CN115943881A - 一种水耕栽培根际流场可视化装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种水耕栽培根际流场可视化装置及方法。水耕栽培根际流场可视化装置至少包括种植单元、图像获取组件和处理器。种植单元在种植区域设置有观测段。种植单元中混合有示踪粒子的营养液流经观测段形成流场。本发明利用图像获取组件通过激光显影的方式获取观测段的图像，并利用处理器对拍摄的流场图片进行分析，从而对不同流动状态下不同生长时期的植物个体进行表型观测，总结出不同营养液流动状态下的根系形态、植物生长、养分吸收之间的定量关系。本发明通过水耕栽培根际流场可视化装置对营养液流动状态和水培蔬菜生长进行定量描述。
Description
技术领域
本发明涉及水耕栽培技术领域，尤其涉及一种水耕栽培根际流场可视化装置及方法。
背景技术
水耕栽培与智能温室或植物工厂相结合，能科学合理地控制植物生长所需的栽培环境条件，充分发挥植物的生产潜力。水耕栽培依靠人为控制的根际环境进行蔬菜生产，其调控适宜与否会直接反映在蔬菜产量和品质上，因此，相关从业者对水培营养液的理化环境的管理与调控极为重视。
水培营养液的流动状态(流场)受营养液流量和栽培容器以及根系摆动，这三个因素共同影响，流动状态复杂，用常规的测量方法很难定量描述。
公开号为CN114547498A的专利公开了一种基于B/S框架的水流二维流场仿真可视化方法及系统，所述方法包括：通过获取水流的水动力数值计算成果数据，将所述水动力数值计算成果数据转换为结构化数据，再将所述结构化数据映射到可视化平台,在模拟区域上生成用于展示水流演进过程的动态轨线，通过WebGL加速渲染技术，在网页端展示持续、动态、流畅、形象的水动力演进效果。
公开号为CN103422384B的专利公开了一种可进行流场测量和可视化研究的水力式实验流浆箱，包括有可视化锥形布浆器、可视化阶梯扩散器、可视化稳流室、可视化湍流发生器、可视化唇口室及稀释水供给系统，所述可视化锥形布浆器、可视化阶梯扩散器、可视化稳流室、可视化湍流发生器、可视化唇口室依次相接，组成箱体结构，且相邻两者之间的密封采用凹凸面或者榫槽密封形式，同时，该可视化锥形布浆器上设有稀释水注入口，稀释水供给系统通过稀释水管与该稀释水注入口相接。
现有技术如公开号为CN114547498A的专利公开了一种基于B/S框架的水流二维流场仿真可视化方法及系统，以及公开号为CN103422384B的专利公开了一种可进行流场测量和可视化研究的水力式实验流浆箱，虽然实现了流场的可视化，但未能将流场与植物生长结合，无法定量地描述植物所处营养液流场，无法总结出不同营养液流动状态下的根系形态、植物生长、养分吸收之间的定量关系。因此，需要对现有技术进行进一步改进，设计出一种水耕栽培根际流场可视化装置，以实时地观测水培营养液的流场情况，定量地描述植物所处营养液流场的涡度分布情况等，从而为水培容器内部的营养液流速、涡度分布以及根的受力情况提供分析依据，并且能够通过观测不同流动状态下不同生长时期的植物个体的表型，总结出不同营养液流动状态下的根系形态、植物生长、养分吸收之间的定量关系。
此外，一方面由于对本领域技术人员的理解存在差异；另一方面由于申请人做出本发明时研究了大量文献和专利，但篇幅所限并未详细罗列所有的细节与内容，然而这绝非本发明不具备这些现有技术的特征，相反本发明已经具备现有技术的所有特征，而且申请人保留在背景技术中增加相关现有技术之权利。
发明内容
水培与土培不同的是水培的栽培基质(营养液)可以流动，植物具有能够感知外界刺激并做出响应的能力。根是与营养液接触的主要植物器官，营养液的流动也可以看作是对根的一种机械刺激，可引发根系的接触形态建成。根是植物吸收养分的重要器官，若其形态发生变化，会对植物养分吸收造成影响，进而影响植物生长。所以调查营养液理化环境尤其是流动状态对根的生长和形态的影响，对于弄清营养液根际环境对植物生长的影响非常必要。
营养液流动状态对水培蔬菜生长的影响逐渐受到关注。但营养液流动状态与水培蔬菜生长之间的定量描述方法及其影响机理仍未解明，致使现有水培技术中通过调节营养液流量的方法不具备普适性。
现有水培技术中调节营养液流量以促进水培植物生长的方法，大多在既有种植设施的基础上进行试错，以获得促进水培植物生长的较佳营养液流量，但当既有种植设施的结构发生改变时，原较佳营养液流量不一定适配现有种植设施，需要重新进行试错，以获得促进水培植物生长的较佳营养液流量。
每当种植设施的结构发生改变时，都需要重新试错以设置最佳流量，而每次试错都需要通过根据植物的生长状况判断植物生长是否受到促进，单次试错时长常常在数日至数十日之间，这种方法耗时耗力，因此，调节营养液流量以促进水培植物生长的方法发展受限，在植物工厂中更多的是通过调节光照、湿度、温度、二氧化碳含量等既有定量参数以促进植物生长。
针对现有技术之不足，本发明提供了一种水耕栽培根际流场可视化装置，所述水耕栽培根际流场可视化装置至少包括种植单元、图像获取组件和处理器。所述种植单元在种植区域设置有观测段。所述种植单元中混合有示踪粒子的营养液流经所述观测段形成流场。所述图像获取组件通过激光显影的方式获取观测段的流场图像。所述处理器对所述流场图片进行分析。优选地，所述处理器解析出的信息至少包括植物根的受力情况、流场的涡度分布。优选地，所述种植单元中流淌的营养液混合着示踪粒子。优选地，所述示踪粒子在水中的密度与水相近。
本发明通过水耕栽培根际流场可视化装置对营养液流动状态和水培蔬菜生长进行定量描述。
优选地，本发明通过图像获取组件以激光显影的方式获取观测段的图像，并利用所述处理器从所述图像中解析出至少包括植物根的受力情况、流场的涡度分布在内的信息，从而对不同流动状态下不同生长时期的植物个体进行表型观测，总结出不同营养液流动状态下的根系形态、植物生长、养分吸收之间的定量关系。
优选地，通过所述可视化装置总结出不同营养液流动状态下的根系形态、植物生长、养分吸收之间的定量关系后，在水培时，仅需以流场图像为判断依据，调节营养液流量，使得植物根际流场达到指定流场即可，无需在每次改变种植设施结构时，重新试错以设置最佳流量。
根据一种优选实施方式，所述观测段顶部设置有用于安置种植板的缺口。水耕栽培所用的营养液流经所述观测段，在所述种植板下方形成水耕栽培根际流场。
优选地，种植板设置在所述观测段上方，并且所述种植板底部刷黑。当图像获取组件通过激光显影的方式获取观测段的图像时，所述种植板可以阻挡光照，使得流场中的示踪粒子仅在激光照射下显影，从而准确表征当前流量的营养液产生的流场。
根据一种优选实施方式，所述图像获取组件至少包括摄像头和照明组件。所述照明组件以线光源照明的方式照射所述观测段。所述摄像头获取所述观测段受所述照明组件照射的平面的图像。
优选地，所述照明组件以线光源照明的方式照射所述观测段，使得处于受照射平面上的示踪粒子得以显像，所述摄像头获取显像后的示踪粒子图像，由于所述示踪粒子在水中的密度与水相近，示踪粒子的运动状态可以反映营养液的运动状态，从而实现水耕栽培根际流场可视化。
根据一种优选实施方式，所述照明组件包括照明激光光源，转换器和反射镜。所述激光光源发出的光经所述转换器转换成线光源，所述线光源经所述反射镜折射后照射至所述观测段。
优选地，所述线光源经所述反射镜折射后从所述观测段底部照射至所述种植板底部。
优选地，所述激光光源通过所述转换器增大发散角，使得线光源经所述反射镜折射后的照明范围可以覆盖所述观测段，以获取较为完整的流场图像。优选地，所述线光源从所述观测段底部照射至所述种植板底部，从而在观测段中形成最短的照明路径，减少光子能量的散失，使得所述摄像头在拍摄流场图像时，受照射平面上的光照充足，图像清楚，避免因照明路径长，使得光照强度沿光照方向上的衰减明显，而导致受照射平面上远离线光源入射处的示踪粒子无法显像或者显像不完整，使得所述摄像头拍摄的图像，无法反映流场特征，从而无法实现可视化。
根据一种优选实施方式，所述种植单元还设置有变频电机，流量表，注水段。所述变频电机用于调节所述种植单元中营养液的流量。所述流量表用于采集所述种植单元中营养液的流量。所述注水段用于向所述种植单元中添加营养液和示踪粒子。优选地，所述示踪粒子与营养液混合，在所述图像获取组件获取所述观测段图像的情况下，所述照明组件产生的激光照射所述示踪粒子，使得所述示踪粒子表征当前流量的营养液产生的流场。
优选地，本发明通过所述变频电机产生不同的流场，所述处理器通过所述图像获取组件获取不同的流场图片，对不同流动状态下不同生长时期的植物个体进行表型观测，总结出不同营养液流动状态下的根系形态、植物生长、养分吸收之间的定量关系，从而筛选出适合该植物个体的最佳流场。
根据一种优选实施方式，所述种植单元还设置有扩散段，整流段，收缩段。所述营养液依次流经所述扩散段，所述整流段和所述收缩段后流入所述观测段。优选地，所述种植单元通过所述扩散段，所述整流段和所述收缩段对营养液进行整流，使得所述营养液以横向平流的方式流经所述观测段。
优选地，所述变频电机工作，为所述种植单元中的营养液提供动力，由于变频电机是通过螺旋桨转动为营养液提供动力，使得流经变频电机的营养液在沿所述种植单元轴向流动的同时，存在沿所述种植单元周向旋转的涡流。所述扩散段和所述整流段通过在营养液流动方向上设置格栅的方式，将营养液流经变频电机形成的涡流击碎，使得所述种植单元中的营养液沿所述种植单元轴向流动。
由于所述变频电机的出水口径小于所述种植单元的口径，使得靠近所述变频电机出水口的营养液流速大于远离所述变频电机出水口的营养液。换言之，所述种植单元中的营养液流速分布不均。优选地，所述扩散段、所述整流段和所述收缩段形成水洞，使得流向所述观测段的营养液流速一致，消除营养液漩涡和流速不均对所述观测段中流场的干扰。
根据一种优选实施方式，所述反射镜连接有沿所述摄像头拍摄方向设置的导轨。在所述图像获取组件获取所述观测段图像的情况下，所述反射镜沿导轨移动，对所述观测段进行扫描。
优选地，所述摄像头随着所述反射镜沿导轨的移动对所述观测段进行连续拍摄，从而获得所述观测段不同受照射平面的图像。
优选地，所述处理器获取所述摄像头拍摄的同一流场的不同位置处的图像，并通过预设建模程序获取所述流场的三维图像，从而实现对水培容器内部的营养液流速、涡度分布以及根的受力情况的立体分析，进而实现对流场立体图像的可视化。
根据一种优选实施方式，所述观测段配置有检测所述营养液状态参数的传感器，所述处理器在通过所述图像获取组件获取所述观测段图像的情况下，利用所述传感器获取与所述图像拍摄时刻对应的营养液的状态参数。
优选地，利用所述传感器本发明可以在对所述流场进行可视化分析时，获取该流场的营养液的状态参数，从而在筛选最佳流场时同步筛选出与之对应的营养液状态参数。
本发明还提供一种水耕栽培根际流场可视化方法。所述水耕栽培根际流场可视化方法至少包括：
在种植单元的种植区域设置观测段；
利用图像获取组件获取观测段的流场图片；
对拍摄下来的流场图片进行分析，其中，从所述流场图片中解析出的信息至少包括植物根的受力情况、流场的涡度分布。
根据一种优选实施方式，所述图像获取组件通过如下方式获取观测段的流场图片：
将示踪粒子混入营养液中，使与示踪粒子混合的营养液流经观测段形成流场；
利用照明组件以线光源照明的方式从观测段底部照射入观测段，在观测段内部形成沿营养液流动方向且垂直观测段底部的受照射平面；
再通过摄像头拍摄所述受照射平面的图像，从而获取所述观测段的流场图片。
本发明还提供一种水耕栽培方法。所述水耕栽培方法至少包括：
确定栽培植物种类及其所处生长阶段；
确定营养液和栽培所述植物的种植槽；
采集营养液流经所述种植槽所形成的流场的图像，对采集的流场图像进行分析获得流场中植物根的受力情况、流场的涡度分布；
试验所述植物在所述种植槽中的利用所述营养液的最适流场。
根据一种优选实施方式，营养液流经所述种植槽所形成的流场的图像通过如下方式采集：
将所述营养液与示踪粒子混合；
以线光源照明的方式将光线照射入设置在所述种植槽中的观测段，使得位于所述观测段中的示踪粒子显影；
通过摄像头采集所述观测段的图像，通过所述示踪粒子的运动状态表征营养液的运动状态。
根据一种优选实施方式，所述水耕栽培方法还包括：
利用试验得到的所述营养液的最适流场对所述植物进行培养；
在培养过程中通过监测营养液流经所述种植槽所形成的流场的图像，分析获得流场中植物根的受力情况、流场的涡度分布，从而调节营养液流量，使得营养液形成所述最适流场。
本发明还提供一种水耕栽培系统。所述水耕栽培系统配置有所述的水耕栽培根际流场可视化装置。优选地，所述水耕栽培系统至少包括试验段和生长段。所述的水耕栽培根际流场可视化装置设置在所述试验段。所述生长段至少包括通过连接阀连接所述可视化装置营养液循环流路的培养槽。所述试验段利用所述可视化装置试验出最适流场后，切断所述可视化装置的营养液循环流路，开启连接阀，使得所述可视化装置中的营养液流经所述培养槽后回流至所述可视化装置，以向所述培养槽中种植的植物提供养分。
附图说明
图1是本发明提供的一种优选的种植单元的示意图；
图2是本发明提供的一种优选的可视化装置的工作示意图；
图3是本发明提供的一种优选的评价植物根系弯曲程度的示意图。
附图标记列表
101：激光光源；102：转换器；103：反射镜；110：种植单元；111：观测段；112：种植板；113：变频电机；114：流量表；115：注水段；116：扩散段；117：整流段；118：收缩段；119：格栅；120：图像获取组件；121：摄像头；122：照明组件；130：处理器；140：三通阀门；150：示踪粒子；200：甜菜。
具体实施方式
下面结合附图1至3进行详细说明。
实施例1
本实施例提供了一种水耕栽培根际流场可视化装置，水耕栽培根际流场可视化装置至少包括种植单元110、图像获取组件120和处理器130。参见图1，优选地，种植单元110至少包括观测段111、变频电机113、流量表114、注水段115、扩散段116、整流段117和收缩段118。
优选地，变频电机113、流量表114、扩散段116、整流段117和收缩段118、观测段111、注水段115依次连接，并且注水段115通过一个三通阀门140连接至变频电机113，从而形成使得营养液闭环流动的种植单元110。优选地，三通阀门140空悬的端口设置为排水口。
优选地，变频电机113用于调节种植单元110中营养液的流量。流量表114用于采集种植单元110中营养液的流量。优选地，变频电机113和流量表114分别与处理器130电信号连接。注水段115用于向种植单元110中添加营养液和示踪粒子150。优选地，示踪粒子150与营养液混合，在图像获取组件120获取观测段111图像的情况下，照明组件122产生的激光照射示踪粒子150，使得示踪粒子150表征当前流量的营养液产生的流场。
优选地，在种植单元110中营养液依次流经扩散段116，整流段117和收缩段118后流入观测段111。优选地，种植单元110通过扩散段116，整流段117和收缩段118对营养液进行整流，使得营养液以横向平流的方式流经观测段111。优选地，收缩段118入口截面与出口截面面积比为2:1～4:1。
种植单元110中混合有示踪粒子150的营养液流经观测段111形成流场。图像获取组件120通过激光显影的方式获取观测段111的流场图像。处理器130对流场图片进行分析。优选地，处理器130解析出的信息至少包括植物根的受力情况、流场的涡度分布。优选地，种植单元110中流淌的营养液混合着示踪粒子150。优选地，示踪粒子150在水中的密度与水相近。优选地，处理器130可以是电脑等智能终端。
参见图2，优选地，观测段111顶部设置有用于安置种植板112的缺口。水耕栽培所用的营养液流经观测段111，在种植板112下方形成水耕栽培根际流场。优选地，观测段111液位在0～20cm范围内可调。优选地，观测段111可以通过调节种植板112与观测段111底面间距的方式调节观测段111的液位。
优选地，图像获取组件120至少包括摄像头121和照明组件122。照明组件122以线光源照明的方式照射观测段111。摄像头121获取观测段111受照明组件122照射的平面的图像。
优选地，照明组件122以线光源照明的方式从观测段111底部照射入观测段111，在观测段111内部形成沿营养液流动方向且垂直观测段111底部的受照射平面。优选地，摄像头121设置在观测段111的一侧，拍摄受照射平面的图像。优选地，摄像头121拍摄方向背景设置为黑色。
优选地，照明组件122以线光源照明的方式照射观测段111，使得处于受照射平面上的示踪粒子150得以显像，摄像头121获取显像后的示踪粒子150图像，由于示踪粒子150在水中的密度与水相近，示踪粒子150的运动状态可以反映营养液的运动状态，从而实现水耕栽培根际流场可视化。优选地，示踪粒子150的平均粒径尺寸为摄像头121单位像素实际长度的80％～120％。优选地，示踪粒子150密度为在营养液密度的95％～105％。
优选地，照明组件122包括照明激光光源101，转换器102和反射镜103。激光光源101发出的光经转换器102转换成线光源，线光源经反射镜103折射后照射至观测段111。
优选地，线光源经反射镜103折射后从观测段111底部照射至种植板112底部。优选地，种植板112设置在观测段111上方，并且种植板112底部刷黑。当图像获取组件120通过激光显影的方式获取观测段111的图像时，种植板112可以阻挡光照，使得流场中的示踪粒子150仅在激光照射下显影，从而准确表征当前流量的营养液产生的流场。
优选地，摄像头121与处理器130连接，处理器130通过摄像头121获取流场图片，得到流场数据和植物个体的根系形态。优选地，本实施例采用的植物可以是甜菜200。
优选地，激光光源101通过转换器102增大发散角，使得线光源经反射镜103折射后的照明范围可以覆盖观测段111，以获取较为完整的流场图像。优选地，线光源从观测段111底部照射至种植板112底部，从而在观测段111中形成最短的照明路径。
优选地，激光光源101从最短的照明路径对观测段111进行照明可以减少光子能量的散失，使得摄像头121在拍摄流场图像时，受照射平面上的光照充足，图像清楚。如果照明路径较长，激光光源101在照明时，会在光照方向上出现明显的光照强度衰减，从而导致受照射平面上远离线光源入射处的示踪粒子150无法显像或者显像不完整，进而导致摄像头121拍摄的图像，无法反映流场特征，从而无法实现可视化。
优选地，本发明通过变频电机113产生不同的流场，处理器130通过图像获取组件120获取不同的流场图片，对不同流动状态下不同生长时期的植物个体进行表型观测，总结出不同营养液流动状态下的根系形态、植物生长、养分吸收之间的定量关系，从而筛选出适合该植物个体的最佳流场。
优选地，变频电机113工作，为种植单元110中的营养液提供动力，由于变频电机113是通过螺旋桨转动为营养液提供动力，使得流经变频电机113的营养液在沿种植单元110轴向流动的同时，存在沿种植单元110周向旋转的涡流。扩散段116和整流段117通过在营养液流动方向上设置格栅119的方式，将营养液流经变频电机113形成的涡流击碎，使得种植单元110中的营养液沿种植单元110轴向流动。
由于变频电机113的出水口径小于种植单元110的口径，使得靠近变频电机113出水口的营养液流速大于远离变频电机113出水口的营养液。换言之，种植单元110中的营养液流速分布不均。优选地，扩散段116、整流段117和收缩段118形成水洞，使得流向观测段111的营养液流速一致，消除营养液漩涡和流速不均对观测段111中流场的干扰。
优选地，反射镜103连接有沿摄像头121拍摄方向设置的导轨。在图像获取组件120获取观测段111图像的情况下，反射镜103沿导轨移动，对观测段111进行扫描。
优选地，摄像头121随着反射镜103沿导轨的移动对观测段111进行连续拍摄，从而获得观测段111不同受照射平面的图像。
优选地，处理器130获取摄像头121拍摄的同一流场的不同位置处的图像，并通过预设建模程序获取流场的三维图像，从而实现对水培容器内部的营养液流速、涡度分布以及根的受力情况的立体分析，进而实现对流场立体图像的可视化。
优选地，观测段111配置有检测营养液状态参数的传感器，处理器130在通过图像获取组件120获取观测段111图像的情况下，利用传感器获取与图像拍摄时刻对应的营养液的状态参数。
优选地，利用传感器本发明可以在对流场进行可视化分析时，获取该流场的营养液的状态参数，从而在筛选最佳流场时同步筛选出与之对应的营养液状态参数。
本发明通过水耕栽培根际流场可视化装置对营养液流动状态和水培蔬菜生长进行定量描述。
优选地，本发明通过图像获取组件120以激光显影的方式获取观测段111的图像，并利用处理器130解析出的信息至少包括植物根的受力情况、流场的涡度分布，从而对不同流动状态下不同生长时期的植物个体进行表型观测，总结出不同营养液流动状态下的根系形态、植物生长、养分吸收之间的定量关系，使得植物工厂在对植物进行水耕栽培时，可以通过调节营养液流量的方式促进植物生长，以提高植物产量。
有研究表明，合适的营养液流速为植物根系和无机盐离子提供了足够的接触时间，并且增加了植物根系与无机盐离子之间的碰撞频率，以促进养分吸收，从而促进植物生长。从流体动力学的角度来看，营养液的流动模式可能会根据容器的大小和形状而变化。即使不同容器内的营养液流速相同，但营养液在根周围的流动模式仍有可能存在差异，并且不仅仅是营养液的流速会影响植物的生长，营养液的流动方向等因素也会影响植物的生长。因此，仅观测流速无法反映营养液的流动状态与植物生长的关系。优选地，本实施例通过将营养液流场可视化的方法来描述根系周围的营养液的流动状态对水耕栽培的养分吸收和植物生长的影响。
优选地，本实施例采用的植物可以是甜菜200。优选地，处理器130与变频电机113电信号连接，处理器130发送指令至变频电机113调节营养液的流量。优选地，变频电机113可以是泵(DC40A，ZKSJ，Shenzhen，China)。优选地，本实施例通过处理器130发送指令至变频电机113调节出了0，2，4，6和8L/min的营养液流量，分别对甜菜200进行培养。优选地，在进行培养时，各组仅在营养液流量上存在差异。优选地，营养液可以是OAT肥料。优选地，培养时长为20天，在培养过程中，图像获取组件120获取观测段111的图像。优选地，培养20天后收获甜菜200，获取植物的鲜重、干重、叶面积、根长、根表面积、元素含量等数据。优选地，汇总数据后可以得出：
当营养液流量为0L/min至2L/min时，植物的干重和鲜重没有显着差异。当营养液流量为4L/min和6L/min时，植株干重和鲜重显著高于营养液流量为0L/min时的植株干重和鲜重。与营养液流量为0L/min的情况相比，植株在营养液流量为4L/min和6L/min情况下，干重分别增加了8.2％和15.2％，鲜重分别增加了6.4％和11.8％。当营养液流量为8L/min时，植株干重和鲜重分别比营养液流量为6L/min的植株低7.4％和15.3％。
当营养液流量从0L/min增加到6L/min时，与营养液流量为0L/min的情况相比，营养液流量为2L/min、4L/min和6L/min的叶面积分别增加了8.2％、10.3％和15.2％。营养液流量为8L/min时的叶面积低于营养液流量为2—6L/min，与营养液流量为0L/min的叶面积接近。
当营养液流量从0L/min增加到6L/min时，根长和根表面积随着流量的增加而增加。与营养液流量为0L/min的情况相比，营养液流量为2L/min、4L/min和6L/min的根长分别比营养液流量为0L/min时增加了10.6％、18.6％和29.5％。营养液流量为8L/min时，根长和根表面积显著低于所有其他情况下的值；与营养液流量为0L/min相比，营养液流量为8L/min情况下的根长和根表面积分别减少了13.4％和23.5％。
氮吸收随营养液流量变化的趋势与植物干重相似。在不同的流量下，植物对氮的吸收也不同。营养液流量为0L/min，2L/min，4L/min，6L/min，8L/min时，平均氮素吸收量分别为每株36.4、44.0、45.6、49.5和41.1mg。综上可知，营养液流量为6L/min下养分积累量和植株干重最大。
优选地，摄像头121可以是高速摄像机。摄像头121以每秒60帧的速度拍摄观测段111的图像。优选地，摄像头121单次拍摄时长设置为10秒，获得600张图片；处理器130可以通过PIV流场计算软件对600张图片的处理得到10秒内流场的平均速度分布和涡度分布。不同流场的平均流速和涡度分布图显示了根区周围的流速和涡度，解释了营养液的流动状态对植物生长和养分吸收的影响。
在营养液流量为0L/min时，根在营养液中不倾斜。随着流量的增加，根部逐渐随营养液的流动方向倾斜。在营养液流量为8L/min下，根部卷起并随着水流方向摆动。
随着营养液流量的增加，流场中营养液的平均流速逐渐增加。当营养液流过根部时，营养液的流动模式受到根的影响。在营养液流量为2L/min和4L/min的情况下，由于营养液流速低，动能很小，植物根部不会因营养液流动而表现出较大的摆动。在这种情况下，营养液在撞击根部后会形成回流到上游一侧。由于回流的产生，导致营养液在靠近观测段111底部位置处的流速高于其他位置处的流速。随着营养液流量的增加，营养液流速同步增加，营养液作用在植物根系上的力逐渐增加。植物根部由于营养液的作用而摆动，营养液在根周围的流速加快，特别是在根部末梢位置处。
在营养液流量为0L/min时，营养液不流动，因此根部周围的营养液速度为0m/s；当营养液流量为2L/min时，植物根部区域周围的营养液流速也趋近于0，营养液流量为0L/min和2L/min的情况下，植物根部对营养液的吸收效果一致，因此，当营养液流量为0L/min和2L/min时，植株的干重和鲜重没有显着变化。但当营养液流量为4L/min～8L/min时，植物根部区域周围的营养液流速加快，促进了植物根系对养分的吸收。
在水耕栽培中，养分主要通过湍流扩散(包括分子扩散和涡流扩散)输送到根表面。在湍流流体中，分子扩散和涡流扩散同时促进养分的转移，但流体粒子(无机盐离子)是大量分子的团簇，流体中粒子转移的规模和速度远大于单个分子，因此涡流扩散对植物根系吸收营养液中的养分起着重要作用。涡流扩散是指营养液中的无机盐离子在湍流流体中的转移，主要取决于流体颗粒的不规则运动。湍流中的涡流导致流体剧烈混合。在成分和浓度差异下，无机盐离子将转移到浓度较低的方向。涡流扩散通过流体的涡旋运动转移无机盐离子。涡度是描述涡旋运动的最重要的参量。
优选地，根据处理器130对流场图像的处理结果可以得出，流场中的涡度分布不均。
在营养液流量为2L/min或4L/min的情况下，营养液与植物根部碰撞后形成回流。由于回流的产生，涡度较高的区域集中在营养液冲击植物根系的区。随着营养液流量的增加，营养液流速增加，营养液作用在植物根系上的力逐渐增加，植物根系发生弯曲。营养液在根周围的流速加快，特别是营养液在植物根部末梢位置处的流速增加得更加明显。
营养液流量为6L/min时，流场的涡度分布比其他流量下更均匀，并且在植物根部附近区域存在较多涡旋，为植物根系和无机盐离子提供了足够的接触时间，并且增加了植物根系与无机盐离子之间的碰撞频率，以促进养分吸收，从而促进植物生长。
当营养液流量为8L/min时，由于营养液流速较高，营养液撞击观测段111侧壁后形成回流，从而在靠近观测段111侧壁处产生大量涡旋，但在植物根部附近区域几乎没有涡旋。在营养液流量为8L/min的情况下，虽然营养液的涡度较高，但相较于其他流量条件下的植物，营养液流量为8L/min的植物既没有积累最重的干重，也没有吸收最多的养分。虽然高涡度可以促进营养液的扩散，但是当涡度过高时，涡旋可能无法为植物根系和无机盐离子提供足够的接触时间。
在一定条件下，植物根长随着营养液流量的增加而逐渐增加。然而，当营养液流量超过理想流量后，植物的根长和根表面积显着减小，植物的根长和根表面积甚至会低于营养液不流动时的根长和根表面。优选地，对营养液流量的调节可以增加植物产量，但是，如果调节不合理，植物的生长可能会受到抑制。
在水耕栽培时，提高营养液流量可以促进植物的生长，但较低的营养液流量对植物生长的促进作用不明显，而过高的营养液流量会使，植物生长受阻，甚至会比不调节流量时更差。因此，必然存在一个营养液流量是植物生长的理想流量。在此流量下，营养液的流动可以促进植物对离子的吸收，植物根系因受到合理的物理刺激而伸长，从而进一步吸收更多的养分，促进植物生长。
优选地，本实施例提供的可视化装置可以用于对水耕栽培的营养液流量进行调节，从而调节出促进植物生长的理想流量。
优选地，处理器130对试验数据进行汇总，总结出不同营养液流动状态下的根系形态、植物生长、养分吸收之间的定量关系后，作为历史数据进行存储。
优选地，处理器130将营养液流量为0L/min，2L/min，4L/min，6L/min和8L/min的试验数据进行汇总整理后，作为历史数据进行存储。优选地，处理器130可以根据实际生产需求，从历史数据中选择营养液的理想流量。
优选地，如果同时考虑生产效率和养分利用效率，则6L/min是营养液的理想流量。优选地，处理器130可以将营养液流量为6L/min时的流场图像作为判断依据调节营养液流量，使得植物根际流场的图像与作为判断依据的流场图像吻合即可。
优选地，通过可视化装置总结出不同营养液流动状态下的根系形态、植物生长、养分吸收之间的定量关系后，在水培时，仅需以流场图像为判断依据，调节营养液流量，使得植物根际流场达到指定流场即可，无需在每次改变种植设施结构时，重新试错以设置最佳流量。
优选地，种植单元110采用的变频电机113可以是流向可逆的变频水泵，从而在种植单元110中形成流向可逆的营养液水流。优选地，观测段111两端均设置有水洞，以消除营养液漩涡和流速不均对观测段111中流场的干扰。优选地，水洞可以由扩散段116、整流段117和收缩段118组成。
优选地，在水耕栽培时，本实施例提供的可视化装置可以对变频电机113的流向流量进行调节。优选地，本实施例变频电机113的流向包括正向和反向。
根据前述内容可知，调节单一流向的营养液流量，虽然可以促进植物生长，但是会导致植物根系在营养液的冲击下发生弯曲。优选地，本实施例提供的可视化装置可以在对植物进行培养的过程中，实时监测植物的根际流场图像，并根据植物根际流场图像中的根系形态、涡度分布，对变频电机113的流向和流量进行调节，从而在促进植物吸收营养液养分的同时避免植物根系的过度弯曲。
优选地，处理器130可以根据植物根际流场图像中植物的根系形态优选调节变频电机113的流向；处理器130还可以根据植物根际流场图像中植物的涡度分布调节变频电机113的流量。
优选地，处理器130在分析植物根际流场图像中植物的根系形态时，主要判断植物根系的弯曲程度，然后根据植物根系的弯曲程度调节变频电机113的流向。优选地，植物根系的弯曲程度可以根据植物根系中段偏离植物生长中心线的角度进行评价。优选地，植物根系的弯曲程度可以根据植物根系靠近根系末梢某一点与植物生长中心线所成夹角进行评价。参见图3，优选地，水平线M表示植物根系与营养液的界面，竖直线L表示植物生长中心线，点P表示用于表征植物根系弯曲程度的参考点，角度α表示点P与植物生长中心线所成夹角。优选地，点P设置在植物根系靠近根系末梢的位置处，具体可以位于植物根长的五分之三处。优选地，点P设置在植物根系靠近根系末梢的位置处而非根系末梢；是因为植物根系末梢脆弱，在受到营养液冲击时极易发生弯曲，在营养液流量较低或较高时，植物根系末梢均会发生较大的弯曲，例如在前述试验中，在营养液流量为4L/min，6L/min和8L/min时，植物根系末梢的形态都趋于水平，不能反映营养液流量差异。优选地，处理器130通过判断角度α与预设角度值的差异确定是否调节变频电机113的流向。优选地，预设角度值可以是30°。优选地，当角度α超过预设角度值时，处理器130改变变频电机113的流向，直至角度α从另一方向超过预设角度值。优选地，当角度α未超过预设角度值时，处理器130根据预设周期改变变频电机113的流向，以确保植物根系竖直生长。优选地，预设周期设置为12H，当角度α连续12H未超过预设角度值时，处理器130改变变频电机113的流向。
优选地，处理器130还可以根据植物根际流场图像中植物的涡度分布调节变频电机113的流量。优选地，当植物根际流场图像中植物的涡度分布在植物根下方及靠近观测段111内壁位置时，处理器130发送指令至变频电机113，减小营养液的流量；当植物根际流场图像中植物的涡度分布在植物根系附近区域时，处理器130发送指令至变频电机113，增大营养液的流量。优选地，处理器130还可以根据植物根际流场图像中植物的涡度分布调节变频电机113的流量，使得植物根际流场的涡度分布比其他流量下更均匀，并且在植物根部附近区域存在较多涡旋，为植物根系和无机盐离子提供了足够的接触时间，并且增加了植物根系与无机盐离子之间的碰撞频率，以促进养分吸收，从而促进植物生长。
实施例2
本实施例是对实施例1的进一步改进，重复的内容不再赘述。
本实施例提供一种水耕栽培根际流场可视化方法。水耕栽培根际流场可视化方法至少包括：
在种植单元110的种植区域设置观测段111；
将示踪粒子150混入营养液中，使与示踪粒子150混合的营养液流经观测段111形成流场；
利用图像获取组件120获取观测段111的流场图片；
通过处理器130对拍摄下来的流场图片进行分析，其中，从流场图片中解析出的信息至少包括植物根的受力情况、流场的涡度分布。
优选地，种植单元110通过配置的变频电机113为种植单元110中的营养液提供动力，使得种植单元110中的营养液沿种植单元110轴向流动。
优选地，本发明通过变频电机113产生不同的流场，处理器130通过图像获取组件120获取不同的流场图片，对不同流动状态下不同生长时期的植物个体进行表型观测，总结出不同营养液流动状态下的根系形态、植物生长、养分吸收之间的定量关系，从而筛选出适合该植物个体的最佳流场。
优选地，图像获取组件120至少包括摄像头121和照明组件122。优选地，照明组件122以线光源照明的方式从观测段111底部照射入观测段111，在观测段111内部形成沿营养液流动方向且垂直观测段111底部的受照射平面。优选地，摄像头121设置在观测段111的一侧，拍摄受照射平面的图像。
优选地，照明组件122包括照明激光光源101，转换器102和反射镜103。激光光源101发出的光经转换器102转换成线光源，线光源经反射镜103折射后照射至观测段111。
优选地，线光源经反射镜103折射后从观测段111底部照射至种植板112底部。优选地，种植板112设置在观测段111上方，并且种植板112底部刷黑。当图像获取组件120通过激光显影的方式获取观测段111的图像时，种植板112可以阻挡光照，使得流场中的示踪粒子150仅在激光照射下显影，从而准确表征当前流量的营养液产生的流场。
优选地，反射镜103连接有沿摄像头121拍摄方向设置的导轨。在图像获取组件120获取观测段111图像的情况下，反射镜103沿导轨移动，对观测段111进行扫描。
优选地，摄像头121随着反射镜103沿导轨的移动对观测段111进行连续拍摄，从而获得观测段111不同受照射平面的图像。
优选地，处理器130获取摄像头121拍摄的同一流场的不同位置处的图像，并通过预设建模程序获取流场的三维图像，从而实现对水培容器内部的营养液流速、涡度分布以及根的受力情况的立体分析，进而实现对流场立体图像的可视化。
优选地，本发明通过图像获取组件120通过激光显影的方式获取观测段111的图像，并利用处理器130解析出的信息至少包括植物根的受力情况、流场的涡度分布，从而对不同流动状态下不同生长时期的植物个体进行表型观测，总结出不同营养液流动状态下的根系形态、植物生长、养分吸收之间的定量关系。
实施例3
本实施例是基于实施例1和实施例2进行的进一步改进，重复的内容不再赘述。
本发明还提供一种水耕栽培方法。水耕栽培方法至少包括：
确定栽培植物种类及其所处生长阶段；
确定营养液和栽培植物的种植槽；
采集营养液流经种植槽所形成的流场的图像，对采集的流场图像进行分析获得流场中植物根的受力情况、流场的涡度分布；
试验植物在种植槽中的利用营养液的最适流场。
优选地，营养液流经种植槽所形成的流场的图像通过如下方式采集：
将营养液与示踪粒子150混合；
以线光源照明的方式将光线照射入设置在种植槽中的观测段111，使得位于观测段111中的示踪粒子150显影；
通过摄像头121采集观测段111的图像，通过示踪粒子150的运动状态表征营养液的运动状态。
优选地，水耕栽培方法还包括：
利用试验得到的营养液的最适流场对植物进行培养；
在培养过程中通过监测营养液流经种植槽所形成的流场的图像，分析获得流场中植物根的受力情况、流场的涡度分布，从而调节营养液流量，使得营养液形成最适流场。
优选地，试验水培植物品种在生长阶段位于生长培养槽中，利用水培营养液的最适流场，至少包括：
利用至少两种流量的营养液对植物进行培养并在培养过程中采集营养液流经种植槽所形成的流场的图像；
培养结束后，收集植物，测定用于评价营养液流量对植物生长促进效果的植物信息；
对采集的流场图像进行分析获得流场中植物根的受力情况、流场的涡度分布；
对不同流场下不同生长时期的植物个体进行表型观测，总结出不同营养液流动状态下的根系形态、植物生长、养分吸收之间的定量关系。
优选地，植物信息至少包括植物鲜重、干重、根长、叶面积、元素含量中的一种。
实施例4
本实施例是基于实施例1、实施例2和实施例3进行的进一步改进，重复的内容不再赘述。
本实施例提供一种水耕栽培系统。水耕栽培系统配置的水耕栽培根际流场可视化装置。优选地，水耕栽培系统至少包括试验段和生长段。水耕栽培根际流场可视化装置设置在试验段。生长段至少包括通过连接阀连接可视化装置营养液循环流路的培养槽。试验段利用可视化装置试验出最适流场后，切断可视化装置的营养液循环流路，开启连接阀，使得可视化装置中的营养液流经培养槽后回流至可视化装置，以向培养槽中种植的植物提供养分。
优选地，培养槽的进水口可以通过一个阀门连接至三通阀门140与注水段115之间；培养槽的出水口可以通过一个阀门连接至三通阀门140与流量表114之间。优选地，在进行试验时，连接培养槽的进水口/出水口的阀门关闭，营养液在可视化装置的种植单元110中循环流动，从而使用较少的营养液进行最适流场的试验。当营养液的最适流场确定后，三通阀门140关闭，连接培养槽进水口/出水口的阀门开启，使得可视化装置的种植单元110与培养槽连接成循环流路。优选地，工作人员向注水段115中添加营养液，使得营养液充满可视化装置的种植单元110和培养槽。优选地，培养槽和观测段111在垂直营养液流动方向上的截面形状相同，并且培养槽进水口同样连接有对营养液进行整流的水洞单元，使得营养液在可视化装置的种植单元110与培养槽组成的流路中流动时，观测段111中的营养液与培养槽中的营养液具有近似的理化性质，使得观测段111中植物的生长情况可以反映培养槽中植物的生长情况。试验出最适流场后，处理器130可以通过图像获取组件120监测观测段111中植物的生长情况，以获取培养槽中植物的生长情况，从而根据监测到的植物的生长情况调节营养液流量，或者调节其他与处理器130电信号连接的设备，对植物生长环境中的光照，湿度、温度等参数进行调节，从而促进植物的生长。
优选地，培养液的流动不仅受到培养装置形状的影响，还会受到植物根系生长状况的影响。优选地，图像获取组件120获取的观测段111的图象中包含植物根系部分的图像。优选地，处理器130可以通过图像获取组件120获取观测段111的图象，以采集植物根的形态，当根的形态差异超过设定阈值时，需要重新确定最适流场。优选地，根的形态可以是试验开始时植物根系的初始根长、根面积、弯曲程度等。
优选地，在因生长培养槽改变而重新确定营养液最适流场的情况下，即使营养液流经植物根系形成的根际流场符合历史数据中的根际流场的图像，若被测植物根的形态与历史数据中根系的形态的差异超过设定阈值时，需要重新确定最适流场。优选地，预设阈值可以通过对大量试验数据的积累并结合理论计算进行设置。优选地，预设阈值可以设置在5％至10％之间。优选地，预设阈值可以设置为6％。优选地，植物根系的形态的差异即为被测植物根的形态与历史数据中根系的形态的相似度。优选地，当相似度低于94％时，便需要重新确定最适流场。
需要注意的是，上述具体实施例是示例性的，本领域技术人员可以在本发明公开内容的启发下想出各种解决方案，而这些解决方案也都属于本发明的公开范围并落入本发明的保护范围之内。本领域技术人员应该明白，本发明说明书及其附图均为说明性而并非构成对权利要求的限制。本发明的保护范围由权利要求及其等同物限定。在全文中，“优选地”所引导的特征仅为一种可选方式，不应理解为必须设置，故此申请人保留随时放弃或删除相关优选特征之权利。本发明说明书包含多项发明构思，诸如“优选地”、“根据一个优选实施方式”或“可选地”均表示相应段落公开了一个独立的构思，申请人保留根据每项发明构思提出分案申请的权利。
Claims (10)
1.一种水耕栽培根际流场可视化装置，其特征在于，所述水耕栽培根际流场可视化装置至少包括种植单元(110)、图像获取组件(120)和处理器(130)；
所述种植单元(110)在种植区域设置有观测段(111)，所述种植单元(110)中混合有示踪粒子(150)的营养液流经所述观测段(111)形成流场；
所述图像获取组件(120)通过激光显影的方式获取观测段(111)的流场图像；
所述处理器(130)对拍摄的流场图片进行分析，其中，所述处理器(130)分析出的信息至少包括植物根的受力情况、流场的涡度分布。
2.根据权利要求1所述的水耕栽培根际流场可视化装置，其特征在于，所述观测段(111)顶部设置有用于安置种植板(112)的缺口，水耕栽培所用的营养液流经所述观测段(111)，在所述种植板(112)下方形成水耕栽培根际流场。
3.根据权利要求1或2所述的水耕栽培根际流场可视化装置，其特征在于，所述图像获取组件(120)至少包括摄像头(121)和照明组件(122)，
所述照明组件(122)以线光源照明的方式照射所述观测段(111)，
所述摄像头(121)获取所述观测段(111)受所述照明组件(122)照射的平面的图像。
4.根据权利要求1～3任一项所述的水耕栽培根际流场可视化装置，其特征在于，所述照明组件(122)包括照明激光光源(101)，转换器(102)和反射镜(103)；
所述激光光源(101)发出的光经所述转换器(102)转换成线光源，所述线光源经所述反射镜(103)折射后照射至所述观测段(111)。
5.根据权利要求1～4任一项所述的水耕栽培根际流场可视化装置，其特征在于，所述种植单元(110)还设置有变频电机(113)，流量表(114)，注水段(115)；
所述变频电机(113)用于调节所述种植单元(110)中营养液的流量；
所述流量表(114)用于采集所述种植单元(110)中营养液的流量；
所述注水段(115)用于向所述种植单元(110)中添加营养液和示踪粒子(150)；
所述示踪粒子(150)与营养液混合，在所述图像获取组件(120)获取所述观测段(111)图像的情况下，所述照明组件(122)产生的激光照射所述示踪粒子(150)，使得所述示踪粒子(150)表征当前流量的营养液产生的流场。
6.一种水耕栽培方法，其特征在于，所述水耕栽培方法至少包括：
确定栽培植物种类及其所处生长阶段；
确定营养液和栽培所述植物的种植槽；
采集营养液流经所述种植槽所形成的流场的图像，对采集的流场图像进行分析获得流场中植物根的受力情况、流场的涡度分布；
试验所述植物在所述种植槽中的利用所述营养液的最适流场。
7.根据权利要求6所述的水耕栽培方法，其特征在于，营养液流经所述种植槽所形成的流场的图像通过如下方式采集：
将所述营养液与示踪粒子(150)混合；
以线光源照明的方式将光线照射入设置在所述种植槽中的观测段(111)，使得位于所述观测段(111)中的示踪粒子(150)显影；
通过摄像头(121)采集所述观测段(111)的图像，通过所述示踪粒子(150)的运动状态表征营养液的运动状态。
8.根据权利要求6或7所述的水耕栽培方法，其特征在于，所述水耕栽培方法还包括：
利用试验得到的所述营养液的最适流场对所述植物进行培养；
在培养过程中通过监测营养液流经所述种植槽所形成的流场的图像，分析获得流场中植物根的受力情况、流场的涡度分布，从而调节营养液流量，使得营养液形成所述最适流场。
9.一种水耕栽培根际流场可视化方法，其特征在于，所述水耕栽培根际流场可视化方法至少包括：
在种植单元(110)的种植区域设置观测段(111)；
利用图像获取组件(120)获取观测段(111)的流场图片；
对所述流场图片进行分析，其中，从所述流场图片中解析出的信息至少包括植物根的受力情况、流场的涡度分布。
10.一种水耕栽培系统，所述水耕栽培系统配置有如权利要求1～5任一项所述的水耕栽培根际流场可视化装置。
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| WO2024131816A2 (zh) | 2024-06-27 |
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