CN212179805U - 一种田间作物根系表型的多通道获取系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种田间作物根系表型的多通道获取系统，其包括根系检测通道、设置在根系检测通道上的玻璃视窗以及设置在根系检测通道之间的根管和监测仪。本发明通过驱动监测仪沿根管在作物根系生长区域的地下水平运行，从而通过内窥式的拍摄方式获得各根管沿线360°范围内作物根系的分布状况。本发明可以在最接近自然的状态下，通过多通道根管监测系统进行田间作物根系表型的获取与分析，解决了现有根系监测设备存在的不能开展田间大批量实验、不能开展精确、自动获取与分析作物根系表型的问题。

Description

一种田间作物根系表型的多通道获取系统

技术领域

本发明涉及田间作物培育技术领域，具体而言涉及一种田间作物根系表型的多通道获取系统。

背景技术

作物表型是由基因与环境相互作用产生的部分或者全部可辨识的物理、生理和生化特征及性状。其包括作物的结构、组成以及生长发育过程，其不仅反映了分子水平上的表达调控，同时反映了植物的生理生化、形态解剖、胁迫抗性等复杂性状。

作物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。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。

植物根系是植物的重要组成部分，具有非常重要的功能，如水分和养分的吸收与转运、有机物贮藏、植株锚定及与土壤互作等。植物根系发育情况对于许多植物研究工作至关重要,它关系着植物最佳处理时间的选择、处理前植物生长发育状态的一致性、处理过程中植物根系响应的及时反馈等一系列过程。因此，根系表型性状的采集和分析已成为生物学及表型组学研究的重点和难点。由于土壤不可观测性的限制，根系表型采集的核心在于如何原位观察根系生长。

传统根系研究工作往往依赖于人工手动检测小样本植物根系的个别性状，因此数据量有限，效率低，难以开展植物根系多种性状的综合分析，且容易引入人为因素，极易导致测量数据的误差。现有的根系表型获取手段，其可分析样本的规模小、成本高、费时费力，缺乏规范性且测量精度较低，已成为制约植物基因组功能分析和分子育种发展的瓶颈。随着植物基因组学研究和分子育种的快速发展，急需高通量、高精度和低成本的根系表型分析装置来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。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提供一种田间作物根系表型的多通道获取系统。本发明具体采用如下技术方案。

为实现上述目的，提出一种田间作物根系表型的多通道获取系统，其包括：根系检测通道，其包括相互平行地埋设在作物根系生长区域边缘的至少两个，所述根系检测通道埋入地下的深度至少达到作物根系的生长深度范围；根管，其设置在相互平行的根系检测通道之间，所述根管贯穿作物根系生长区域；监测仪，其设置在各根管内，沿根管在作物根系生长区域的地下水平运行，所述监测仪在所述根管内沿根管的周向旋转，拍摄各根管沿线360°范围内作物根系的分布状况。

可选的，上述任一的田间作物根系表型的多通道获取系统，其中，所述根系检测通道，其靠近作物根系的侧壁还设置有玻璃视窗，作物根系生长区域边缘的作物，其根系贴近所述玻璃视窗生长。

可选的，上述任一的田间作物根系表型的多通道获取系统，其中，所述玻璃视窗，其设置在根系检测通道中靠近作物根系的侧壁，作物根系生长区域边缘的作物，其根系贴近所述玻璃视窗生长。

可选的，上述任一的田间作物根系表型的多通道获取系统，其中，所述玻璃视窗上还设置有卷帘结构，卷帘结构由玻璃视窗顶部放下，遮挡射入作物根系生长区域内的光线，或者在拍摄玻璃视窗上作物根系分布状况时向上卷起由采光井所引入的自然光或为根系检测通道内的照明设备为根系拍摄提供照明。

可选的，上述任一的田间作物根系表型的多通道获取系统，其中，所述根管包括有相互平行间隔设置在作物根系生长区域内的多组，每一组中均分别包括分别水平设置在作物根系生长区域内不同深度的多根，各根根管之间相互平行，每一根根管内均分别设置有监测仪，各监测仪分别在所述根管内水平移动并沿根管的周向旋转，拍摄各根管沿线360°范围内作物根系的分布状况。

可选的，上述任一的田间作物根系表型的多通道获取系统，其中，所述根管设置为N排M列的阵列，每一排根管之间间距相等，每一列根管之间其埋设在作物根系生长区域内的深度相差相同，根管埋设的最深深度不超过所述根系检测通道埋入地下的深度，每一根根管内均分别设置有监测仪，各监测仪分别在所述根管内水平移动并沿根管的周向旋转，拍摄各根管沿线360°范围内作物根系的分布状况。

可选的，上述任一的田间作物根系表型的多通道获取系统，其中，所述根管设置为5排5列的阵列，其中各排根管之间间距大于各列根管之间的间距。

可选的，上述任一的田间作物根系表型的多通道获取系统，其中，所述每一根根管，其均包括有连接为一直线的多个透明管，各透明管的首端和尾端分别设置有连接部，相邻透明管的连接部相互插接固定或相互螺纹拧接固定，每一根根管其首端的透明管以及尾端的透明管的端部还分别设置有密封盖，所述密封盖为不透明材质，遮挡由端部射入根管内的光线。

可选的，上述任一的田间作物根系表型的多通道获取系统，其中，所述监测仪主体为圆柱结构，所述监测仪设置在所述透明管所连接形成发根管内部；所述监测仪的一端或两端设置有运动模块，其包括沿圆柱结构周向转动的转动轮，还包括沿圆柱结构轴向转动的驱动轮，所述监测仪由驱动轮驱动在所述根管内沿根管轴向水平移动，由转动轮驱动在根管的周向旋转；所述监测仪的中部设置有LED光源，其在监测仪拍摄根管沿线360°范围内作物根系的分布状况时为监测仪中的图像获取单元提供拍摄所需照明，至少照亮图像获取单元的拍摄区域；数据处传输存储模块，其设置在监测仪内，与图像获取单元电连接，存储监测仪在根管内不同位置所拍摄的不同角度下的作物根系的分布状况的照片。

有益效果

本发明通过根系检测通道、设置在根系检测通道上的玻璃视窗以及设置在根系检测通道之间的根管和监测仪，以内窥的方式，驱动监测仪沿根管在作物根系生长区域的地下水平运行，从而拍摄获得各根管沿线360°范围内作物根系的分布状况。本发明可以在最接近自然的状态下，通过多通道根管监测系统进行田间作物根系表型的获取与分析，解决了现有根系监测设备存在的不能开展田间大批量实验、不能开展精确、自动获取与分析作物根系表型的问题。

本发明的根管可设置为贯穿整个作物根系生长区域，因而，可以通过对根管四周的扫描，高通量、高精度地实现对田间根系作物根系表型的获取与分析。本发明相对现有技术，能够在不影响作物生长，保证采样准确率的基础上，提高对作物地下表型的获取效率和采集精度。

本发明还可进一步的通过根系检测通道边上的玻璃视窗进一步完整直观地获得作物完整根系的生长形态信息。这种方式能够直接利用现有图像扫描设备直接进行扫描，直接提取作物根系的表型数据，还能够为研究者提供更为直观的作物根系表型数据，其数据采集效率更高，且能够区别根管做属于的平面，从作物根系的另一个视角获得其精度更佳的采样数据。

为避免获取作物表型时外部环境对作物根系的影响，本发明时进一步地在根管的两端设置密封盖，在玻璃视窗上设置卷帘结构实现对外部光照的遮挡，避免外部光线影响作物根系自然生长环境，避免影响表型表达准确性。

本发明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，或者通过实施本发明而了解。

附图说明

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

图1是本发明的田间作物根系表型的多通道获取系统的整体结构示意图；

图2是本发明的田间作物根系表型的多通道获取系统侧部的示意图；

图3是本发明多通道获取系统中根管结构的示意图；

图4是本发明多通道获取系统中根管结构的安装设备的示意图；

图5是本发明多通道获取系统中根管结构的安装设备中钻头的示意图。

图中，1表示玻璃视窗；2表示根管；21表示转盘；22表示小型液压支撑杆；23表示电机；24表示排水口；25表示检测圆环；3表示采光井；4表示根系检测通道；5表示滑动导轨；6表示监测仪；61表示LED光源；62表示数据处传输存储模块；63表示运动模块；71表示限位板；72表示减震柱；73表示L形活动架；74表示环状托架；75表示支撑底座；76表示大型液压支撑杆；77表示激光测距仪；78表示支撑板；79表示阀门；791表示连接装置。

具体实施方式

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

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)具有与本发明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。

本发明中所述的“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。

本发明中所述的“内、外”的含义指的是相对于根管本身而言，指向根管内部监测仪的方向为内，反之为外；而非对本发明的装置机构的特定限定。

本发明中所述的“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。

本发明中所述的“上、下”的含义指的是相对于多通道获取系统本身而言，由地表指向根系检测通道内部滑动导轨所设置的底部的方向即为下，反之即为上，而非对本发明的装置机构的特定限定。

参考图1，本发明提供一种田间作物根系表型的多通道获取系统，其为多通道监测系统，采用内窥式图像获取装置，可实时、动态、全天候地采集多种植物根系土壤水分、温度以及作物根系生长参数的数据和图像。参考图2所示，该系统具体包括：

根系检测通道4，其包括相互平行地埋设在作物根系生长区域边缘的至少两个，所述根系检测通道4埋入地下的深度至少达到作物根系的生长深度范围；

玻璃视窗1，其设置在根系检测通道4中靠近作物根系的侧壁，作物根系生长区域边缘的作物，其根系贴近所述玻璃视窗1生长；

根管2，其设置在相互平行的根系检测通道4之间，所述根管2贯穿作物根系生长区域；

监测仪6，其设置在各根管2内，沿根管在作物根系生长区域的地下水平运行，所述监测仪6在所述根管2内沿根管的周向旋转，拍摄各根管沿线360°范围内作物根系的分布状况。

所述的根系检测通道4，其顶部设置有采光井3，所述采光井3为透明材质，将自然光引入根系检测通道4内提供照明。为避免照明光线影响作物根系生长，避免拍摄根系表型时引入误差，本发明还可相应的在所述玻璃视窗1上设置卷帘结构。卷帘结构可在平时由玻璃视窗1顶部放下，遮挡射入作物根系生长区域内的光线，或者在拍摄玻璃视窗1上作物根系分布状况时向上卷起由采光井3所引入的自然光或为根系检测通道4内的照明设备为根系拍摄提供照明。

所述的根管，其可设置为多段式透明结构，其内部供360度多层次旋转式图像监测仪行走扫描拍摄根管周围根系分布，根管端部伸出至根系检测通道4内，为避免光线影响根管周围作物根系，还可进一步在根管端部设置密封盖。

所述的根管，其可设置为图1所示的阵列结构，比如，设置成5排5列的组合形式。每一排根管之间间距相等，每一列根管之间其埋设在作物根系生长区域内的深度不同，相邻根管埋设的深度差可设置为相差相同，根管之间相互平行间隔地埋设在作物根系生长区域内。其中，埋设的最深的根管其深度不超过所述根系检测通道4埋入地下的深度，每一根根管内均分别设置有监测仪6，各监测仪6分别在所述根管2内水平移动并沿根管的周向旋转，拍摄各根管沿线360°范围内作物根系的分布状况。

所述监测仪6，其为了获取整个作物根系生长区域内全部各作物的所有角度下的根系结构，其结构可设置为图3所示的圆柱结构。所述监测仪6设置在所述透明管所连接形成发根管2内部其一端或两端设置有运动模块63实现对监测仪的驱动。所述的运动模块63，其包括沿圆柱结构周向转动的转动轮，还包括沿圆柱结构轴向转动的驱动轮，所述监测仪6由驱动轮驱动在所述根管2内水平移动，由转动轮驱动在根管的周向旋转。所述监测仪6的中部设置有LED光源61，其在监测仪6拍摄根管沿线360°范围内作物根系的分布状况时为监测仪6中的图像获取单元提供拍摄所需照明，至少照亮图像获取单元的拍摄区域。数据处传输存储模块62，其设置在监测仪6内，与图像获取单元电连接，存储监测仪6在根管内不同位置所拍摄的不同角度下的作物根系的分布状况的照片。其拍摄过程可通过监测仪内部的控制单元或通过外部的遥控设备按照如下的方式进行：

步骤a1，将监测仪6参考图3所示的方式设置在各根管2内，记录其相对根管2的位置；

步骤a2，开启监测仪6中的LED光源61，沿根管水平轴向驱动监测仪6的驱动轮，推动监测仪6沿根管向对侧行走，并在此过程中，每移动一个拍摄距离均分别驱动监测仪6的转动轮，推动监测仪6沿根管的周向旋转360°，并在旋转过程中拍摄根管沿线360°范围内作物根系的分布状况的照片；

步骤a3，分别存储拍摄的作物根系分布状况的照片以及其拍摄时监测仪6相对根管2的位置，按照拍摄顺序或位置顺序，将各监测仪6所获得的根管沿线360°范围内作物根系的分布状况的照片拼接为作物根系不同深度下分布状况的完整图片。

为给作物提供充足的根系生长空间，可设置各根管之间各排根管之间间距大于各列根管之间的间距。各排根管之间供作物根系生长，对作物根系进行采样时，需要对不同深度下根系图片进行拼接，因此设置根管深度方向的间距较小，避免遗漏根系结构未被采样。

所述的根管其可设置为由多个透明管平拼接成一根直线管道的结构。各透明管的首端和尾端分别设置有连接部，相邻透明管的首端或尾端相互插接固定或相互螺纹拧接固定，每一根根管2其首端的透明管以及尾端的透明管的端部还分别设置有密封盖，所述密封盖为不透明材质，用于遮挡由端部射入根管2内的光线。

为安装所述的根管，可在根系检测通道4中设置图4所示的打孔装置进行施工。所述的打孔装置包括：导向钻杆、转盘、电机23、设备保护壳、L形活动架73、环状托架74、小型液压支撑杆22、大型液压支撑杆76、液压动力单元、限位板71、支撑板78、减振柱72、支撑底座75、阀门79、连接装置791、水箱和激光测距仪77。其中，所述导向钻杆内部中空，头部开设有排水槽，底部设有连接透明根管的螺纹；所述导向钻杆的动力源由电机与液压动力单元组成，所述电机通过外部安装有设备保护壳，所述电机的壳体搭载于L形活动架上，通过壳体两侧装载的小型液压支撑杆与所述环状托架前端连接，在液压动力单元的控制下推动电机壳体相对环状托架水平移动，完成透明根管的装卸；

所述环状托架搭载于L形活动架上，前端与后端通过大型液压支撑杆连接，在液压动力单元的控制下配合电机实现打孔功能；所述限位板与所述支撑板通过减振柱与支撑底座连接，实施时将所述限位板上的限位孔与预留孔位对齐，实现定位并且降低振动影响；所述支撑底座通过插销与L形活动架的行程限位孔连接，可以配合实际需求调节行程，通过在支撑底座两侧安装减振柱，达到缓震效果；

所述水箱通过连接装置与转盘连接，通过阀门与软管运输水至钻杆的中空管壁内，在打孔装置工作时，水从钻杆顶部的排水槽流出，减少工作阻力；

所诉激光测距仪包括检测圆环、激光发射器与控制处理器，所述检测圆环安装于导向钻杆中心，在检测圆环的上表面刻设有纵横交错的刻度线和与所述刻度线对应的刻度值以便读出激光发射器发出光束在检测圆环上的投射点相对坐标零点的偏移量；所诉激光发射器设置于多通道打孔装置后端，与控制处理器连接，所述激光定位仪用于指示打孔位置；所述多通道打孔装置通过控制液压动力单元收缩小型液压支撑杆完成导向钻杆与转盘的装配，通过大型液压支撑杆与电机的配合，实现钻头的旋转前进，完成打孔操作。

施工过程中：

首先，在开设好的根系检测通道4中固定打孔装置，将打孔装置的导向钻杆设置为对准另一侧根系检测通道4中安装根管的方向；

然后，将透明管拧接固定在打孔装置的导向钻杆的后端，固定在打孔装置上，所述导向钻杆前端钻头的位置设置有图5所示的检测圆环25和排水口24；

第三步，通过排水口24向钻头供水，并同时驱动导向钻杆旋转向前钻孔，钻孔过程中，由设置在打孔装置后侧的激光测距仪对准钻头上设置的检测圆环25修正钻孔方向；

第四步，当一节透明管钻入作物根系生长区域内时，将该透明管的后端从打孔装置上拆卸下，将下一节透明管的前端拧接固定在钻入作物根系生长区域内的透明管的后端，将该下一节透明管的后端拧接固定在打孔装置上；

第五步，重复第三步以及第四步，直至导向钻杆直接连接的第一节透明管到达另一侧根系检测通道4中安装根管的位置后，拆卸下所述导向钻杆，在作物根系生长区域内的由透明管连接形成的根管的端部安装密封盖；

第六步，将打孔装置移动至下一根管的安装位置，按照上部第一步至第五步的步骤完成全部各根管的安装。

由此，本发明将所述多段式根管的圆柱形透明管道水平放置于作物种植点正下方，通过透明管前后端所设有的螺纹，将多节透明管通过螺纹连接成不同深度的根系监测通道，从而在竖直方向均匀排布组成一组通道，并进一步的在水平方向均布排列构成多组通道；

本发明中采样所使用的360度多层次旋转式图像监测仪，其通过柱型360度旋转主机、LED光源、运动模块、供电电源和数据传输存储模块实现对地下不同深度不同角度不同位置根系分布状况的采样。所述主机通过数据传输存储模块接受远程控制指令后控制运动模块在通道内移动，配合LED光源可实时监测不同深度植物根系原位生长状况,实时、定时、定点的获取多组作物根系表型数据；通过采集分布在不同深度根管附近的作物根系图像，进行不同时间与空间多幅图片的拼接，保证对植物根系全面信息的获取；

所述根系监测管道两端装配密封盖，营造避光环境，避免外界光线对根系的影响；

本发明所提供的田间作物根系表型的获取装置，其能够通过内窥式图像获取技术无损伤、可持续、高频率跟踪观测、原位采集土壤根系信息，避免水培或凝胶培养等此类不能反应作为在正常土壤中的水分分布、营养分布、土壤结构、微生物作用的缺点。利用该技术可以对作物根系进行无损伤、高通量、全自动根系表型分析，可测量分析参数如根冠结构(包括跟深、冠幅等)、根冠面积、根长等。

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

Claims (9)

1.一种田间作物根系表型的多通道获取系统，其特征在于，包括：

根系检测通道(4)，其包括相互平行地埋设在作物根系生长区域边缘的至少两个，所述根系检测通道(4)埋入地下的深度至少达到作物根系的生长深度范围；

根管(2)，其设置在相互平行的根系检测通道(4)之间，所述根管(2)贯穿作物根系生长区域；

监测仪(6)，其设置在各根管(2)内，沿根管在作物根系生长区域的地下水平运行，所述监测仪(6)在所述根管(2)内沿根管的周向旋转，拍摄各根管沿线360°范围内作物根系的分布状况。

2.如权利要求1所述的田间作物根系表型的多通道获取系统，其特征在于，所述根系检测通道(4)，其顶部设置有采光井(3)，所述采光井(3)为透明材质，将自然光引入根系检测通道(4)内提供照明。

3.如权利要求2所述的田间作物根系表型的多通道获取系统，其特征在于，根系检测通道(4)，其靠近作物根系的侧壁还设置有玻璃视窗(1)，作物根系生长区域边缘的作物，其根系贴近所述玻璃视窗(1)生长。

4.如权利要求3所述的田间作物根系表型的多通道获取系统，其特征在于，所述玻璃视窗(1)上还设置有卷帘结构，卷帘结构由玻璃视窗(1)顶部放下，遮挡射入作物根系生长区域内的光线，或者在拍摄玻璃视窗(1)上作物根系分布状况时向上卷起由采光井(3)所引入的自然光或为根系检测通道(4)内的照明设备为根系拍摄提供照明。

5.如权利要求1所述的田间作物根系表型的多通道获取系统，其特征在于，所述根管(2)包括有相互平行间隔设置在作物根系生长区域内的多组，每一组中均分别包括分别水平设置在作物根系生长区域内不同深度的多根，各根根管之间相互平行，每一根根管内均分别设置有监测仪(6)，各监测仪(6)分别在所述根管(2)内水平移动并沿根管的周向旋转，拍摄各根管沿线360°范围内作物根系的分布状况。

6.如权利要求5所述的田间作物根系表型的多通道获取系统，其特征在于，所述根管(2)设置为N排M列的阵列，每一排根管之间间距相等，每一列根管之间其埋设在作物根系生长区域内的深度相差相同，根管埋设的最深深度不超过所述根系检测通道(4)埋入地下的深度，每一根根管内均分别设置有监测仪(6)，各监测仪(6)分别在所述根管(2)内水平移动并沿根管的周向旋转，拍摄各根管沿线360°范围内作物根系的分布状况。

7.如权利要求6所述的田间作物根系表型的多通道获取系统，其特征在于，所述根管(2)设置为5排5列的阵列，其中各排根管之间间距大于各列根管之间的间距。

8.如权利要求5所述的田间作物根系表型的多通道获取系统，其特征在于，所述每一根根管(2)，其均包括有连接为一直线的多个透明管，各透明管的首端和尾端分别设置有连接部，相邻透明管的连接部相互插接固定或相互螺纹拧接固定，每一根根管(2)其首端的透明管以及尾端的透明管的端部还分别设置有密封盖，所述密封盖为不透明材质，遮挡由端部射入根管(2)内的光线。

9.如权利要求1所述的田间作物根系表型的多通道获取系统，其特征在于，所述监测仪(6)主体为圆柱结构，所述监测仪(6)设置在透明管所连接形成发根管(2)内部；

所述监测仪(6)的一端或两端设置有运动模块(63)，其包括沿圆柱结构周向转动的转动轮，还包括沿圆柱结构轴向转动的驱动轮，所述监测仪(6)由驱动轮驱动在所述根管(2)内沿根管轴向水平移动，由转动轮驱动在根管的周向旋转；

所述监测仪(6)的中部设置有LED光源(61)，其在监测仪(6)拍摄根管沿线360°范围内作物根系的分布状况时为监测仪(6)中的图像获取单元提供拍摄所需照明，至少照亮图像获取单元的拍摄区域；

数据处传输存储模块(62)，其设置在监测仪(6)内，与图像获取单元电连接，存储监测仪(6)在根管内不同位置所拍摄的不同角度下的作物根系的分布状况的照片。

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