CN117063826B - 一种基于植物形态监测的植株立体水培系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及无土栽培技术领域，尤其涉及一种基于植物形态监测的植株立体水培系统，包括水培管、图像采集模块、计时模块、数据获取模块和数据分析模块，数据获取模块获取图像采集模块采集的植株图像，计时模块记录的植株生长时间，数据分析模块根据数据获取模块获取的数据确定植株形态监测数据，并计算植株形态评价值，根据植株形态评价值确定分析方式，并根据分析结果调整营养液中的氮含量，本发明能够监测植株的生长状况，克服了现有技术中对植株的生长状况监测的精确度低的问题。

Description

一种基于植物形态监测的植株立体水培系统
技术领域
本发明涉及无土栽培技术领域，尤其涉及一种基于植物形态监测的植株立体水培系统。
背景技术
在现代农业生产中，尤其是在设施农业和精准农业中，对植株的生长状况进行精确监测和管理是至关重要的。这包括对植株的形态、生长速度、色相值、叶片稠密度等参数的监测，以及对植株所需的营养液中的氮含量等的管理。
传统的植株生长监测和管理方法通常依赖于人工观察和经验判断，这种方法不仅工作量大，效率低，而且准确性和一致性也难以保证。此外，由于植株的生长状况受到多种因素的影响，包括环境条件、营养供应、病虫害等，因此，对植株的生长状况进行全面、准确的评估和管理是一项非常复杂的任务。
为了解决这些问题，近年来，人们开始尝试使用各种传感器和计算机视觉技术来自动化地监测和管理植株的生长状况。这些技术可以提供更准确、更一致的数据，从而提高植株生长管理的效率和效果。然而，这些技术通常需要复杂的硬件设备和高级的数据分析技术，因此，如何设计一种简单、有效、易于实施的植株生长监测和管理系统，仍然是一个亟待解决的问题。
中国专利公开号：CN105432456A公开了一种立体水培方法、水培系统及其水培植物，包括：在工作台上将若干植株定植到具有预定轴向长度的管型材的一侧；将所述管型材架设到塔架上，与地面形成预定的夹角，令植株一侧朝外；通过与所述管型材两端连接的营养液循环装置，在所述管型材内形成预定深度的营养液层；
由此可见，现有技术存在以下问题：传统的植株生长监测和管理方法依赖于人工观察和经验判断，从而导致对植株的生长状况监测的精确度低。
发明内容
为此，本发明提供一种基于植物形态监测的植株立体水培系统，用以克服现有技术中对植株的生长状况监测的精确度低的问题。
为实现上述目的，本发明提供一种基于植物形态监测的植株立体水培系统，包括：
水培管，其用以为植株提供流动的营养液；
图像采集模块，其设置在水培管的上方，用以采集植株的图像；
计时模块，其用以记录植株的生长时间；
数据获取模块，其用以获取计时模块记录的植株的生长时间以及图像采集模块采集到的植株图像；
数据分析模块，用以根据所述数据获取模块获取的植株图像确定包含了植株的高度、植株的最大宽度、植株的色相值以及植株的叶片稠密度的植株形态监测数据，根据植株的高度、植株的最大宽度以及植株的生长时间计算植株形态评价值；
其中，所述数据分析模块根据植株形态评价值确定对植株形态监测数据进行分析的分析方式，并在第一分析方式下根据植株的高度增长速率确定是否对营养液中的氮含量进行调整，在第二分析方式下根据叶片稠密度确定是否对调整系数进行修正。
进一步的，所述数据分析模块根据以下公式计算植株形态评价值，设定
其中，P为植株形态评价值，H为植株的高度，D为植株的最大宽度，T为植株的生长时间，单位为周。
进一步的，所述数据分析模块根据植株形态评价值与预设植株形态评价值的比对结果确定对植株形态监测数据进行分析的若干分析方式，若干所述分析方式包括对植株的色相值进行分析的第一分析方式以及对植株的叶片稠密度进行分析的第二分析方式。
进一步的，所述数据分析模块在确定以第一分析方式对植株形态监测数据分析条件下，根据植株的色相值与预设色相值的比对结果确定营养液中的氮含量。
进一步的，所述数据分析模块在确定营养液中的氮含量完成后，根据植株的高度增长速率小于等于预设高度增长速率确定对营养液中的氮含量进行调整。
进一步的，所述数据分析模块在确定对营养液中的氮含量调整条件下，根据第一相对差确定对营养液中的氮含量进行调整的调整系数；
所述第一相对差是由植株的高度增长速率与预设高度增长速率确定。
进一步的，所述数据分析模块在确定以第二分析方式对植株形态监测数据分析条件下，根据第二相对差与预设第二相对差的比对结果确定若干预设叶片稠密度，若干所述预设叶片稠密度包括第二相对差小于等于预设第二相对差时确定的第一预设叶片稠密度以及第二相对差大于预设第二相对差时确定的第二预设叶片稠密度；
所述第二相对差是由植株形态评价值与预设植株形态评价值确定。
进一步的，所述数据分析模块在确定预设叶片稠密度完成时，根据第二相对差与预设第二相对差的比对结果确定对植株的叶片稠密度进行判定的若干判定方式，若干所述判定方式包括根据叶片稠密度与第一预设叶片稠密度的比对结果确定是否对调整系数进行修正的第一判定方式以及根据叶片稠密度与第二预设叶片稠密度的比对结果确定是否对调整系数进行修正的第二判定方式。
进一步的，所述数据分析模块在确定以第一判定方式对植株的叶片稠密度判定条件下，根据叶片稠密度大于第一预设叶片稠密度确定对调整系数进行修正的第一修正系数；
所述数据分析模块在确定以第二判定方式对植株的叶片稠密度判定条件下，根据叶片稠密度大于第二预设叶片稠密度确定对调整系数进行修正的第二修正系数。
进一步的，若所述数据分析模块在第一判定方式下判定对调整系数进行修正，则根据以下第一修正系数对调整系数进行修正，设定
若所述数据分析模块在第二判定方式下判定对调整系数进行修正，则根据以下第二修正系数对调整系数进行修正，设定
其中，X1为第一修正系数，X2为第二修正系数，C表示叶片稠密度。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于，本发明提供了一个量化的方式来评估植株的形态，并根据评估结果选择不同的分析方式以更有针对性地对植株进行监测和分析，从而更有效地管理植株的生长，提高对植株生长过程监控的精度。
进一步地，本发明通过植株的色相值小于等于预设色相值确定植株因为缺乏氮导致叶片变黄以增加营养液中的氮含量，以提供更多的氮素供植株吸收，植株的色相值大于预设色相值，说明植株的营养充足，确定更低的氮含量以防止氮素过量导致植株生长过快、果实品质下降。
进一步地，本发明根据植物的高度增长速率来决定是否需要对营养液中的氮含量进行调整以更全面地考虑植物的生长状况，从而更精确地管理植物的氮元素供应。
进一步地，本发明以更精确的方式调整营养液中的氮含量，通过计算植物的高度增长速率与预设高度增长速率的相对差，并根据这个相对差确定调整系数，以更精确地调整氮含量，从而更高效地管理植物的营养供应。
进一步地，本发明通过计算植物形态评价值与预设植株形态评价值的相对差，并根据这个相对差来确定预设叶片稠密度，以更精确地确定植株的生长阶段，从而更精确地监测植物的形态。
进一步地，本发明根据第二相对差与预设第二相对差的比对结果确定对植株的叶片稠密度进行判定的判定方式，以在植株不同生长时期更精确地判定植株的叶片稠密度，从而判定是否对调整系数进行修正。
进一步地，本发明根据叶片稠密度与预设叶片稠密度的比对结果更精确地判定是否对调整系数进行修正，以避免因氮元素超标导致植株叶片过于稠密影响植株健康生长。
进一步地，本发明根据修正系数以更精确地修正调整系数，从而更精确地管理植株的营养液氮元素含量。
附图说明
图1为本发明实施例基于植物形态监测的植株立体水培系统的结构图；
图2为本发明实施例基于植物形态监测的植株立体水培系统的结构示意图；
图中，1-水培管，2-图像采集模块。
具体实施方式
为了使本发明的目的和优点更加清楚明白，下面结合实施例对本发明作进一步描述；应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。
下面参照附图来描述本发明的优选实施方式。本领域技术人员应当理解的是，这些实施方式仅仅用于解释本发明的技术原理，并非在限制本发明的保护范围。
需要说明的是，在本发明的描述中，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”等指示的方向或位置关系的术语是基于附图所示的方向或位置关系，这仅仅是为了便于描述，而不是指示或暗示所述装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，还需要说明的是，在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域技术人员而言，可根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
请参阅图1和图2所示，图1为本发明实施例基于植物形态监测的植株立体水培系统的结构图；图2为本发明实施例基于植物形态监测的植株立体水培系统的结构示意图。
水培管1，其用以为植株提供流动的营养液；
图像采集模块2，其设置在水培管的上方，用以采集植株的图像；
计时模块，其用以记录植株的生长时间T；
数据获取模块，其用以获取计时模块记录的植株的生长时间T以及图像采集模块采集到的植株图像；
数据分析模块，用以根据数据获取模块获取的植株图像确定包含了植株的高度H、植株的最大宽度D、植株的色相值L以及植株的叶片稠密度C的植株形态监测数据，根据植株的高度H、植株的最大宽度D以及植株的生长时间T计算植株形态评价值P；
其中，所述数据分析模块根据植株形态评价值P确定对植株形态监测数据进行分析的分析方式，并在第一分析方式下根据植株的高度增长速率S确定是否对营养液中的氮含量Ni进行调整，在第二分析方式下根据叶片稠密度C确定是否对调整系数ke进行修正。
本发明实施例中，图像采集模块为工业相机。
具体而言，所述数据分析模块根据以下公式计算植株形态评价值P，设定
其中，H为植株的高度，D为植株的最大宽度，T为植株的生长时间，单位为周。
具体而言，所述数据分析模块根据植株形态评价值P与预设植株形态评价值P0的比对结果确定对植株形态监测数据进行分析的分析方式；
若P≤P0，所述数据分析模块确定以第一分析方式对植株形态监测数据进行分析；
若P＞P0，所述数据分析模块确定以第二分析方式对植株形态监测数据进行分析。
其中，第一分析方式为对植株的色相值L进行分析，第二分析方式为对植株的叶片稠密度C进行分析。
本发明实施例中，预设植株形态评价值P0取值为1.65，预设植株形态评价值P0是在番茄植株的生长时间为3周，植株的最大宽度为15cm，植株的高度为25cm的情况下取得的，本领域技术人员可以根据具体情况对预设植株形态评价值P0进行调整。
具体而言，本发明提供了一个量化的方式来评估植株的形态，并根据评估结果选择不同的分析方式以更有针对性地对植株进行监测和分析，从而更有效地管理植株的生长，提高对植株生长过程监控的精度。
具体而言，所述数据分析模块在确定以第一分析方式对植株形态监测数据分析条件下，根据植株的色相值L与预设色相值L0的比对结果确定营养液中的氮含量Ni；
若L≤L0，所述数据分析模块确定营养液中的氮含量Ni为第一氮含量N1；
若L＞L0，所述数据分析模块确定营养液中的氮含量Ni为第二氮含量N2；
其中，第一氮含量N1取值为180mg/L，第二氮含量N2取值为150mg/L。
本发明实施例中，预设色相值L0取值为90°，预设色相值L0是在番茄植株在缺氮时叶片呈黄绿色的情况下取得的，本领域技术人员可以根据具体情况对预设色相值L0进行调整。
具体而言，本发明通过植株的色相值小于等于预设色相值确定植株因为缺乏氮导致叶片变黄以增加营养液中的氮含量，以提供更多的氮素供植株吸收，植株的色相值大于预设色相值，说明植株的营养充足，确定更低的氮含量以防止氮素过量导致植株生长过快、果实品质下降。
具体而言，所述数据分析模块在确定营养液中的氮含量Ni完成后，根据植株的高度增长速率S与预设高度增长速率S0的比对结果确定是否对营养液中的氮含量Ni进行调整；
若S≤S0，所述数据分析模块确定对营养液中的氮含量Ni进行调整；
若S＞S0，所述数据分析模块确定不对营养液中的氮含量Ni进行调整；
本发明实施例中，预设高度增长速率S0取值为2cm/day，预设高度增长速率S0是根据番茄植株的正常高度增长速率取得的，本领域技术人员可以根据具体情况对预设高度增长速率S0进行调整。
具体而言，本发明根据植物的高度增长速率来决定是否需要对营养液中的氮含量进行调整以更全面地考虑植物的生长状况，从而更精确地管理植物的氮元素供应。
具体而言，所述数据分析模块根据以下公式计算植株的高度增长速率S，设定
S=（S2-S1）/t
其中，S2表示当前确定的植株的高度，S1表示上一次确定的植株的高度，t表示当前确定植株的高度与上一次确定植株的高度之间的时间间隔。
具体而言，所述数据分析模块在确定对营养液中的氮含量Ni调整条件下，计算植株的高度增长速率S与预设高度增长速率S0的第一相对差△S，并根据第一相对差△S与预设第一相对差△S0的比对结果确定对营养液中的氮含量Ni进行调整的调整系数ke，设定△S=（S0-S）/S0；
若△S≤△S0，所述数据分析模块确定以第一调整系数k1对氮含量Ni进行调整；
若△S＞△S0，所述数据分析模块确定以第二调整系数k2对氮含量Ni进行调整；
将调整后的氮含量Ni设定为Nni=Ni×ke，i=1，2，e=1，2。
其中，1＜k1＜k2＜1.5，本发明实施例中第一调整系数k1优选为1.2，第二调整系数k2优选为1.4。
本发明实施例中，预设第一相对差△S0取值为0.25，预设第一相对差△S0是在高度增长速率S为1.5cm/day的情况下取得的，本领域技术人员可以根据具体情况对预设第一相对差△S0进行调整。
具体而言，本发明以更精确的方式调整营养液中的氮含量，通过计算植物的高度增长速率与预设高度增长速率的相对差，并根据这个相对差确定调整系数，以更精确地调整氮含量，从而更高效地管理植物的营养供应。
具体而言，所述数据分析模块在确定以第二分析方式对植株形态监测数据分析条件下，计算植株形态评价值P与预设植株形态评价值P0的第二相对差△P，并根据第二相对差△P与预设第二相对差△P0的比对结果确定预设叶片稠密度Ci，设定△P=（P-P0）/P0；
若△P≤△P0，所述数据分析模块确定预设叶片稠密度Ci为第一预设叶片稠密度C1；
若△P＞△P0，所述数据分析模块确定预设叶片稠密度Ci为第二预设叶片稠密度C2；
其中，第一预设叶片稠密度C1为0.4，第二预设叶片稠密度C2为0.6。
本发明实施例中，预设第二相对差△P0取值为0.145，预设第二相对差△P0是在植株形态评价值P为1.93的情况下取得的，本领域技术人员可以根据具体情况对预设第二相对差△P0进行调整。
具体而言，本发明通过计算植物形态评价值与预设植株形态评价值的相对差，并根据这个相对差来确定预设叶片稠密度，以更精确地确定植株的生长阶段，从而更精确地监测植物的形态。
具体而言，所述数据分析模块在确定预设叶片稠密度Ci完成时，根据第二相对差△P与预设第二相对差△P0的比对结果确定对植株的叶片稠密度C进行判定的判定方式；
若△P≤△P0，所述数据分析模块确定以第一判定方式对植株的叶片稠密度C进行判定；
若△P＞△P0，所述数据分析模块确定以第二判定方式对植株的叶片稠密度C进行判定；
其中，所述第一判定方式为根据叶片稠密度C与第一预设叶片稠密度C1的比对结果确定是否对调整系数ke进行修正，所述第二判定方式为根据叶片稠密度C与第二预设叶片稠密度C2的比对结果确定是否对调整系数ke进行修正。
具体而言，本发明根据第二相对差与预设第二相对差的比对结果确定对植株的叶片稠密度进行判定的判定方式，以在植株不同生长时期更精确地判定植株的叶片稠密度，从而判定是否对调整系数进行修正。
具体而言，所述数据分析模块在确定以第一判定方式对植株的叶片稠密度C判定条件下，根据叶片稠密度C与第一预设叶片稠密度C1的比对结果确定是否对调整系数ke进行修正；
若C≤C1，所述数据分析模块确定不对调整系数ke进行修正；
若C＞C1，所述数据分析模块确定对调整系数ke进行修正。
具体而言，所述数据分析模块在确定以第二判定方式对植株的叶片稠密度C判定条件下，根据叶片稠密度C与第二预设叶片稠密度C2的比对结果确定是否对调整系数ke进行修正；
若C≤C2，所述数据分析模块确定不对调整系数ke进行修正；
若C＞C2，所述数据分析模块确定对调整系数ke进行修正。
具体而言，本发明根据叶片稠密度与预设叶片稠密度的比对结果更精确地判定是否对调整系数进行修正，以避免因氮元素超标导致植株叶片过于稠密影响植株健康生长。
具体而言，所述数据分析模块根据以下公式计算叶片稠密度C，设定
C=Cc1/Cc2
其中，Cc1表示植株图像中叶片所对应像素的面积，Cc2表示植株图像的总面积。
具体而言，若所述数据分析模块在第一判定方式下判定对调整系数ke进行修正，则根据以下第一修正系数X1对调整系数ke进行修正；
将修正后的调整系数ke设置为Kke=ke×X1，e=1，2。
若所述数据分析模块在第二判定方式下判定对调整系数ke进行修正，则根据以下第二修正系数X2对调整系数ke进行修正；
将修正后的调整系数ke设置为Kke=ke×X2，e=1，2。
具体而言，本发明根据修正系数以更精确地修正调整系数，从而更精确地管理植株的营养液氮元素含量。
至此，已经结合附图所示的优选实施方式描述了本发明的技术方案，但是，本领域技术人员容易理解的是，本发明的保护范围显然不局限于这些具体实施方式。在不偏离本发明的原理的前提下，本领域技术人员可以对相关技术特征做出等同的更改或替换，这些更改或替换之后的技术方案都将落入本发明的保护范围之内。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明；对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于植物形态监测的植株立体水培系统，其特征在于，包括：
水培管，其用以为植株提供流动的营养液；
图像采集模块，其设置在水培管的上方，用以采集植株的图像；
计时模块，其用以记录植株的生长时间；
数据获取模块，其用以获取计时模块记录的植株的生长时间以及图像采集模块采集到的植株图像；
数据分析模块，用以根据所述数据获取模块获取的植株图像确定包含了植株的高度、植株的最大宽度、植株的色相值以及植株的叶片稠密度的植株形态监测数据，根据植株的高度、植株的最大宽度以及植株的生长时间计算植株形态评价值；
其中，所述数据分析模块根据植株形态评价值确定对植株形态监测数据进行分析的分析方式，并在第一分析方式下根据植株的高度增长速率确定是否对营养液中的氮含量进行调整，在第二分析方式下根据叶片稠密度确定是否对调整系数进行修正；
所述数据分析模块根据植株形态评价值与预设植株形态评价值的比对结果确定对植株形态监测数据进行分析的分析方式；
若P≤P0，所述数据分析模块确定以第一分析方式对植株形态监测数据进行分析；
若P＞P0，所述数据分析模块确定以第二分析方式对植株形态监测数据进行分析；
其中，P表示植株形态评价值，P0表示预设植株形态评价值，第一分析方式为对植株的色相值进行分析，第二分析方式为对植株的叶片稠密度进行分析；
所述数据分析模块在确定营养液中的氮含量完成后，根据植株的高度增长速率小于等于预设高度增长速率确定对营养液中的氮含量进行调整；
所述数据分析模块在确定对营养液中的氮含量调整条件下，根据第一相对差与预设第一相对差的比对结果确定对营养液中的氮含量进行调整的调整系数，设定△S=（S0-S）/S0；
若△S≤△S0，所述数据分析模块确定以第一调整系数对氮含量进行调整；
若△S＞△S0，所述数据分析模块确定以第二调整系数对氮含量进行调整；
其中，S表示植株的高度增长速率，S0表示预设高度增长速率，△S表示第一相对差，△S0表示预设第一相对差；
所述数据分析模块在确定以第一判定方式对植株的叶片稠密度判定条件下，根据叶片稠密度大于第一预设叶片稠密度确定对调整系数进行修正的第一修正系数；
所述数据分析模块在确定以第二判定方式对植株的叶片稠密度判定条件下，根据叶片稠密度大于第二预设叶片稠密度确定对调整系数进行修正的第二修正系数；
其中，X1为第一修正系数，X2为第二修正系数，C表示叶片稠密度。
2.根据权利要求1所述的基于植物形态监测的植株立体水培系统，其特征在于，所述数据分析模块根据以下公式计算植株形态评价值，设定；
其中，P为植株形态评价值，H为植株的高度，D为植株的最大宽度，T为植株的生长时间，单位为周。
3.根据权利要求2所述的基于植物形态监测的植株立体水培系统，其特征在于，所述数据分析模块在确定以第一分析方式对植株形态监测数据分析条件下，根据植株的色相值与预设色相值的比对结果确定营养液中的氮含量。
4.根据权利要求3所述的基于植物形态监测的植株立体水培系统，其特征在于，所述数据分析模块在确定以第二分析方式对植株形态监测数据分析条件下，根据第二相对差与预设第二相对差的比对结果确定若干预设叶片稠密度，若干所述预设叶片稠密度包括第二相对差小于等于预设第二相对差时确定的第一预设叶片稠密度以及第二相对差大于预设第二相对差时确定的第二预设叶片稠密度；
所述第二相对差是由植株形态评价值与预设植株形态评价值确定。
5.根据权利要求4所述的基于植物形态监测的植株立体水培系统，其特征在于，所述数据分析模块在确定预设叶片稠密度完成时，根据第二相对差与预设第二相对差的比对结果确定对植株的叶片稠密度进行判定的若干判定方式，若干所述判定方式包括根据叶片稠密度与第一预设叶片稠密度的比对结果确定是否对调整系数进行修正的第一判定方式以及根据叶片稠密度与第二预设叶片稠密度的比对结果确定是否对调整系数进行修正的第二判定方式。
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