CN211510015U - 一种作物表型高通量获取装置与气候舱 - Google Patents

Abstract

一种作物表型高通量获取装置与气候舱。本实用新型在气候舱中设置有分别获取两种视角下作物表型特征的表型获取单元，并将设置于表型获取单元中间的根盒在工作平面上沿第一表型获取单元移动的第一方向排列为一条直线。本实用新型中，根盒表面平行于该直线的侧面设置为透明，以供对地下表型特征的拍摄。为获得重组的地下表型特征信息，根盒中头面的两侧还可相互接近，设置根盒为扁平长方体结构，压缩作物根系的生长空间，使其贴近透明侧壁，能够被表型获取单元拍摄。由此，本实用新型能够在气候舱中精确跟踪作物的表型参数，自动获取、分析作物表型数据与环境参数的关系。

Description

一种作物表型高通量获取装置与气候舱

技术领域

本实用新型涉及作物表型获取与分析技术领域，具体而言涉及一种作物表型高通量获取装置与气候舱。

背景技术

提高作物产量是保障粮食安全的最有效途径。作物育种是提高作物产量的有效手段。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。

作物的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，其具备一定的环境调节功能，可应用于作物的基因改良和新物种培育等试验，避免了自然环境下诸多不稳定的制约因素，提高了植物基因组功能研究和分子育种的工作效率。

为了培育优良的作物品种，需要在作物的生长过程中连续测量其因器官生长而导致的表型特征和生理参数的变化。而目前传统的人工气候室仅具备培育作物的功能，对其中作物表型的测量工作，主要依靠人工的观察和测量而实现对作物外部特征的描述和记录。此项工作由于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，且极容易因为引入人为测量的误差而导致测量数据出现偏差。由此所获得的基因型、环境因素和作物表型之间的关系并不准确。

实用新型内容

本实用新型针对植物基因组学研究和分子育种的需求以及现有表型获取技术的不足，提供一种作物表型高通量获取装置与气候舱，本实用新型能够通过高通量、高精度和低成本的表型获取分析装置满足获取与植物生长、产量、品质和对生物、非生物胁迫的耐受性等相关表型数据的需求。本实用新型具体采用如下技术方案。

首先，为实现上述目的，提出一种作物表型高通量获取装置，其设置于气候舱内，包括：根盒，其在工作平面上沿所述第一方向排列为一条直线，每一个所述根盒均分别设置为两侧面透明的扁平长方体结构，所述根盒中透明的两侧面之间的间距在10mm-20mm范围内，各所述根盒中透明的两侧面平行于所述第一方向设置；第一表型获取单元，包括设置于根盒所在平面的两个，两个所述第一表型获取单元分别平行于第一方向设置在所述根盒的两侧，各所述第一表型获取单元分别用于获取根盒所容纳的作物在对应于根盒中透明的两侧面的侧视视角下的表型信息；第二表型获取单元，其设置在根盒所在平面的上方，用于获取根盒所容纳的作物在俯视视角下的表型信息。

可选的，上述的作物表型高通量获取装置，其中，所述根盒包括：根盒骨架，其具有多根立柱，以及连接各所述立柱底端的底板，所述立柱与所述底板形成扁平长方体结构的根系容纳空间，容纳作物的根系，所述底板的边缘还设置有卡槽；侧挡板，其设置在所述根系容纳空间的左、右两侧，与所述立柱固定连接，所述侧挡板的底部紧密连接至所述底板的边缘；透光板，其设置在所述根系容纳空间的前、后两侧，与所述立柱插接连接，所述侧挡板为透明材质，所述侧挡板的底部卡接进入底板边缘的卡槽内，所述透光板、所述立柱以及所述侧挡板封闭所述根系容纳空间；各所述根盒中，前、后两侧透光板之间的间距在10mm-20mm范围内，各所述根盒的透光板在工作平面上沿所述第一方向排列在一条直线上；遮光板，其贴近所述透光板，设置在各所述透光板的外侧，与所述根系容纳空间中各立柱可拆卸的连接；根盒上端盖，其固定连接在各所述立柱的上端，所述根盒上端盖的中部留有供容纳作物生长的通孔。

可选的，上述的作物表型高通量获取装置，其中，各所述第一表型获取单元包括：第一方向滑动导轨，其平行于作物的根盒中透明的侧面，沿第一方向设置在所述根盒的外侧；滑板，其设置在所述第一方向滑动导轨之上，沿所述第一方向滑动导轨在第一方向上平移；第二方向滑动导轨，其下端与所述滑板固定连接，所述第二方向滑动导轨与所述滑板的上表面保持垂直，沿第二方向设置；第三方向滑动导轨，其与所述第二方向滑动导轨连接，朝向所述作物的根盒设置在第三方向上；图像采集设备，其设置在所述第三方向滑动导轨中朝向所述根盒的一端，用于采集所述根盒和/或根盒内所容纳的作物在对应于根盒中透明的两侧面的侧视视角下的图像；背景板，其设置在所述图像采集设备的一侧；所述第三方向滑动导轨沿所述第二方向滑动导轨在第二方向上移动时，带动所述图像采集设备同步移动，调节所述图像采集设备相对于所述根盒和/或根盒内所容纳的作物的高度；所述第三方向滑动导轨相对所述第二方向滑动导轨在第三方向上移动时，所述带动所述图像采集设备同步移动，调节所述图像采集设备相对于所述根盒和/或根盒内所容纳的作物的距离。

可选的，上述的作物表型高通量获取装置，其中，所述第二表型获取单元包括：顶部滑动导轨，其包括平行于所述第一方向滑动导轨分别沿第一方向固定在所述作物的根盒上方的两根，两根所述顶部滑动导轨分别设置在所述作物的根盒的两侧；中部滑动导轨，其两端分别连接两根所述顶部滑动导轨，所述中部滑动导轨在所述顶部滑动导轨的下侧沿所述第一方向平移；下部滑动导轨，其上端与所述中部滑动导轨连接，其下端固定有俯视视角图像采集设备，所述下部滑动导轨垂直于所述中部滑动导轨以及所述顶部滑动导轨，沿第二方向相对所述中部滑动导轨移动；所述俯视视角图像采集设备，其向下朝向所述根盒的顶部固定在所述下部滑动导轨的下端，所述俯视视角图像采集设备用于采集所述根盒和/或根盒内所容纳的作物在俯视视角下的图像。

同时，为实现上述目的，本实用新型还提供一种气候舱，其包括：作物培育区，其内部四周设置有：地面排风管、侧面排风管，顶部回风管，所述地面排风管和/或侧面排风管连接在混气阀的输出端，所述混气阀的输入端连接有空调装置、二氧化碳供给装置、臭氧供给装置、加湿装置，所述顶部回风管将所述作物培育区内的气体送回空调装置再由所述空调装置通过所述地面排风管和/或侧面排风管循环供给至所述作物培育区；表型获取区，其设置电动移门，所述电动移门的一侧连接所述表型获取区，所述电动移门的另一侧连接所述作物培育区，所述表型获取区内部设置有可选的，上述的作物表型高通量获取装置；环境设备区IV，用于固定安装所述空调装置、二氧化碳供给装置、臭氧供给装置、加湿装置。

可选的，上述的气候舱，其中，所述地面排风管、侧面排风管，顶部回风管由所述作物培育区延伸并连通至所述表型获取区，所述作物培育区以及所述表型获取区中还设置有环境传感器组，所述环境传感器组用于采集所述作物培育区以及所述表型获取区中的环境数据调节所述空调装置、二氧化碳供给装置、臭氧供给装置、加湿装置的工作状态。

可选的，上述的气候舱，其中，所述作物培育区中还设置有作物培育架，所述作物培育架设置为多层结构，所述作物培育架的每一层中均分别排列有相互平行的多个根盒架；所述作物培育架的顶层以及各层结构之间还分别设置有隔板，所述隔板的中部排列有喷头用于向下方的作物喷淋水分以及营养，所述隔板的长度方向上还均匀的排列有多个补光灯用于提供光照，所述隔板的上表面设置为四周凸起、中间凹平，所述隔板的上表面用于收集上一层喷淋的水分以及营养；所述根盒架为长板结构，沿所述长板结构的长度方向设置有多个根盒安装槽，各根盒分别穿过各所述根盒安装槽，由根盒上端盖的下部边缘抵接所述根盒安装槽的上表面，将各所述根盒固定在所述长板结构下，所述根盒架的两端还分别设置有把手，所述把手的下方设置有凹槽结构，所述凹槽结构与所述作物培育架卡接固定，将各所述根盒架架设在所述作物培育架的各层隔板之间。

可选的，上述的气候舱，其中，所述环境传感器组包括光照传感器、湿度传感器、温度传感器、CO2传感器，所述环境传感器组安装于作物培育架中每层隔板的侧面，靠近根盒内作物的生长区域设置。

可选的，上述的气候舱，其中，所述作物培育区、表型获取区和环境设备区设置在同一由集装箱内，由所述集装箱封闭。

有益效果

本实用新型在气候舱中设置有分别获取两种视角下作物表型特征的表型获取单元。其中的一种设置在根盒的两侧，用于获取根盒所容纳的作物在对应于根盒中透明的两侧面的侧视视角下的表型信息；另一种可以设置在根盒上方，用于获取作物俯视视角下的表型信息。其中的根盒，为方便上述作物表型特征的表型获取单元拍摄其图像进行表型特征的提取，该根盒一般可在工作平面上沿第一表型获取单元移动的第一方向排列为一条直线，根盒中平行于该直线的侧面设置为透明，以供对地下表型特征的拍摄。为获得重组的地下表型特征信息，根盒中头面的两侧还可相互接近，设置根盒为扁平长方体结构，压缩作物根系的生长空间，使其贴近透明侧壁，能够被表型获取单元拍摄。

进一步的，根盒之间还可通过根盒架连接固定，由根盒架固定在作物培育架上或者由作物培育架移动至工作平面的根盒固定架上进行表型特征的采集。其中，为保护作物培育过程中根系不会受外部光照条件影响，因此可进一步在根盒中透光板的外部设置遮光板。遮光板具体可通过磁条的磁力吸合作用使其与支架结构之间实现可拆卸的连接。获取作物表型时，将根盒所设置的根盒架通过其下表面的凹槽结构固定在根盒固定架上，拆卸下遮光板，如此，根盒架两侧的透光板就可以直接显示作物的地下表型特征。这种方式下，可直接通过图像采集设备从根盒架两侧沿直线平移，直接采集到作物的地下表型特征。

本实用新型中，两个第一表型获取单元沿作物的根盒两侧分别相互平行相对设置，两个第一表型获取单元同步运行。两个第一表型获取单元中，图像采集设备保持正对于设置在其对侧的另一个第一表型获取单元中的背景板，图像采集设备和背景板同步移动，能够保证图像采集设备采集作物表型图像时，始终能够由背景板遮挡住作物后侧的环境图像，方便后期通过图像处理系统对图像中的作物表型特征进行提取。由此，本实用新型能够由表型获取单元中的图像采集设备沿第一方向逐一扫描排列在第一方向上的各个根盒以及根盒内的作物，顺次获各根盒内各个作物的表型信息。本实用新型能够实时、定时、定点的获取多组作物俯视图表型数据，继而完成多组作物俯视图表型数据的存储、传输及表型数据分析。

本实用新型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，或者通过实施本实用新型而了解。

附图说明

附图用来提供对本实用新型的进一步理解，并且构成说明书的一部分，并与本实用新型的实施例一起，用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的限制。在附图中：

图1是本实用新型的气候舱的整体结构示意图；

图2是本实用新型的气候舱的爆炸图；

图3是本实用新型中作物培育架的整体结构示意图；

图4是图3中作物培育架的局部示意图；

图5是图3的作物培育架中隔板结构的示意图；

图6是图3的作物培育架中所设置的根盒架的结构示意图；

图7是图3的根盒架中所设置的根盒的组装过程的示意图；

图8是本实用新型的气候舱中第一表型获取单元的整体结构示意图；

图9是图8中第一表型获取单元的俯视图；

图10是本实用新型的气候舱中第一表型获取单元以及第二表型获取单元安装方式的示意图；

图11为开口槽底部飞边结构。

图中，1表示第一方向滑动导轨；11表示根盒盖板；12表示根盒上端盖；13表示根盒骨架；14表示透光板；15表示磁条；2表示另一个第一方向滑动导轨；3表示图像采集设备；31表示滑板；32表示第二方向滑动导轨；33表示第三方向滑动导轨；4表示背景板；41表示遮光板的滚花结构；42表示侧挡板；5表示俯视视角图像采集设备；51表示下部滑动导轨；52表示中部滑动导轨；53表示顶部滑动导轨；6表示隔板；61表示补光灯；62表示喷头；63表示连接件；7表示根盒架；71表示把手；72表示凹槽结构；8表示作物培育架；81表示固定杆；82表示L型板，83表示称重传感器；9表示根盒固定架；21表示地面排风管；22表示侧面排风管；23表示顶部回风管。

具体实施方式

为使本实用新型实施例的目的和技术方案更加清楚，下面将结合本实用新型实施例的附图，对本实用新型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实用新型的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本实用新型的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。

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)具有与本实用新型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。

本实用新型中所述的“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。

本实用新型中所述的“内、外”的含义指的是相对于根盒本身而言，指向根盒内所容纳的作物的根系的方向为内，反之为外；而非对本实用新型的装置机构的特定限定。

本实用新型中所述的“左、右”的含义指的是使用者正对透光板方向时，使用者的左边即为左，使用者的右边即为右，而非对本实用新型的装置机构的特定限定。

本实用新型中所述的“上、下”的含义指的是使用者正对根盒所放置的工作平面时，由工作平面指向作物的方向即为上，反之即为下，而非对本实用新型的装置机构的特定限定。

本实用新型中所述的“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。

图1为根据本实用新型的一种用于高通量、高精度和低成本作物表型获取与分析的气候舱。其具有如下的特点：(1)控制作物培育光照、湿度、温度、CO₂浓度、O₃浓度等影响因素进行作物培育，(2)实现地上表型获取与分析，(3)实现地下表型获取，(4)可移动。这种气候舱能够解决现有气候室中不能开展精确、自动获取与分析作物表型的问题，还由于采用类似于集装箱的外部结构能够方便货车搬运。

该气候舱具体可设置如图1或图2所示，包括：

控制与展示区I，作物培育区II，表型获取区III，环境设备区IV。该气候舱可设置在集装箱中，并在集装箱上设置可供操作人员进出气候舱的前门，可供操作人员进行舱外操作和观察舱内状况的触摸显示器，可安装各种设备的气候舱箱体，可降低环境设备区温度的排风扇，可供操作人员进出环境设备区的侧门。集装箱内部设置有：

控制与展示区I，用于安装气候舱控制与分析系统，可设置光照、湿度、温度、CO₂浓度、O₃浓度等环境因素的控制单元实现舱内的环境条件可控，连接气候舱内部的环境传感器组，可实现光照、湿度、温度、CO₂等环境因素数据的实时采集，可进行数控编程控制表型获取区Ⅲ内的表型获取装置实现作物表型数据的采集，可开展环境条件影响下的表型数据综合分析，可实时观测作物培育区Ⅱ和表型获取区Ⅲ的状况；所述的控制与展示区I内还可设置壁挂式空调，为操作人员工作提供舒适的工作环境和为气候舱控制与分析系统设备提供适宜的运行环境；

作物培育区II设置有电动移门与控制与展示区I以及表型获取区III连接。其中一个电动移门由透明的玻璃材料制成，安装于控制与分析区I和作物培育区II之间，方便人员进出作物培育区II和在控制与分析区I观测作物培育区II内的状况；

表型获取区III的电动移门由不透明的材料制成，安装于作物培育区II和表型获取区III之间，方便人员进出表型获取区III，关门后能够保证在进行作物表型获取时整个表型获取区III内没有其他环境光线影响俯视图表型获取传感器组和侧视图表型获取传感器组的正常工作，便于表型数据的处理和分析。所述的表型获取传感器组可通过摄像头等图像采集设备实现。

所述的作物培育区II内设置有图3所示的作物培育架8，其包括：隔板，根盒，根盒架，带泵的营养液箱，水管，喷头，补光灯，环境传感器组等结构。其中，带泵的营养液箱安装于作物培育架的底部，气候舱控制与分析系统控制带泵的营养液箱内所容纳的营养液通过作物培育架8中的水管将营养液输送到作物培育架每层隔板中，由隔板内的喷头喷淋隔板下方的作物。

所述的喷头和补光灯安装于隔板下方，可用于提供作物生长所必须的营养液和光照。上述的作物培育区II，表型获取区III可统一设置为一个由环境设备区IV控制的气候舱，其具有气候舱控制与分析系统，可根据作物培育的需求实时调节喷头喷洒的营养液量和补光灯的光照强度。

作物培育区II的作物培育架8中，所述的隔板可采用图5所示的结构，参照图4所示的方式安装于该作物培育架的各层结构之间，可以根据培育作物的数量要求，安装多层隔板，每一层隔板都可以设置为上部表面四周凸起、中间凹平的结构，便于收集上层作物生长区域内喷头洒落的多余营养液。作物培育架中每层隔板的侧面还可进一步的安装环境传感器组，所述环境传感器组包括光照传感器、湿度传感器、温度传感器、CO₂传感器，靠近根盒内作物的生长区域设置，能够准确实时采集作物生长区域的环境参数。

参考图6所示，所述根盒架7的两端还分别设置有把手71，所述把手71的下方设置有图4所示根盒架7中的凹槽结构72，固定所述根盒架7。对于图4所示的作物培育架8而言，所述的根盒架7设置在作物培育架8上，所述物培育架8上设置有固定杆81，所述固定杆卡接进入所述根盒架7下方的凹槽结构72，支撑并固定各所述根盒。而对于图2所示的表型获取区III，获取作物表型时，所述根盒架7由作物培育架8上取下，放置在根盒固定架9上，所述根盒固定架9的上端卡接所述凹槽结构72固定所述根盒，防止根盒架前后晃动并支撑根盒架。采样过程中，各所述根盒的遮光板脱离与所述磁条15的吸合，采样设备透过各所述根盒的透光板14拍摄根盒内部作物的根系结构。其中的根盒固定架9可参考图9或图10所示，通过紧固螺栓安装于苗床的上表面，用于放置根盒架。所述的根盒固定架9可以按照获取作物俯视图表型的数据要求设置为相应的间隔，安装多个根盒固定架用于支撑多个根盒架，通过俯视图表型获取系统和侧视图表型获取系统分别获取多组作物的多角度图表型数据。

所述的作物培育架8的固定杆81下方设置有图4所示的连接作物培育架8竖直支柱的L型板82，L型板82的一侧连接该竖直支柱另一侧上表面设置称重传感器83。根盒架7通过螺钉连接安装在测重传感器上部，用于支撑根盒。测重传感器上方设置的固定杆81可以根据培育作物的数量要求，安装多个根盒架7。其中的测重传感器通过螺钉安装于L型板上，用于实时监测根盒架7重量变化，根据重量变化获得营养液的供给量，传输至控制与分析系统进行相应的数据记录。L型板通过螺钉安装于作物培育架上，用于支撑测重传感器、根盒以及根盒架。

在更为具体的实现方式下，所述的根盒由图7所示的根盒上端盖、根盒骨架、透光板、遮光板、侧挡板、磁条以及螺钉组成。根盒放置于根盒架的长方形孔内，根盒上端盖的外形尺寸大于根盒架上长方形孔内的外形尺寸，便于根盒搭在根盒架的上表面；根盒可提供作物生长必要的水培和土培环境，其长方形的形状和内部能够透光、外部设置能够遮光的特性便于作物的根茎叶的培育和表型提取。

为能够获得作物地下表型中更多的特征信息，所述的侧挡板42，其宽度被设置为不超过10-20毫米的范围，所述透光板14的宽度超出10毫米，其可将根盒容纳作物根系的厚度尺寸压缩至10毫米，在作物的前后两面限制其根系生长，作物的根系由此贴近所述的透光板生长，从而能够方便的被一般的图像采集设备获取。

所述的根盒骨架可通过3D打印技术制成。其每根骨架的内侧各有两个卡槽，共八个卡槽。其底部上表面还可另外有四个卡槽，便于透光板与侧挡板下侧边缘的安装与拆卸。每根骨架正面的外侧可各有两个卡槽，共四个卡槽，用于与磁条过盈配合。

其中，所述根系容纳空间的前、后两侧的立柱上的卡槽对应为与所述立柱的轴线相平行的第一滑槽，所述透光板14的两侧边缘分别插入相邻两根立柱表面的所述第一滑槽，所述透光板14沿所述第一滑槽向下移动至与所述底板的前侧边缘或后侧边缘抵接。透光板和侧挡板沿根盒骨架每根骨架内侧的卡槽和底部上表面的卡槽安装于根盒骨架上，可通过透光板实现根系的表型获取。

所述根系容纳空间的立柱上前、后两侧两侧面的卡槽对应为与所述立柱的轴线相平行的第一安装槽，所述第一安装槽内设置有磁条15，所述磁条15过盈的卡接进入所述第一安装槽内。

所述遮光板，至少其边缘设置为导磁材料，或者也可以整体为铁皮或其他不透明的导磁材料，所述导磁材料由所述磁条15吸合，固定在所述立柱表面。所述的磁条可设置为分别位于每根骨架正面的外侧卡槽中的四个，遮光板通过磁力吸附在磁条上，实现遮光作用。

为方便将根盒固定在根盒架上实现统一的搬运和固定，所述的根盒上端盖12的外侧边缘凸出于所述遮光板所在平面，由螺钉固定在所述立柱的上端面。所述的根盒放置于根盒架的长方形孔里，根盒上端盖的外形尺寸大于根盒架上长方形孔的外形尺寸，便于根盒搭在根盒架的上表面；根盒可提供作物生长必要的水培和土培环境，其长方体的形状和透光、遮光的特性便于作物的根茎叶的培育和表型提取。所述根盒上端盖12中部的通孔可具体设置为长方形，所述长方形的通孔内部还嵌入有根盒盖板11，所述根盒盖板11的中间设置有圆心孔或锥形孔，供容纳作物生长。

培育时，可将作物的种子或者已发芽带根系的种子安放在根盒盖板11的锥形孔里，该锥形孔可起到固定作物相对位置的作用，通过固定作物的位置便于作物表型的自动获取；

根盒盖板11通过侧面的若干凸起结构安装于根盒上端盖的开口槽中，侧面的若干凸起结构可以保证根盒盖板11卡在根盒上端盖的开口槽中.图11中，根盒上端盖的开口槽底部的飞边结构可以保证在安装根盒盖板11的过程中不至于导致根盒盖板11因受外力过大而压入根盒内部；

遮光板还可选择为沿根盒骨架每根骨架内侧的卡槽和底部上表面的卡槽插接安装于根盒骨架的立柱上，起到遮挡透光的作用。

当根盒放置在作物培育区时，遮光板处于安装状态，便于遮挡环境光，降低环境光对作物根系的影响；当根盒放置在表型获取区时，遮光板可以用磁铁吸出或拔出其所设置的卡槽，便于进行根系表型的获取。

当根盒放置在作物培育区时，遮光板处于安装状态，便于遮挡环境光，降低环境光对作物根系的影响；当根盒放置在表型获取区时，遮光板可取出，便于进行根系表型的获取；

遮光板表面还可设置滚花结构42，便于操作人员根据使用需求进行遮光板的安装和拆卸。

上述的表型获取区III中，将根盒通过根盒架7架设在工作平面中间的根盒固定架9上。在工作平面中根盒的两侧和上方设置用于获取作物表型的高通量拍照系统，用于拍摄作物的表型信息。该系统包括：设置在工作平面的第一表型获取单元，以及设置在工作平面上方的第二表型获取单元，分别用于获取作物水平视角下的表型特征以及俯视视角下的表型特征。

培育有作物的根盒按照图9或图10所示，沿第一方向排列为一直线放置在工作平面。所述的根盒至少其沿第一方向的两侧面可设置为透明，以方便获取根盒内部作物地下部分的图像，由该图像提取相应的作物的地下表型特征。所述的根盒，为方便其排列，可设置在由工作平面上的根盒固定架9所固定的长条状的根盒架91中。其中，根盒的顶部四周设置有超出主体结构边缘的飞边结构，根盒架开有对应根盒主体结构尺寸的通槽。根盒安装时，其根盒主体结构嵌套在根盒架上的通槽内，其飞边结构抵接在通槽上表面，实现对根盒的固定。所述的工作平面可以设置为一个能够容纳根盒以及相应表型获取单元的苗床。所述的根盒固定架在一些实现方式下，可通过紧固螺栓安装于苗床的上表面，其上放置根盒架91，根盒架91中沿直线设置各根盒，根盒在根盒架91长度方向的侧面设置为透明以供拍摄地下表型，或者，根盒不透明的状况下可以用于培育和固定作物以供拍摄地上表型。各根盒之间的间距需要按照获取作物俯视图表型的数据要求设置，保证作物之间不会在俯视拍摄时相互重叠造成干扰。

在一种实现方式下，参考图8，上述第一表型获取单元包括：

第一方向滑动导轨1，其平行于作物的根盒的一侧面，沿第一方向设置；

滑板31，其设置在所述第一方向滑动导轨1之上，沿所述第一方向滑动导轨1在第一方向上平移；

第二方向滑动导轨32，其下端与所述滑板31固定连接，所述第二方向滑动导轨32与所述滑板31的上表面保持垂直，沿第二方向设置；

第三方向滑动导轨33，其与所述第二方向滑动导轨32连接，朝向所述作物的根盒设置在第三方向上；

图像采集设备3，其设置在所述第三方向滑动导轨33中朝向所述根盒的一端，用于采集所述根盒和/或根盒内所容纳的作物在第一视角下的图像；

背景板4，其设置在所述图像采集设备3的一侧；

所述第三方向滑动导轨33沿所述第二方向滑动导轨32在第二方向上移动时，带动所述图像采集设备3同步移动，调节所述图像采集设备3相对于所述根盒和/或根盒内所容纳的作物的高度；所述第三方向滑动导轨33相对所述第二方向滑动导轨32在第三方向上移动时，所述带动所述图像采集设备3同步移动，调节所述图像采集设备3相对于所述根盒和/或根盒内所容纳的作物的距离。

为配合所述根盒，在较为优选的方式下，所述根盒沿所述第一方向排列为一排，所述图像采集设备3随所述滑板31沿所述第一方向滑动导轨1在第一方向上平移，顺次拍摄各所述根盒和/或根盒内所容纳的作物的图像。

考虑到作物两侧表型信息存在一定差别，为获取更为全面的表型特征，所述的第一表型获取单元可设置为两个，分别平行于根盒架设置在根盒的两侧。具体而言，两个所述第一表型获取单元中的第一方向滑动导轨1分别平行于第一方向设置在所述作物的根盒的两侧，与所述根盒同样的固定设置在同一工作平面上。各所述第一表型获取单元中的所述第三方向滑动导轨33以及各所述第三方向滑动导轨33端部的图像采集设备3、所述背景板4分别相对设置；两个所述第一表型获取单元分别拍摄各所述根盒和/或根盒内所容纳的作物不同侧的水平视角下的图像。

其中，为避免对侧表型获取单元以及环境背景对作物表型提取带来误差和额外计算量，上述的第一表型获取单元还分别设置有背景板，用于作为拍摄作物时的背景。此时，参照图8或图9所示，将两个所述第一表型获取单元中的滑板31同步的被驱动沿所述第一方向同步的平移，其中任一个第一表型获取单元中的图像采集设备3均始终保持正对于其对侧第一表型获取单元中的背景板4。

为获得作物冠部或整体枝叶的表型特征，一般还需要由上至下对作物进行拍摄以提取相应的特征。此视角需要设置第二表型获取单元。在一种实现方式下，所述的第二表型获取单元，其包括：

顶部滑动导轨53，其包括平行于所述第一方向滑动导轨1分别沿第一方向固定在所述作物的根盒上方的两根，两根所述顶部滑动导轨53分别设置在所述作物的根盒的两侧；

中部滑动导轨52，其两端分别连接两根所述顶部滑动导轨53，所述中部滑动导轨52在所述顶部滑动导轨53的下侧沿所述第一方向平移；

下部滑动导轨51，其上端与所述中部滑动导轨52连接，其下端固定有第二视角图像采集设备5，所述下部滑动导轨51垂直于所述中部滑动导轨52以及所述顶部滑动导轨53，沿第二方向相对所述中部滑动导轨52移动；

所述第二视角图像采集设备5，其向下朝向所述根盒的顶部固定在所述下部滑动导轨51的下端，所述第二视角图像采集设备5用于采集所述根盒和/或根盒内所容纳的作物在第二视角下的图像。

在更为具体的实现方式下，上述的第一方向、第三方向和第二方向可分别对应于XYZ三个方向。X-Y平面形成所述工作平面，或苗床平面。

由此，本实用新型中可通过第一表型获取单元安装相应的侧视图表型获取传感器组，获取侧视视角下的作物表型数据。所述的侧视图表型获取传感器组安装于第一表型获取单元中相应的Y向滑动导轨上。所述的侧视图表型获取传感器组在一些实现方式下，具体可包括可见光传感器、多光谱传感器、高光谱传感器、热成像传感器、激光雷达传感器等。其可通过能够输出X向驱动力的伺服电机和对应该伺服电机的X向滑动导轨带动侧视图表型获取传感器组，沿作物根盒架平移，从而实现对侧视图表型的获取。所述的传感器组中，各传感器的焦距可调。

背景板安装于侧视图表型获取系统的Y向滑动导轨，通过Y向伺服电机和Y向滑动导轨带动背景板。上述的整体高通量拍照系统可设置在气候舱的环境中。气候舱环境按照设定要求进行调节和记录，以对应各表型数据，为表型和环境的作用关系的研究提供数据基础。气候舱中设置有控制与分析系统，其能够同时控制两套侧视图表型获取系统相互配合：当一侧的侧视图表型获取系统的侧视图表型获取传感器组开始获取表型数据时，另外一侧的侧视图表型获取系统需带动其上所设置的背景板移动至对应该侧视图表型获取传感器组的位置，在该侧视图表型获取传感器组拍摄成像的过程中将单一颜色矩形形状的背景板作为背景，获取作物茎、叶和根系等器官的一侧表型数据。背景板的设置有利于后期表型数据的处理和分析。气候舱控制与分析系统控制两套侧视图表型获取系统相互配合，可完成对作物茎、叶和根系等器官的两个侧面的表型数据获取。

为保证图像的采集效果，上述的气候舱中，还可进一步的在工作平台上方顶部设置照明系统。气候舱控制与分析系统可根据使用需求，在拍摄时控制开启照明系统，在结束拍摄时关闭以减少外界光照对裸露的作物根系的影响。

为获得俯视视角下的作物表型数据，上述的第二表型获取单元具体可设置为安装于气候舱箱体顶部的俯视图表型获取系统。其包括XYZ三个方向的伺服电机、XYZ三个方向的滑动导轨、俯视图表型获取传感器组构成的第二视角图像采集设备5。气候舱控制与分析系统可根据作物茎叶等器官的俯视图表型数据的获取需求，实时控制XYZ三个方向的伺服电机驱动XYZ三个方向的滑动导轨，从而带动俯视图表型获取传感器组实现对多组作物俯视图表型数据的获取。气候舱控制与分析系统可控制俯视图表型获取传感器组实时、定时、定点的获取多组作物俯视图表型数据，继而完成多组作物俯视图表型数据的存储、传输及表型数据分析。

所述的俯视图表型获取传感器组安装于俯视图表型获取系统的Z向滑动导轨的下端，其可设置为包括可见光传感器、多光谱传感器、高光谱传感器、热成像传感器、激光雷达传感器等多种传感器。所述的俯视图表型获取传感器组通过Z向伺服电机的驱动而随Z向滑动导轨同步移动，从而实现俯视视角下不同位置作物表型的拍摄。所述的俯视图表型获取传感器组中各传感器的焦距可调，便于自动表型获取。

上述的第一表型获取单元、所述第二表型获取单元还分别设置有对应所述第一方向(例如，X轴方向)、所述第二方向(例如，Y轴方向)、所述第三方向(例如，Z轴方向)的驱动装置，各所述驱动装置，包括三个方向的伺服电机以及分别与各所述伺服电机的驱动轴连接的传动组件。传动组件相应的驱动三个方向的滑动导轨的连接结构移动，实现对侧视图表型获取传感器组、背景板或俯视图表型获取传感器组位置的调节。在较为典型的实现方式下，所述的传动组件可通过伺服电机，以及与所述伺服电机的驱动轴连接滚珠丝杠螺母副实现对图像采集设备的驱动。各视角的图像采集设备分别与对应其所在方向的滚珠丝杠螺母副连接，所述伺服电机驱动滚珠丝杠螺母副沿第一方向、第二方向、或第三方向运动，带动对应视角的图像采集设备随同改方向上的滚珠丝杠螺母副同步移动。

为保证两个第一表型获取单元能够同步移动，保证采集作物表型时背景板能够配合摄像头的位置设置在摄像头的对侧作为作物表型拍摄的背景遮挡作物后方复杂环境减少表型提取所需的图像处理工作。在较为优选的实现方式下，上述的两个第一表型获取单元上的图像采集设备可使用同一型号的伺服电机及滚珠丝杠螺母副驱动。设置两个第一表型获取单元初始状态下的两个图像采集设备均位于同一起始位置，两个伺服电机同时起动，两个伺服电机始终保持同一转向及转速，这样就能够保证图像采集设备及对应的背景板同步被驱动。保证作物表型采集过程中，图像采集设备均能够对应背景板，由背景板作为作物的背景，简化从复杂环境中提取作物表型特征的步骤。

气候舱中的气候舱控制与分析系统可根据作物茎、叶和根系等器官的侧视图表型数据的获取需求实时控制XYZ三个方向的伺服电机驱动XYZ三个方向的滑动导轨，从而带动相应的表型获取传感器组实现对多组作物侧视图表型数据的获取。气候舱控制与分析系统可控制表型获取传感器组实时、定时、定点的获取多组作物侧视图表型数据，对该数据进行存储和图像识别特征提取等处理工作，继而完成多组作物侧视图表型数据的存储、传输及表型数据分析。

在一些实现方式下，还可进一步的将监控系统安装于气候舱的顶部。由此，气候舱控制与分析系统可根据使用需求实时监控舱内的状况，可实时显示在舱外的触摸显示屏上。

为进一步监控调节整个作物培育和表型提取过程中作物所处环境，本实用新型还进一步的在集装箱内部设置网状板，在网状板和集装箱内壁之间设置气体系统。其包括：空调装置，CO₂发生或供给装置，O₃发生或供给装置，加湿装置，混气阀，地面排风管，侧面排风管，顶部回风管，地面网状板，侧面网状板。空调装置具有升温、降温、新风、除湿等可控环境功能；CO₂发生或供给装置采用储气罐，定期更换CO₂可提供作物生长所需的CO₂气体；O₃发生或供给装置可提供作物消毒、预防病虫害所需的O₃气体；加湿装置可提供环境加湿功能；地面排风管上有若干出风孔，安装于作物培育区Ⅱ和表型获取区Ⅲ内气候舱箱体的底部；侧面排风管上有若干出风孔底面出风孔以及侧面排风管，由下往上送风调节室内温度，由顶部回风管回风实现气体循环。

上述的气体系统安装于作物培育区Ⅱ和表型获取区Ⅲ内气候舱箱体的两侧；顶部回风管上有若干回风孔，安装于作物培育区Ⅱ和表型获取区Ⅲ内气候舱箱体的顶部；地面网状板安装于作物培育区Ⅱ和表型获取区Ⅲ内气候舱箱体的底部，且可以覆盖地面排风管，实现底部的均匀排风；侧面网状板安装于作物培育区Ⅱ和表型获取区Ⅲ内气候舱箱体的两侧，且可以覆盖两侧侧面排风管，实现两侧的均匀排风；气候舱的内部接近作物的位置布置有CO₂浓度检测装置、O₃浓度检测装置和湿度检测装置，通过检测获得环境参数输出至控制与分析系统控制，由其调节环境设备区IV中空调装置、CO₂发生或供给装置、加湿装置产生气体，通过控制混气阀阀芯的开合程度进行气体的搭配。混气阀调节好管道内气体后，由地面排风管和侧面排风管将混合气体输入气候舱的作物培育区Ⅱ和表型获取区Ⅲ内，从而实现气候舱的底部、侧面的均匀排风和环境因素控制。而后，经顶部回风管将气候舱舱内气体输送回到空调装置，从而实现整个气候舱舱内气体的循环利用，降低气候舱的整体能耗。

上述作物培育区Ⅱ和表型获取区Ⅲ内，还可将照明系统安装于气候舱的顶部，同样的通过气候舱控制与分析系统，根据使用需求控制开关照明系统。

上述气体、温度、湿度、光照等环境参数可实时通过安装于气候舱顶部或设置在作物附近的监控系统获得，由气候舱控制与分析系统根据使用需求实时监控舱内的状况，实时在舱外的触摸显示屏上显示上述环境参数。

由此，本实用新型通过对作物根盒、表型获取单元以及气候舱的整体设计，可方便对作物的培育，还可同时对作物进行高通量、高精度、低成本的作物表型获取与分析功能。其利用环境舱中对环境的控制，还可同时开展不同环境因素影响下对作物茎、叶等地上部分器官和根系等地下部分器官的高通量、高精度、低成本的作物表型获取与分析。

本实用新型可同时提供开展作物培育和高通量、高精度、低成本的作物表型获取与分析功能；可同时提供开展环境因素影响下作物茎、叶等地上部分器官和根系等地下部分器官的高通量、高精度、低成本的作物表型获取与分析功能。

以上仅为本实用新型的实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本实用新型专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些均属于本实用新型的保护范围。

Claims (9)

1.一种作物表型高通量获取装置，其特征在于，设置于气候舱内，包括：

根盒，其在工作平面上沿第一方向排列为一条直线，每一个所述根盒均分别设置为两侧面透明的扁平长方体结构，所述根盒中透明的两侧面之间的间距在10mm-20mm范围内，各所述根盒中透明的两侧面平行于所述第一方向设置；

第一表型获取单元，包括设置于根盒所在平面的两个，两个所述第一表型获取单元分别平行于第一方向设置在所述根盒的两侧，各所述第一表型获取单元分别用于获取根盒所容纳的作物在对应于根盒中透明的两侧面的侧视视角下的表型信息；

第二表型获取单元，其设置在根盒所在平面的上方，用于获取根盒所容纳的作物在俯视视角下的表型信息。

2.如权利要求1所述的作物表型高通量获取装置，其特征在于，所述根盒包括：根盒骨架(13)，其具有多根立柱，以及连接各所述立柱底端的底板，所述立柱与所述底板形成扁平长方体结构的根系容纳空间，容纳作物的根系，所述底板的边缘还设置有卡槽；

侧挡板(42)，其设置在所述根系容纳空间的左、右两侧，与所述立柱固定连接，所述侧挡板(42)的底部紧密连接至所述底板的边缘；

透光板(14)，其设置在所述根系容纳空间的前、后两侧，与所述立柱插接连接，所述侧挡板(42)为透明材质，所述侧挡板(42)的底部卡接进入底板边缘的卡槽内，所述透光板(14)、所述立柱以及所述侧挡板封闭所述根系容纳空间；各所述根盒中，前、后两侧透光板(14)之间的间距在10mm-20mm范围内，各所述根盒的透光板(14)在工作平面上沿所述第一方向排列在一条直线上；

遮光板，其贴近所述透光板(14)，设置在各所述透光板(14)的外侧，与所述根系容纳空间中各立柱可拆卸的连接；

根盒上端盖(12)，其固定连接在各所述立柱的上端，所述根盒上端盖(12)的中部留有供容纳作物生长的通孔。

3.如权利要求1所述的作物表型高通量获取装置，其特征在于，各所述第一表型获取单元包括：

第一方向滑动导轨(1)，其平行于作物的根盒中透明的侧面，沿第一方向设置在所述根盒的外侧；

滑板(31)，其设置在所述第一方向滑动导轨(1)之上，沿所述第一方向滑动导轨(1)在第一方向上平移；

第二方向滑动导轨(32)，其下端与所述滑板(31)固定连接，所述第二方向滑动导轨(32)与所述滑板(31)的上表面保持垂直，沿第二方向设置；

第三方向滑动导轨(33)，其与所述第二方向滑动导轨(32)连接，朝向所述作物的根盒设置在第三方向上；

图像采集设备(3)，其设置在所述第三方向滑动导轨(33)中朝向所述根盒的一端，用于采集所述根盒和/或根盒内所容纳的作物在对应于根盒中透明的两侧面的侧视视角下的图像；

背景板(4)，其设置在所述图像采集设备(3)的一侧；

所述第三方向滑动导轨(33)沿所述第二方向滑动导轨(32)在第二方向上移动时，带动所述图像采集设备(3)同步移动，调节所述图像采集设备(3)相对于所述根盒和/或根盒内所容纳的作物的高度；所述第三方向滑动导轨(33)相对所述第二方向滑动导轨(32)在第三方向上移动时，所述带动所述图像采集设备(3)同步移动，调节所述图像采集设备(3)相对于所述根盒和/或根盒内所容纳的作物的距离。

4.如权利要求3所述的作物表型高通量获取装置，其特征在于，所述第二表型获取单元包括：

顶部滑动导轨(53)，其包括平行于所述第一方向滑动导轨(1)分别沿第一方向固定在所述作物的根盒上方的两根，两根所述顶部滑动导轨(53)分别设置在所述作物的根盒的两侧；

中部滑动导轨(52)，其两端分别连接两根所述顶部滑动导轨(53)，所述中部滑动导轨(52)在所述顶部滑动导轨(53)的下侧沿所述第一方向平移；下部滑动导轨(51)，其上端与所述中部滑动导轨(52)连接，其下端固定有俯视视角图像采集设备(5)，所述下部滑动导轨(51)垂直于所述中部滑动导轨(52)以及所述顶部滑动导轨(53)，沿第二方向相对所述中部滑动导轨(52)移动；

所述俯视视角图像采集设备(5)，其向下朝向所述根盒的顶部固定在所述下部滑动导轨(51)的下端，所述俯视视角图像采集设备(5)用于采集所述根盒和/或根盒内所容纳的作物在俯视视角下的图像。

5.一种气候舱，其特征在于，包括：

作物培育区(II)，其内部四周设置有：地面排风管(21)、侧面排风管(22)，顶部回风管(23)，所述地面排风管(21)和/或侧面排风管(22)连接在混气阀的输出端，所述混气阀的输入端连接有空调装置、二氧化碳供给装置、臭氧供给装置、加湿装置，所述顶部回风管(23)将所述作物培育区(II)内的气体送回空调装置再由所述空调装置通过所述地面排风管(21)和/或侧面排风管(22)循环供给至所述作物培育区(II)；

表型获取区(III)，其设置电动移门，所述电动移门的一侧连接所述表型获取区(III)，所述电动移门的另一侧连接所述作物培育区(II)，所述表型获取区(III)内部设置有如权利要求1所述的作物表型高通量获取装置；环境设备区IV，用于固定安装所述空调装置、二氧化碳供给装置、臭氧供给装置、加湿装置。

6.如权利要求5所述的气候舱，其特征在于，所述地面排风管(21)、侧面排风管(22)，顶部回风管(23)由所述作物培育区(II)延伸并连通至所述表型获取区(III)，所述作物培育区(II)以及所述表型获取区(III)中还设置有环境传感器组，所述环境传感器组用于采集所述作物培育区(II)以及所述表型获取区(III)中的环境数据调节所述空调装置、二氧化碳供给装置、臭氧供给装置、加湿装置的工作状态。

7.如权利要求6所述的气候舱，其特征在于，所述作物培育区(II)中还设置有作物培育架(8)，所述作物培育架(8)设置为多层结构，所述作物培育架(8)的每一层中均分别排列有相互平行的多个根盒架(7)；所述作物培育架(8)的顶层以及各层结构之间还分别设置有隔板(6)，所述隔板(6)的中部排列有喷头(62)用于向下方的作物喷淋水分以及营养，所述隔板(6)的长度方向上还均匀的排列有多个补光灯(61)用于提供光照，所述隔板(6)的上表面设置为四周凸起、中间凹平，所述隔板(6)的上表面用于收集上一层喷淋的水分以及营养；

所述根盒架(7)为长板结构，沿所述长板结构的长度方向设置有多个根盒安装槽，各根盒分别穿过各所述根盒安装槽，由根盒上端盖(12)的下部边缘抵接所述根盒安装槽的上表面，将各所述根盒固定在所述长板结构下，所述根盒架(7)的两端还分别设置有把手(71)，所述把手(71)的下方设置有凹槽结构(72)，所述凹槽结构(72)与所述作物培育架(8)卡接固定，将各所述根盒架(7)架设在所述作物培育架(8)的各层隔板(6)之间。

8.如权利要求6所述的气候舱，其特征在于，所述环境传感器组包括光照传感器、湿度传感器、温度传感器、CO₂传感器，所述环境传感器组安装于作物培育架中每层隔板的侧面，靠近根盒内作物的生长区域设置。

9.如权利要求5所述的气候舱，其特征在于，所述作物培育区(II)、表型获取区(III)和环境设备区(IV)设置在同一由集装箱内，由所述集装箱封闭。

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