包括两片钢化玻璃3-4、间隔条以及遮光板3-8；所述间隔条夹放在两片钢化玻璃3-4之间，间隔条包括两根垂直间隔条3-1和一根水平间隔条（图中未画出），垂直间隔条3-1位于钢化玻璃3-4的两侧，水平间隔条位于钢化玻璃3-4的底部，间隔条和钢化玻璃3-4组成中空的栽培容器，中空的栽培容器中填充培养土，植物根系在栽培容器内生长；钢化玻璃3-4的两侧以及底部均匀开设有螺栓孔3-3，两片钢化玻璃3-4之间通过螺栓加以固定。遮光板3-8位于钢化玻璃3-4的顶部，遮光板3-8的中部开设有遮光板槽3-6，遮光板槽3-6的位置与形状与栽培容器的顶部开口处对应设置，便于填土，遮光板3-8的面积大于栽培容器顶部的面积。优选的，遮光板槽3-6的中间区域设有延伸部3-7，作物种植在中间区域，延伸部3-7便于植物茎的生长。

进一步的，参见图3，垂直间隔条3-1的底部设有调节底脚3-2，用来调整扁平栽培容器3的高度；垂直间隔条3-1的顶部设有吊环3-5，便于将扁平栽培容器3放置在田间根系模拟坑道1两侧或者将扁平栽培容器3从田间根系模拟坑道1两侧取出。

进一步的，参见图2，田间根系模拟坑道1包括矩形框架1-4，设于矩形框架1-4上的底板1-8和顶板1-1，矩形框架1-4沿其长度方向的两侧设有多个嵌入槽（图中未画出），扁平栽培容器3可拆卸的设在该嵌入槽内；矩形框架1-4对应于扁平栽培容器3底部的位置设有接水盒1-10；扁平栽培容器3底部渗出的多余水分流出后进入接水盒1-10，避免弄脏田间根系模拟坑道1。沿矩形框架1-4的宽度方向设有全遮光卷帘门1-5，将卷帘门1-5拉下，实现田间根系模拟坑道1内对扁平栽培容器3的根系全遮光成像拍照。矩形框架1-4的底部沿其长度方向设有相互平行的轨道1-7，坑道穿梭车2滑动连接在该轨道1-7上。为了确保田间根系模拟坑道1内的全暗环境，田间根系模拟坑道1上位于扁平栽培容器3吊环3-5的上方设有遮光盒1-2。

进一步的，参见图2，田间根系模拟坑道1沿长度方向的两侧均设有遮光结构，遮光结构设在扁平栽培容器3的外侧；遮光结构包括沿田间根系模拟坑道1长度方向延伸的框架1-9，设于框架1-9上的幕帘1-3，拍照装置4设在框架1-9内。幕帘1-3沿框架1-9的长度方向延伸，对田间根系模拟坑道1上所有扁平栽培容器3远离田间根系模拟坑道1的一侧进行遮光，幕帘1-3可以由多个组成，相邻两个幕帘1-3之间设有遮光条1-11，幕帘1-3拉下时避免漏光，为扁平栽培容器3提供全暗环境。

进一步的，参见图2，田间根系模拟坑道1的底部设有多个福马轮1-6，福马轮1-6可调节高度，可固定，可移动，便于对田间根系模拟坑道1进行移动和定位。

进一步的，参见图2、图4至图6，拍照装置4包括CIS拍照相机4-17、相机架体4-4，CIS拍照相机4-17设在相机架体4-4上可相对相机架体4-4伸缩，CIS拍照相机4-17可沿相机架体4-4上下滑动，所述相机架体4-4设在框架1-9内并可沿框架1-9的长度方向滑动。CIS拍照相机4-17在田间根系模拟坑道1外沿扁平栽培容器3上、下、左、右移动对扁平栽培容器3另一侧的根系进行全方位拍照成像。

进一步的，参见图2、图4至图6，框架1-9内的顶部和底部均设有沿框架1-9长度方向延伸的滑轨4-5，相机架体4-4的两端均通过滑块4-7与框架1-9内顶部和底部的滑轨4-5滑动连接。拍照装置4上设有转轴4-1，框架1-9内顶部和底部的滑轨4-5的左端分别与转轴4-1的两端连接，转轴4-1与减速电机4-2的输出端连接，转轴4-1的顶部和底部均设有第一同步带轮4-13，框架1-9内顶部和底部的滑轨4-5的右端均设有第二同步带轮4-6，顶部的第一同步带轮4-13通过同步带（图中未画出）与顶部的第二同步带轮4-6连接，底部的第一同步带轮4-13通过同步带（图中未画出）与底部的第二同步带轮4-6连接；同步带（图中未画出）与相机架体4-4上的齿压板4-16通过齿和齿槽（图中未画出）固连在一起。工作时，减速电机4-2驱动转轴4-1转动，带动转轴4-1两端的第一同步带轮4-13转动，第一同步带轮4-13带动同步带和第二同步带轮4-6转动，从而带动相机架体4-4沿框架1-9内顶部和底部的滑轨4-5滑动。

进一步的，参见图4至图6，相机架体4-4沿竖直方向设有直线导轨4-8，CIS拍照相机4-17连接在相机安装架4-9上，相机安装架4-9通过连接件4-12与相机架体4-4上的直线导轨4-8滑动连接，相机架体4-4底部设有减速电机4-3，减速电机4-3驱动连接件4-12带动CIS拍照相机4-17沿直线导轨4-8上下滑动。优选的，连接件4-12上设有四个导柱4-10，四个导柱4-10通过滚珠衬套4-14连接在连接件4-12上、其另一端与相机安装架4-9连接，连接件4-12上设有减速电机4-11，减速电机4-11驱动四个导柱4-10带动相机安装架4-9以及CIS拍照相机4-17自动伸缩；CIS拍照相机4-17沿着田间根系模拟坑道外长度方向、贴着扁平栽培容器滑动对根系进行成像拍照，当碰到不平处时，减速电机4-11驱动四个导柱4-10带动相机安装架4-9以及CIS拍照相机4-17自动伸缩进行调节。相机安装架4-9与导柱4-10连接处设有弹性件（图中未画出），使CIS拍照相机4-17贴着扁平栽培容器滑动时是柔性的。

进一步的，参见图4至图6，相机安装架4-9的两端安装有滚轮组件4-18，不仅可以在旋转时稳定CIS拍照相机与扁平栽培容器3的间距，而且还可以起到导向的作用。

进一步的，参见图2，田间根系模拟坑道1底部设有多个接近传感器1-12，检测相机架体4-4沿框架1-9的长度方向滑动的距离。

进一步的，参见图7至图9，坑道穿梭车2，包括车架2-2、采集机构，车架2-2用于装载所述采集机构并能够沿田间根系模拟坑道1内长度方向滑动；所述采集机构包括采集框架2-1以及设在采集框架2-1上的多个相机，多个相机的相机镜头朝向田间根系模拟坑道1内的左侧和右侧；车架2-2的左侧、右侧均设有灯架2-4，灯架2-4上设有沿竖直方向延伸的灯条2-5；坑道穿梭车2可以田间根系模拟坑道1内实现全暗环境下的根系表型的拍照成像。

进一步的，参见图7至图8，由于车架2-2离田间根系模拟坑道1两侧的距离很近，考虑相机拍摄时的对焦问题以获得高质量的图像；采集框架2-1包括左框架2-13和右框架2-8，左框架2-13的上半部分和下半部分均设有镜头朝向田间根系模拟坑道1右侧的相机2-12，右框架2-8的上半部分和下半部分均设有镜头朝向田间根系模拟坑道1左侧的相机2-9。左框架2-13、右框架2-8中的相机分别对田间根系模拟坑道1右侧、田间根系模拟坑道1左侧扁平栽培容器3中作物根系的图像进行上、下部分全方位采集。

进一步的，参见图7至图8，由于田间根系模拟坑道1左右两侧的扁平栽培容器3采用的是玻璃，拍照时容易发光；各个相机的两侧均设有防反光板2-10，车架2-2左侧、右侧的顶部均设有沿车架2-2高度方向延伸的全遮光手动卷帘2-11，全遮光手动卷2-11上设有用于各个相机进行拍照的拍照孔（图中未画出）；避免拍照时反光，提高拍摄质量，各个相机的两侧设有的防反光板光线互不干扰，相互独立采集根系图像。

进一步的，参见图7至图8，采集框架2-1前后侧的上方均设有摄像头2-3，摄像头2-3用于判断前方有无障碍物；提高坑道穿梭车2行走的安全性。

进一步的，参见图9，车架2-2的底部设有主动轮组、从动轮组和导轮，主动轮组包括第一转轴2-14、套设在第一转轴2-14两端并且与相互平行的两条轨道1-7滑动配合的主动轮2-15，用于驱动第一转轴2-14转动的驱动装置（图中未画出）；从动轮组包括第二转轴2-17、套设在第二转轴2-17两端并且与相互平行的两条轨道1-7滑动配合的从动轮2-16；导轮2-18设在与同一轨道1-7滑动配合的主动轮、从动轮的两侧并与该轨道1-7侧面接触。优选的，驱动装置为电机，电机输出轴与第一转轴2-14传动连接，电机输出轴带动第一转轴2-14转动，第一转轴2-14带动其两端的两个主动轮2-15转动，从而给第一转轴2-14上的两个主动轮2-15施加行进的动力，第二转轴2-17以及第二转轴2-17两端的从动轮2-16在行进的动力带动下也发生转动，从而使得坑道穿梭车2平稳移动。坑道穿梭车2移动时，与同一轨道1-7滑动配合的主动轮、从动轮两侧的导轮2-18，不仅可以起到导向的作用，而且增强了整个坑道穿梭车2行进时的稳定性，有效提高了相机的拍摄质量。优选的，导轮2-18设在弹性导轮架2-19上，弹性导轮架2-19使得导轮2-18紧贴于轨道1-7侧面，可以减少坑道穿梭车2发生左右晃动的想象，进一步提高坑道穿梭车2整体的稳定性。

进一步的，参见图9，车架2-2的后侧底部设有两个与田间根系模拟坑道1内相互平行的两条轨道1-7相配合的定向轮2-6，当坑道穿梭车2出现故障时，可将整个坑道穿梭车2向后翻转一定的角度、使得两个定向轮2-6支撑整个坑道穿梭车2配合轨道1-7滑动，通过手动推动即可平稳运行，省力。

本发明仅以上述实施例进行说明，各部件的结构、设置位置及其连接都是可以有所变化的。在本发明技术方案的基础上，凡根据本发明原理对个别部件进行的改进或等同变换，均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims (10)

1.一种田间根系槽道式拍照系统，其特征在于包括田间根系模拟坑道、坑道穿梭车，田间根系模拟坑道沿长度方向的两侧嵌设有多个扁平栽培容器，坑道穿梭车在田间根系模拟坑道内沿其长度方向移动对两侧扁平栽培容器的根系拍照成像，田间根系模拟坑道外沿长度方向的两侧均设置拍照装置，拍照装置在田间根系模拟坑道外沿扁平栽培容器移动对扁平栽培容器另一侧的根系拍照成像。

2.根据权利要求1所述的田间根系槽道式拍照系统，其特征在于，所述扁平栽培容器包括两片透明板、间隔条以及遮光板，所述间隔条夹放在两片透明板之间，间隔条包括两根垂直间隔条和一根水平间隔条，垂直间隔条位于透明板的两侧，水平间隔条位于透明板的底部，间隔条和透明板组成中空的栽培容器；所述遮光板位于透明板顶部，遮光板中部开设有遮光板槽，遮光板槽的形状与栽培容器顶部开口处的形状相同且位置对应，遮光板的面积大于栽培容器顶部面积。

3.根据权利要求1所述的田间根系槽道式拍照系统，其特征在于，所述田间根系模拟坑道包括矩形框架，设于矩形框架上的底板和顶板，矩形框架的底部沿其长度方向设有相互平行的轨道，矩形框架沿其长度方向的两侧设有多个嵌入槽，扁平栽培容器可拆卸的设在该嵌入槽内；矩形框架对应于扁平栽培容器底部的位置设有接水盒；沿矩形框架的宽度方向设有全遮光卷帘门。

4.根据权利要求1或2所述的田间根系槽道式拍照系统，其特征在于，所述田间根系模拟坑道沿长度方向的两侧均设有遮光结构，遮光结构设在扁平栽培容器的外侧；所述遮光结构包括沿田间根系模拟坑道长度方向延伸的框架，设于框架上的幕帘，所述拍照装置设在框架内。

5.根据权利要求4所述的田间根系槽道式拍照系统，其特征在于，所述拍照装置包括CIS拍照相机、相机架体，CIS拍照相机设在相机架体上可相对相机架体伸缩，CIS拍照相机可沿相机架体上下滑动，所述相机架体设在框架内并可沿框架的长度方向滑动。

6.根据权利要求1或3所述的田间根系槽道式拍照系统，其特征在于，所述坑道穿梭车包括车架、采集机构，车架用于装载所述采集机构并能够沿田间根系模拟坑道内的长度方向滑动；所述采集机构包括采集框架以及设在采集框架上的多个相机，多个相机的相机镜头朝向田间根系模拟坑道内的左侧和右侧；车架的左侧、右侧均设有沿竖直方向延伸的灯条。

7.根据权利要求6所述的田间根系槽道式拍照系统，其特征在于，所述采集框架包括左框架和右框架，左框架的上半部分和下半部分均设有镜头朝向田间根系模拟坑道右侧的相机，右框架的上半部分和下半部分均设有镜头朝向田间根系模拟坑道左侧的相机。

8.根据权利要求6所述的田间根系槽道式拍照系统，其特征在于，各个相机的两侧均设有防反光板，车架左侧、右侧的顶部均设有沿车架高度方向延伸的全遮光手动卷帘，全遮光手动卷帘上设有用于各个相机进行拍照的拍照孔。

9.根据权利要求6所述的田间根系槽道式拍照系统，其特征在于，车架的底部设有主动轮组、从动轮组和导轮，

主动轮组包括第一转轴、套设在第一转轴两端并且与矩形框架底部相互平行的轨道滑动配合的主动轮，用于驱动第一转轴转动的驱动装置；

从动轮组包括第二转轴、套设在第二转轴两端并且与矩形框架底部相互平行的轨道滑动配合的从动轮；

导轮设在与同一轨道滑动配合的主动轮、从动轮的两侧并与该轨道侧面接触。

10.根据权利要求6所述的田间根系槽道式拍照系统，其特征在于，车架的后侧底部设有两个与矩形框架底部相互平行的轨道相配合的定向轮。

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