CN217523496U - 用于水培植物生长环境调控及表型图像采集的系统 - Google Patents

Abstract

本申请提供一种用于水培植物生长环境调控及表型图像采集的系统。其通过各自独立的连接管道向各水培箱泵入营养液，通过水培箱与透明隔热罩的密封作用分别形成若干相互独立的植物栽培箱环境。本申请可通过各植物培养箱内部的传感器及环境设备实时准确调控植物的生长环境参数，在各培养箱内模拟不同培育条件，在一套系统下实现不同环境因素对植物生长发育影响的研究实验。在此基础上，本申请还在培养箱外部构建了包含多角度多方位RGB相机群和多光谱相机的植物表型图像采集装置，其能够在不影响植物生长发育的前提下，高通量采集植株茎叶的多光谱图像以及整株地上地下全范围的RGB图像，实现对不同生长环境下植株地上部及根系表型特征的动态连续采集。

Description

用于水培植物生长环境调控及表型图像采集的系统

技术领域

本申请涉及水培作物表型获取技术领域，具体而言涉及一种用于水培植物生长环境调控及表型图像采集的系统。

背景技术

植株高度、绿度、植被指数、植株叶面积及根系长度等植物表型性状是植物内在基因与外界环境之间互作的结果。植株表型对环境变化十分敏感，不同环境条件下的植物生长规律及植株表型性状可能存在较大的差异。分析不同环境条件下植株的表型差异有助于科研人员进一步解析植物基因型与环境之间的互作机制。

植株生长过程中的环境变量可控是科研试验过程中获取可靠数据的前提和保障。传统人工气候箱或者人工气候室可用于水培植物生长环境的监测和控制，然而，现有技术下，其只能够实现对培育过程中空气大环境的调控，而无法对水培过程中的水体环境进行精准调控。现有技术对水培环境下环境湿度、二氧化碳浓度等变量的控制精度较低。且传统的人工气候室(箱)只能完成单一生长环境的创建和调控，无法在同一设备内实现多个不同环境场景的布设。

植物的水培过程指植物在营养液的培育下生长发育，这一过程涉及营养液的频繁调配更换，对培育环境光照、温度和二氧化碳浓度等生长因素的调控，以及对植物表型性状的测量。植物生长环境变量的精准调控对于植株表型的稳定性以及实验的可重复性都具有重要意义。但，植物水培过程是一个复杂且费时费力的过程，特别是在实验过程中，科研人员本该用作深度思考的时间，常常被营养液更换、环境变量调控和植物表型性状手工测量等琐事占用。因此，急需研发出可用于水培植物培养及多生境布设的，可用于水培条件下的多生境、多时态的植物表型数据获取的自动化装备系统。

实用新型内容

本申请针对现有技术的不足，提供一种用于水培植物生长环境调控及表型图像采集的系统，本申请通过植物培养箱分别为植物提供不同环境参数，实现同一系统下的多生境场景搭建，能够通过自动的环境调控设备以及表型采集设备实现对基因型-表型-环境之间关系的高效解析，对加速作物分子育种进程和优化栽培管理措施都具有重要意义。本申请具体采用如下技术方案。

首先，为实现上述目的，提出一种用于水培植物生长环境调控及表型图像采集的系统，其包括：至少一个植物培养箱，其底部设置有透光材质的水培箱，水培箱的顶部密封连接有透明隔热罩，水培箱与透明隔热罩之间形成封闭腔体供水培植物生长，各水培箱的外周还分别可拆卸地设置有遮光装置，遮挡状态下所述遮光装置保持水培箱内部处于黑暗状态，拆卸状态下水培箱内水培植物根系可直接透过透光材质观察拍摄；营养液储备供给装置，其内部设置有恒温加热模块以维持营养液温度处于控温范围内，其外部通过连接管道以及设置于连接管道上的水泵分别连接各水培箱，向水培箱内供给营养液；植物表型图像采集装置，其包括架设于植物培养箱外的支撑框架，连接于支撑框架之间的运行框架，以及设置于运行框架上的扫描框，所述扫描框的宽度设置为大于植物培养箱最大宽度而小于相邻植物培养箱之间间隔距离，所述扫描框内设置有若干拍摄设备，所述拍摄设备在随扫描框同步沿运行框架移动过程中同步拍摄各植物培养箱内水培植物的表型图像；辅助光照装置，其架设于支撑框架顶部覆盖各植物培养箱上方，所述辅助光照装置内设置有相互间隔均匀排布的LED 日光灯，红光灯和蓝光灯，用于调节植物培养箱的光照强度、光照时间、昼夜周期及红蓝光配比；总控台，其分别连接各植物培养箱、营养液储备供给装置、植物表型图像采集装置及辅助光照装置，用于接收、显示并存储植物表型图像采集装置所拍摄的各植物培养箱内水培植物的实时图像，计算并记录各植物培养箱内微环境数据，调控各植物培养箱内温湿度、二氧化碳浓度、氧气浓度，营养液供给更换。

可选的，如上任一所述的用于水培植物生长环境调控及表型图像采集的系统，其中，所述植物培养箱中在水培箱与透明隔热罩之间固定设置有植物苗床，所述植物苗床为遮光材料，其间阵列排布有若干植物生长孔，水培植物容纳于所述植物生长孔中，所述水培植物的根系由植物生长孔底部向下生长并浸泡于水培箱内营养液中。

可选的，如上任一所述的用于水培植物生长环境调控及表型图像采集的系统，其中，所述水培箱由双层亚克力板材构成，两层板材之间设置为真空；所述水培箱的箱壁上沿设置有内凹结构，内凹结构与所述透明隔热罩的底部相铆合，水培箱箱壁上沿的内凹结构包围透明隔热罩的底部边缘，将水培箱与透明隔热罩连接为一体形成封闭腔体空间，所述透明隔热罩为双层真空密封结构。

可选的，如上任一所述的用于水培植物生长环境调控及表型图像采集的系统，其中，所述透明隔热罩的侧壁中还设置有二氧化碳进气孔、排气孔以及二氧化碳探测器，其连接总控台，根据总控台指令相应检测植物培养箱内二氧化碳浓度并触发二氧化碳进气孔和排气孔进行气体更换实现对箱体内二氧化碳浓度的控制；所述水培箱的底部设置有注水孔、出水孔、注气孔和半导体制冷片，其连接总控台以根据总控台指令相应注入营养液储备供给装置中的营养液，更换水培箱内液体并向水培箱中营养液内注入氮气以置换出水中的氧气从而模拟植株低氧淹水胁迫的环境和/或对水培箱中营养液进行控温；所述水培箱的侧壁设置有水位监测器、氧气浓度探测器、PH探测器、温度探测器，其连接总控台以向总控台提供传感信号触发总控台在水培箱水位过低时发出指令以通过注水孔注入营养液储备供给装置中的营养液，在氮气浓度过低时输出指令以通过注气孔注入氮气维持低氧环境，在PH值超出预设范围时输出指令以更换水培箱内液体，在温度过低时发出指令以通过注水孔交换营养液储备供给装置中的营养液而在温度过高时输出指令以通过半导体制冷片对水培箱中营养液进行降温。

可选的，如上任一所述的用于水培植物生长环境调控及表型图像采集的系统，其中，所述植物表型图像采集装置，其包括：架设于植物培养箱矩阵四角的4根支撑框架，纵向连接于两侧支撑框架之间的两根纵向运行框架以及横跨设置于两根纵向运行框架之间的横向运行框架，所述横向运行框架上表面设置有一个滚珠丝杆直线导轨滑台，导轨滑台上连接扫描框，支撑框架之间两条纵向运行框架上表面各装有一个滚珠丝杆直线导轨滑台，横向运行框架两端各自固定在纵向运行框架表面的两个导轨滑台上，纵向运行框架通过导轨滑台的移动带动扫描框沿纵向运行框架方向移动，横向运行框架通过其上导轨滑台的移动带动扫描框沿其轴向移动。

可选的，如上任一所述的用于水培植物生长环境调控及表型图像采集的系统，其中，所述扫描框包括：顶部吊臂，其悬挂于横向运行框架的导轨滑台上，横梁，其水平设置于顶部吊臂的下端，所述横梁的中间垂直向下设置有多光谱相机以及第一视角相机用于拍摄各植物培养箱内水培植物顶部的表型图像；垂臂，其垂直设置于横梁的两端与横梁连接为门字结构，所述垂臂的底部水平向内对称设置有第三视角相机用于拍摄各植物培养箱中水培植物根系的表型图像，所述垂臂的顶部倾斜向内对称设置有第二视角相机用于以45°倾斜向下角度拍摄各植物培养箱中水培植物整株的表型图像。

可选的，如上任一所述的用于水培植物生长环境调控及表型图像采集的系统，其中，所述多光谱相机、第一视角相机、第二视角相机以及第三视角相机的镜头均分别安装有偏光镜；拍摄过程中，所述总控台相应输出控制指令，触发辅助光照装置中的LED日光灯在拍摄过程中提供补光照明，触发辅助光照装置中的红光灯和蓝光灯在非拍摄状态下提供植物生长的光照条件。

可选的，如上任一所述的用于水培植物生长环境调控及表型图像采集的系统，其中，所述水培箱的底部设置为黑色不透光材料，其侧壁设置为双层中空的亚克力板材，所述水培箱的底部下凹形成倒四棱台形状；所述遮光装置包括：遮光布，其顶部固定设置于水培箱的箱壁上沿，并完整包围所述水培箱的外周；钢圈，其与遮光布的底部下沿缝合固定包围设置于水培箱外周；螺杆升降台，其分别设置于每一个水培箱的外侧，与钢圈固定连接，所述螺杆升降台中螺杆正向转动时带动钢圈沿水培箱高度方向由下往上移动，将遮光布由遮挡状态收缩至拆卸状态以供拍摄设备直接透过透光材质观察拍摄水培箱内水培植物根系；所述螺杆升降台中螺杆反向转动时带动钢圈沿水培箱高度方向由上往下移动，将遮光布由拆卸状态下降至遮挡状态以阻止外部光线透过透光材质影响拍摄水培箱内水培植物根系生长所需的黑暗环境。

可选的，如上任一所述的用于水培植物生长环境调控及表型图像采集的系统，其中，所述透明隔热罩上还黏贴有分别对应于每一个植物培养箱的身份识别二维码，所述总控台按照以下步骤存储植物表型图像采集装置所拍摄的各植物培养箱内水培植物的实时图像：第一步，查找或新建匹配于拍摄设备编号及其当前拍摄位置的一级文件夹；第二步，在一级文件夹中根据身份识别二维码查找或新建二级文件夹；第三步，在二级文件夹中存放拍摄设备所拍摄的水培植物的实时图像，并将所述图像按照拍摄设备编号、当前拍摄位置、拍摄日期及拍摄时间进行命名。

有益效果

本申请通过各自独立的连接管道和水泵向各水培箱泵入营养液，通过水培箱与透明隔热罩的密封作用分别形成若干相互独立的植物栽培箱环境。本申请可通过各植物培养箱内部的传感器及环境设备实时准确调控植物的生长环境参数，在各培养箱内模拟不同培育条件，在一套系统下实现不同环境因素对植物生长发育影响的研究实验。在此基础上，本实用新型还在培养箱外部构建了包含多角度多方位RGB相机群和多光谱相机的植物表型图像采集装置，其能够在不影响植物生长发育的前提下，高通量地采集植株茎叶的多光谱图像以及整株地上地下全范围的RGB图像，实现对不同生长环境下植株地上部及根系表型特征的动态连续采集。本申请可利用一套系统实现多种植物生长场景的搭建，对同一批次的水培植物进行不同环境因素的对比试验。

此外，本申请还通过植物培养箱上的身份识别二维码标记、识别植物的培养环境，通过植物表型图像采集装置追踪各植物生长过程各阶段的表型表达情况，建立与植物身份、培养环境、拍摄条件一一对应的图像文件存储系统，能够通过将拍摄所得图像按照拍摄设备编号、当前拍摄位置、拍摄日期及拍摄时间进行命名和存储，提高系统对相应图像的调取效率，方便追踪、分析高低温胁迫、低氧胁迫、二氧化碳浓度等不同环境因素如何影响植物表型建成。

为提高水培箱内部对不同环境温度要求的响应速率，本申请优选将营养液储备供给装置内营养液温度维持在20度或匹配于对比实验要求的较高温度下，在水培箱内部单独设置半导体制冷片提供对水培箱内部温度的精准调控。当需要模拟较高温度的培养环境时，直接将营养液储备供给装置内较高温度的培养液替换至相应水培箱即可迅速提升植物生长环境温度。这种升温方式相比于通过加热装置逐渐加热水培箱，本申请的加热方式热交换效率更高，能够迅速、均匀地提升箱内整体温度，使植物迅速达到相应温度。而在需要降低箱内温度时，减少外部高温营养液供给，并相应开启制冷即可迅速达到降温效果。本申请的热交换方式能够更加迅速、均匀地使整个水培箱环境达到设定温度，热交换效率更高，能够迅速调整植物温度，模拟各种科研实验所需高/低温胁迫等环境。

本申请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，或者通过实施本申请而了解。

附图说明

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

图1是本实用新型所述一种用于水培植物生长环境调控及表型图像采集的系统的整体结构示意图

图2是图1中植物培养箱整体结构的示意图

图3是植物培养箱所用遮光布的驱动方式示意图；

图4植物培养箱中所用植物苗床部分的放大图

图5是营养液储备供给装置结构的示意图

图6是植物表型图像采集装置的结构示意图

图7是植物表型图像采集装置中各相机设置方式的示意图；

图8是本实用新型所采用的辅助光照装置的示意图

图9是本实用新型系统中所使用的总控台的示意图

图中，Ⅰ表示植物培养箱；Ⅱ表示营养液储备供给装置；Ⅲ表示植物表型图像采集装置；Ⅳ表示辅助光照装置；Ⅴ表示总控台；1表示水培箱；2表示遮光布；3表示钢圈上；4表示螺杆升降台；5表示半导体制冷片；6表示注水孔；7表示出水孔；8表示注气孔；9表示温度探测器；10表示PH探测器；11 表示氧气浓度探测器；12表示水位监测器；13表示透明隔热罩；14表示二氧化碳探测器；15表示二氧化碳进气孔；16表示排气孔；17表示植物苗床；18表示植物生长孔；19表示身份识别二维码；20表示水泵；21表示恒温加热模块；22表示连接管道；23表示支撑框架；24表示运行框架；25表示多光谱相机；26表示第一视角相机；27表示第二视角相机；28表示第三视角相机；29 表示驱动机构；30表示LED日光灯；31表示红光灯；32表示蓝光灯；33表示紫外光灯；34表示电脑主机；35表示显示屏。

具体实施方式

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

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)具有与本申请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。

本申请中所述的“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。

本申请中所述的“内、外”的含义指的是相对于植物培养箱本身而言，指向其内部供植物生长的封闭腔体的方向为内，反之为外；而非对本申请机构的特定限定。

本申请中所述的“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。

本申请中所述的“上、下”的含义指的是使用者正对植物培养箱时，由水培箱指向透明隔热罩的方向即为上，反之即为下，而非对本申请机构的特定限定。

图1为根据本申请的一种用于水培植物生长环境调控及表型图像采集的系统，其包括：至少一个植物培养箱Ⅰ，营养液储备供给装置Ⅱ，植物表型图像采集装置Ⅲ，辅助光照装置Ⅳ以及总控台。

其中的每一个植物培养箱Ⅰ，其底部均设置有透光材质的水培箱1，水培箱1的顶部密封连接有透明隔热罩13，水培箱1与透明隔热罩13之间形成封闭腔体供水培植物生长，封闭腔体中还可相应布置多个注气孔、排气孔以及注水孔和排水孔，通入不同气体，结合温度调控、营养液配置等步骤，可实现多种环境胁迫的模拟，实现同一设备装置下多个不同生境的创建。各水培箱1的外周还分别可拆卸地设置有遮光装置，遮挡状态下所述遮光装置保持水培箱1 内部处于黑暗状态，拆卸状态下水培箱1内水培植物根系可直接透过透光材质观察拍摄。

其中的营养液储备供给装置Ⅱ，其内部设置有恒温加热模块21以维持营养液温度处于控温范围内，其外部通过连接管道22以及设置于连接管道22上的水泵20分别连接各水培箱1，向水培箱1内供给营养液；

其中的植物表型图像采集装置Ⅲ，其包括架设于植物培养箱Ⅰ外的支撑框架23，连接于支撑框架23之间的运行框架24，以及设置于运行框架24上的扫描框，所述扫描框的宽度设置为大于植物培养箱Ⅰ最大宽度而小于相邻植物培养箱Ⅰ之间间隔距离，所述扫描框内设置有若干拍摄设备，所述拍摄设备在随扫描框同步沿运行框架24移动过程中同步拍摄各植物培养箱Ⅰ内水培植物的表型图像；本申请可通过多相机群的组合搭配，实现植株地上部及根系表型图像的同时采集，通过RGB相机多角度的搭配，可实现叶面积、叶倾角和植株光截获等信息的提取，通过45°角度设置的相机，本申请可比传统拍摄方式提取出更多的结构信息。

其中的辅助光照装置Ⅳ，其架设于支撑框架23顶部覆盖各植物培养箱Ⅰ上方，所述辅助光照装置Ⅳ内设置有相互间隔均匀排布的LED日光灯30，红光灯31和蓝光灯32，用于调节植物培养箱Ⅰ的光照强度、光照时间、昼夜周期及红蓝光配比；

本系统中的总控台Ⅴ，其分别连接各植物培养箱Ⅰ、营养液储备供给装置Ⅱ、植物表型图像采集装置Ⅲ及辅助光照装置Ⅳ，用于接收、显示并存储植物表型图像采集装置Ⅲ所拍摄的各植物培养箱内水培植物的实时图像，调控各植物培养箱Ⅰ内温湿度、二氧化碳浓度、氧气浓度，营养液供给更换，计算并记录各植物培养箱内微环境数据。

由此，本申请可以通过植物培养箱满足植物地上部及根系表型特征的采集：本申请的植物培养箱设置在所述装置的支撑框架圈定范围内，根据试验需求可选装置配置的植物培养箱的个数，所述植物培养箱中的水培箱外壁设有黑色遮光布，黑色遮光布下沿缝合固定在黑色长方形钢圈上，黑色长方形圈由螺杆升降台带动上下移动，可满足植物培养箱中植株根系生长的避光需求及所述植物表型图像的采集需求。

本申请还可通过其中的植物培养箱实现单个培养箱内的独立精准控温，满足植物实验所需的高低温胁迫要求：本申请的水培箱可在黑色底板上设有半导体制冷片，注水孔和出水孔，水培箱上设有透明隔热罩，水培箱的箱壁上沿内凹，与透明隔热罩铆合形成密闭空间，当培养箱内需要低温环境时，装置总控台控制培养箱内制冷片制冷，水温下降，直至达到设定的低温阈值，保持在温度控制精度范围内，通过箱体内的温度传导，实现整个培养箱内温度的一致；当需要恢复正常环境温度时，制冷片停止工作，装置总控台控制营养液储备供给装置泵出恒温热水，通过培养箱注水孔注入植物培养箱内，同时排除等量的冷水，实现培养箱内环境温度的回升；当培养箱内需要高温环境时，继续往培养箱内泵入热水，同时排出等量冷水，当温度传感器检测到培养箱内环境温度达到设定的高温阈值范围时，停止供水，封闭注水/出水孔。由于箱体结构相对独立，其内部温度能够较好的维持，当温度发生变化时，重复上述过程，从而实现箱体内温度维持恒稳；水培箱底部为状似漏斗的倒圆台结构，能够做到水培箱营养液更换时无残留，减少试验过程中营养液残留带来的误差，避免给试验结果带来不必要的干扰。

在具体实现时，本申请具体可进一步将植物培养箱Ⅰ设置为采用图2至图4所示结构，将其主体框架设置为一个水培箱1，水培箱外壁设有黑色遮光布2 以阻挡照射向根系环境中的光线，黑色遮光布2的上沿缝合固定在黑色长方形钢圈上3，黑色遮光布2上沿固定在水培箱的顶部与透明隔热罩13之间，黑色长方形钢圈3由螺杆升降台4带动上下移动以为植物根部遮挡光线或者露出植物根系进行表型特征拍照提取。水培箱1黑色底板上设有半导体制冷片5，注水孔6，出水孔7和注气孔8，水培箱箱壁设有温度探测器9，PH探测器10，氧气浓度探测器11及水位监测器12；水培箱1上设有透明隔热罩13，透明隔热罩13设有二氧化碳探测器14，二氧化碳进气孔15及排气孔16。水培箱1 与透明隔热罩13之间设有植物苗床17，苗床上设有尺寸和生长孔数量可根据试验需求调整的孔径为30mm的4行6列的24个植物生长孔18，透明隔热罩 13外贴有身份识别二维码19。

其中，植物苗床17可配合水培箱相应设置为宽25.2cm，长40.1cm，具有4行6列生长孔的结构。其固定设置在水培箱1与透明隔热罩13之间，采用黑色不透光材质以避免光照进入下方的水培箱。所述植物苗床17的不遮光材料中间阵列排布的若干植物生长孔18可设置为每个生长孔内径3.1cm，生长孔之间行间距2.6cm,列间距3.3cm，生长孔搭配使用3.2cm定植海绵，水培植物通过定植海绵填充容纳于所述植物生长孔18中，生长孔虽然是空洞，但其孔径下部会伸出3cm的突触，突触结构直接深入水面下接触营养液水体，从而直接通过营养液温度实现对植物的温度传导。苗床规格及定植海绵尺寸可根据植物实际大小和测定需要予以调整，可实现植株的固定、均匀排布生长，同时，生长孔间的行列间距，可减少植株地上部及根系生长时植物组织之间的重叠遮挡，便于植物表型图像采集装置的表型图像数据采集。苗床可采用导热性能良好的轻薄不锈钢材质，每个生长孔在苗床底部沿各个生长孔轮廓线向水培箱营养液方向伸出3cm的裙摆，在移植植株之后，植株通过定植海绵固定于生长孔内，定植海绵可阻挡光线从生长孔进入水培箱，避免影响根系生长发育，塞入生长孔的水培植物的根系由植物生长孔18底部向下生长并浸于水培箱1内营养液中。由于我们的设备主要是通过控制水温，间接调控箱内的温度，各个生长孔往下伸出的裙摆可以让苗床这一金属结构直接接触水便于培养箱内的温度传导，由此，相比于苗床与水面之间有空气隔离的方式，本申请直接将金属材质的植物生长孔插入水中可直接利用金属的导热性能，提高热传导效率，更好的实现植物培养箱内环境温度的均匀一致。此外，由于植物生长孔底部裙摆的结构可以增加金属和液体的接触面积，接触面积增多，热传导直接作用范围变大，因此本申请的苗床结构能够进一步提高整个水培箱的导热性能。具体使用时，所述苗床可采用电镀磨砂质感黑色油漆，植株在定植海绵的固定下着床后，苗床各个生长孔上平面也会使用黑色贴纸覆盖，配合所述黑色遮光布和水培箱黑色底板，满足根系生长所需避光条件的要求；定植海绵及黑色贴纸的使用，形成相对密闭的隔离层，能够较好的实现植株地上部及根系气体环境的分离。

为在所述水培箱1中形成不受外界环境条件影响的微气候，本申请可进一步设置水培箱本体由双层亚克力板材构成，两层板材之间设置为真空，并相应在所述水培箱1的箱壁上沿设置内凹结构，通过内凹结构与所述透明隔热罩13 的底部相铆合，使水培箱1箱壁上沿的内凹结构包围透明隔热罩13的底部边缘，将水培箱与透明隔热罩连接为一体形成封闭腔体空间，从而屏蔽外界环境影响微环境气体浓度和水体温度等因素，形成对外界环境变化不敏感的植株生长环境。为实现更好保温效果，本申请可进一步将所述透明隔热罩13采用类似方式同样设置为双层真空密封结构提供保温、密封效果。

其中，为检验各种气体环境对植物生长的影响，本申请还可在所述透明隔热罩13的侧壁中相应设置有二氧化碳进气孔15、排气孔16以及二氧化碳探测器14，各注水孔6及注气孔8处设有流量控制阀门，注入流量及流速可连接总控台Ⅴ实现精准独立控制。总控台Ⅴ输出指令相应检测植物培养箱Ⅰ内二氧化碳浓度并触发二氧化碳进气孔15和排气孔16进行气体更换，调控二氧化碳的注入流速和流量，满足二氧化碳浓度调节需求；所述水培箱1的底部设置有水氧探测器、注水孔6、出水孔7、注气孔8和半导体制冷片5，其连接总控台Ⅴ以根据总控台Ⅴ指令相应注入营养液储备供给装置Ⅱ中的营养液，更换水培箱 1内液体并向水培箱1中营养液内注入氮气和/或对水培箱1中营养液进行降温；所述水培箱1的侧壁设置有水位监测器12、氧气浓度探测器11、PH探测器10、温度探测器9，其连接总控台Ⅴ以向总控台Ⅴ提供传感信号触发总控台在水培箱1水位过低时发出指令以通过注水孔注入营养液储备供给装置Ⅱ中的营养液，在氧气浓度过低时输出指令以通过注气孔8注入氧气，在PH值超出预设范围时输出指令以更换水培箱1内液体，在温度过低时发出指令以通过注水孔交换营养液储备供给装置Ⅱ中的营养液而在温度过高时输出指令以通过半导体制冷片5对水培箱1中营养液进行降温。半导体制冷片5可采用安全的、制冷温度范围在0-25℃，制冷精度在±1℃的制冷装置。每个水培箱单元之间传感器检测装置相互独立，每个水培箱内营养液的进出都是通过单独的管道实现的，可以实现各个水培箱的单独监测，将检测到各个独立水培箱的信息反馈到总控台，经过计算，通过单独更换对应水培箱内营养液，实现单独控温实现高低温胁迫并满足水氧浓度调节需求，实现低氧胁迫模拟大田渍水胁迫试验需求。基于此技术，当需要进行盐胁迫、重金属胁迫或者PEG6000模拟干旱胁迫时，可事先在营养液储备供给装置里面配置好特定的能够反映上述胁迫条件的溶液，在总控台中指定需要更换带有胁迫成分的营养液的植物水培箱，通过水泵将溶液泵动到指定的箱体内，即可在该箱体内通过更替进设定比例的含盐营养液、含重金属营养液或者含PEG6000的营养液实现对上述生长环境的模拟。当需要进行低氧淹水胁迫的模拟时，通过注气孔向营养液内注入适量的氮气，以置换出水中的氧气从而模拟植株低氧淹水胁迫的环境。此过程中，通过氧气浓度探测器11监控水体含氧量，在含氧量升高时适时补充氮气，以保证营养液的低氧胁迫环境。

为保证水培箱1的底部不透光，不会影响内部植物根系的生长发育，本申请可将水培箱底部设置为黑色不透光材料，将其侧壁设置为双层中空的亚克力板材以方便直接透过水培箱进行根系表型的拍摄和提取，所述水培箱1的底部下凹形成倒四棱台形状。为遮挡根系位置光线，本申请具体可参照图3所示方式将所述遮光装置设置为包括：遮光布2，其顶部固定设置于水培箱1的箱壁上沿，并完整包围所述水培箱1的外周；钢圈3，其与遮光布2的底部下沿缝合固定包围设置于水培箱1外周；螺杆升降台4，其分别设置于每一个水培箱 1的外侧，与钢圈3固定连接，由滚珠丝杆连接直线导轨滑台实现，所述螺杆升降台4中滚珠丝杆正向转动时带动直线导轨滑台所连接的钢圈3沿水培箱1 高度方向由下往上移动，将遮光布2由遮挡状态收缩至拆卸状态以供拍摄设备直接透过透光材质观察拍摄水培箱1内水培植物根系；所述螺杆升降台4中滚珠丝杆反向转动时带动钢圈3沿水培箱1高度方向由上往下移动，将遮光布2 由拆卸状态下降至遮挡状态以阻止外部光线透过透光材质影响拍摄水培箱1内水培植物根系生长所需的黑暗环境。

在具体实现时，本申请具体还可进一步将营养液储备供给装置Ⅱ采用图5 所示结构，将其主体框架设置为一个黑色不透光的带刻度线的水箱，安装在植物培养箱群外侧。营养液储备供给装置中可设水泵20，恒温加热模块21，通过若干独立连接管道22分别将营养液泵到各个独立的水培箱1中实现对水培箱中营养液或者胁迫条件的更替。其中，水箱内部的恒温加热模块21实现水温的精准控制，控温范围在20-90℃，控温精度在±1℃。黑色的水箱结构能够避免营养液在光照条件下滋生绿藻等污染物，各植物培养箱注水孔与管道连接处设有电子阀门和水体流量计，能够在装置总控台的计算控制下，精准控制各个植物培养箱是否注入营养液以及营养液注入量。

在具体实现时，本申请具体还可进一步将植物表型图像采集装置Ⅲ设置为包括：架设于植物培养箱Ⅰ矩阵四角的4根支撑框架23，纵向连接于两侧支撑框架23之间的两根纵向运行框架24以及横跨设置于两根纵向运行框架之间的横向运行框架29，所述横向运行框架上表面设置有一个滚珠丝杆直线导轨滑台，导轨滑台上连接扫描框，支撑框架23之间两条纵向运行框架24上表面各装有一个滚珠丝杆直线导轨滑台，横向运行框架29两端各自固定在纵向运行框架 24表面的两个导轨滑台上，纵向运行框架24通过导轨滑台的移动带动扫描框沿纵向运行框架24方向移动，横向运行框架29通过其上导轨滑台的移动带动扫描框沿其轴向移动。

其中，所述扫描框包括：

顶部吊臂，其悬挂于横向运行框架的导轨滑台上，

横梁，其水平设置于顶部吊臂的下端，所述横梁的中间垂直向下设置有多光谱相机25以及第一视角相机26用于拍摄各植物培养箱Ⅰ内水培植物顶部的表型图像；

垂臂，其垂直设置于横梁的两端与横梁连接为门字结构，所述垂臂的底部水平向内对称设置有第三视角相机28用于拍摄各植物培养箱Ⅰ中水培植物根系的表型图像，所述垂臂的顶部倾斜向内对称设置有第二视角相机27用于以45°倾斜向下角度拍摄各植物培养箱Ⅰ中水培植物整株的表型图像。

当系统内各水培箱尺寸规格固定及系统骨架的尺寸规格固定时，可直接通过调整相机的视野范围匹配于水培箱内植物尺寸，保证每次拍照都能满足表型提取需求。因此，本申请可选择不在上述扫描框和运行框架上设置升降机构实现拍摄视角范围的上下升降调节。

本申请中扫描框上可具体设置1个垂直向下拍摄的多光谱相机25、1个用于拍摄植物顶部的第一视角相机26、1对用于倾斜45°向下拍摄植物结构特征的第二视角相机27以及1对水平相对用于平视拍摄整株根系结构的第三视角相机28。第一视角相机26、第二视角相机27、第三视角相机28均为高清RGB 相机，便于后续表型数据的提取分析。各相机的镜头均分别安装有偏光镜，相机安装位置根据植株地上部及根系的最佳成像效果而定。

拍摄过程中，所述总控台Ⅴ相应输出控制指令，触发辅助光照装置Ⅳ中的 LED日光灯30在夜间拍摄过程中提供补光照明。日间拍摄过程中由外部光照直接提供照明。拍摄过程中系统同时通过运行框架与支撑框架之间所设的驱动机构驱动运行框架沿支撑框架的导轨移动，扫描框带动各相机配合运行框架自身的运动轨迹实现XY坐标方向的移动。试验人员只需在装置总控台输入表型图像采集频率，即可控制植物表型图像采集装置获取多时相的植株地上部及根系的原位表型图像数据。拍摄结束后，系统顶棚上所安装的辅助光照装置Ⅳ中，红光灯31和蓝光灯32可通过总控台设置为在非拍摄状态下提供植物生长的光照条件。辅助光照装置Ⅳ中还可设置紫外灯，其在植物生长期间不需要用，每次试验结束时，才需要杀菌消毒时开启，用来为新实验提供干净无菌的试验条件。总控台Ⅴ可根据实验需求调节各灯组的光照强度、光照时间、红蓝光配比以及照明的昼夜周期。

考虑实际使用过程中操作的简便性，在具体实现时，本申请具体还可进一步将装置总控台安装在植物培养箱群的一侧。装置总控台与该系统中的各个植物培养箱、营养液储备供给装置、植物表型图像采集装置以及辅助光照装置连接。所述的装置总控台主要由单片机、数据转换模块、信号转换模块，显示屏及鼠标键盘等组成。用于：a)接收并显示各个植物培养箱内的实时图像，温湿度、二氧化碳及氧气浓度，营养液PH值，b)调节控制营养液的供给更换，c) 通过植物培养箱Ⅰ内各传感器的反馈，计算并调节控制植物培养箱内微环境的温度、二氧化碳浓度，d)控制所述植物表型图像采集装置Ⅲ及螺杆升降台4升降，进行植物表型图像的采集和环境及图像数据的储存。实验人员可在显示屏上操作，向装置总控台输入指令，让装置进行试验所需环境的搭建，得到指令后，所述信号转换模块会收集装置内各类传感器采集的当下的装置状态信息，所述单片机会根据输入指令及信号转换模块采集的装置信息，结合装置内部的算法进行计算，生成该装置状态下应该进行的操作指令，然后控制各装置模块实施操作，根据试验需求搭建出各个植物培养箱统一的或者不同的水培植物生长环境并维持该环境的稳定。

在执行植物表型图像采集指令时，装置总控台会控制所述植物表型图像采集装置完成指符合输入指令要求的表型图像采集操作。表型图像采集时，装置总控台会先控制螺杆升降台的从水培箱底部往上升起，直至黑色遮光布移动至上限位，使水培箱内的植株根系完全暴露在相机视野内，随后，所述装置总控台控制运行结构将植物表型图像采集装置移动至植物图像采集位点，进行植物地上部及根系表型图像的采集，同步进行表型图像数据及数据采集时各个传感器数据的储存，表型图像采集完成后，所述装置总控台控制运行结构将所述植物表型图像采集装置移动至支撑结构边缘处，避免运行结构遮挡植株受光，阻碍植物正常生长。为最大限度的减少光照对植物培养箱内植株根系生长的影响，减少试验误差，避免营养液受光诱导发生绿藻，本实用新型图像采集方式创造性的采用one-by-one的方式，即每采集完一个植物培养箱的表型图像数据，该植物培养箱的螺杆升降台将会迅速下降重新形成避光的黑暗环境，下一个植物培养箱遮光罩在前一个表型图像采集完成后升起，等待采集。

采集过程中，为方便后续调取特定环境下特定生长周期内的植物状况，本申请还可通过透明隔热罩13上所黏贴的分别对应于每一个植物培养箱Ⅰ的身份识别二维码19进行识别。所述总控台Ⅴ在确定采集目标身份后，按照以下步骤存储植物表型图像采集装置Ⅲ所拍摄的各植物培养箱内水培植物的实时图像：

第一步，将植物表型图像采集装置Ⅲ所采集的植物表型特征图像会按照相机类别和相机位置建立唯一识别字符串并建立一级文件夹，以后每次采集过程中先查找匹配于拍摄设备编号及其当前拍摄位置的一级文件夹，若差找不到则相应新建一个一级文件夹；

第二步，在一级文件夹中根据身份识别二维码19建立相应的若干个二级文件夹，根据每次采集所识别到的二维码信息查找与之匹配的二级文件夹，或者在差找不到匹配文件夹时新建一个以存放该相机拍摄的，对应的植物培养箱内的植株表型图像；

第三步，在二级文件夹中存放拍摄设备所拍摄的水培植物的实时图像，并将所述图像按照拍摄设备编号、当前拍摄位置、拍摄日期及拍摄时间进行命名。表型图像的命名方式为：相机类别+相机位置+拍摄日期+拍摄时间。

当需要调取相应表型图片时，直接按照相机角度位置、拍摄时间、日期和植株范围进行调取即可获得相关原始数据。比对表型数据时，直接根据图片文件名相应追溯调取当时的环境控制数据，即可明确当时水培箱内各类环境条件。

综上，本实用新型通过各植物培养箱体内部的传感器，准确获取各个培养箱的环境参数，从而相应的调节各培养箱内部环境，实现对各个培养箱内环境的独立精准控制，实现同一设备场景下的多生境场景的搭建；本实用新型在培养箱外部构建了一套包含多角度多方位RGB相机群和多光谱相机在内的植物表型图像采集装置，在驱动装置的控制下，在各培养箱间的过道中按照设定轨迹移动，同时采集植株茎叶的多光谱图像及RGB图像以及植株根系的RGB图像，在不破坏植株的情况下，实现多个不同生长环境条件下的植株地上部及根系表型特征的动态连续采集，自动高效地记录不同环境因素对植株高度、绿度、植被指数、叶面积和根系长度等生长相关表型参数的影响。

本申请通过在同一设备装置下构建各自独立的植物培养箱而在同一设备装置下实现植物多生境场景的搭建，能够利用同一套设备对同一批次的水培植物进行不同环境因素的对比试验。实验过程中，植物培养箱可通过隔热装置，密封结构，配套的环境感知传感器及环境调节装置，实现微生境的创建，由于调控范围小，调控精细，因此本实用新型对植物培养箱内环境因素的调节更为高效和精准，能够通过独立调节各个植物培养箱内的二氧化碳浓度，环境温度，向各个植物培养箱内的营养液中添加盐、重金属、PEG6000(高渗透溶质)等物质，注入氮气等方式，进行多二氧化碳浓度效应，高低温胁迫、盐胁迫、重金属胁迫、渗透(干旱)胁迫及低氧胁迫等非生物逆境对植物表型特征和生理参数的影响研究。

本实用新型将水培箱设置为箱壁透明的结构，配备水培箱遮光布和螺杆升降台，能够在确保满足根系遮光要求的前提下，方便根系表型图像的采集。

本实用新型采用Sensor to Plant的方式，通过在植物培养箱上方吊载运行结构，在运行结构的不同位置布设相机，可自动进行高通量的、多生境的原位植物地上部及根系表型的图像数据动态采集。

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

Claims (9)

1.一种用于水培植物生长环境调控及表型图像采集的系统，其特征在于，包括：

至少一个植物培养箱(Ⅰ)，其底部设置有透光材质的水培箱(1)，水培箱(1)的顶部密封连接有透明隔热罩(13)，水培箱(1)与透明隔热罩(13)之间形成封闭腔体供水培植物生长，各水培箱(1)的外周还分别可拆卸地设置有遮光装置，遮挡状态下所述遮光装置保持水培箱(1)内部处于黑暗状态，拆卸状态下水培箱(1)内水培植物根系可直接透过透光材质观察拍摄；

营养液储备供给装置(Ⅱ)，其内部设置有恒温加热模块(21)以维持营养液温度处于控温范围内，其外部通过连接管道(22)以及设置于连接管道(22)上的水泵(20)分别连接各水培箱(1)，向水培箱(1)内供给营养液；

植物表型图像采集装置(Ⅲ)，其包括架设于植物培养箱(Ⅰ)外的支撑框架(23)，连接于支撑框架(23)之间的运行框架(24)，以及设置于运行框架(24)上的扫描框，所述扫描框的宽度设置为大于植物培养箱(Ⅰ)最大宽度而小于相邻植物培养箱(Ⅰ)之间间隔距离，所述扫描框内设置有若干拍摄设备，所述拍摄设备在随扫描框同步沿运行框架(24)移动过程中同步拍摄各植物培养箱(Ⅰ)内水培植物的表型图像；

辅助光照装置(Ⅳ)，其架设于支撑框架(23)顶部覆盖各植物培养箱(Ⅰ)上方，所述辅助光照装置(Ⅳ)内设置有相互间隔均匀排布的LED日光灯(30)，红光灯(31)和蓝光灯(32)，用于调节植物培养箱(Ⅰ)的光照强度、光照时间、昼夜周期及红蓝光配比；

总控台(Ⅴ)，其分别连接各植物培养箱(Ⅰ)、营养液储备供给装置(Ⅱ)、植物表型图像采集装置(Ⅲ)及辅助光照装置(Ⅳ)，用于接收、显示并存储植物表型图像采集装置(Ⅲ)所拍摄的各植物培养箱内水培植物的实时图像，计算并记录各植物培养箱内微环境数据，调控各植物培养箱(Ⅰ)内温湿度、二氧化碳浓度、氧气浓度，营养液供给更换。

2.如权利要求1所述的用于水培植物生长环境调控及表型图像采集的系统，其特征在于，所述植物培养箱(Ⅰ)中在水培箱(1)与透明隔热罩(13)之间固定设置有植物苗床(17)，所述植物苗床(17)为遮光材料，其间阵列排布有若干植物生长孔(18)，水培植物容纳于所述植物生长孔(18)中，所述水培植物的根系由植物生长孔(18)底部向下生长并浸泡于水培箱(1)内营养液中。

3.如权利要求2所述的用于水培植物生长环境调控及表型图像采集的系统，其特征在于，所述水培箱(1)由双层亚克力板材构成，两层板材之间设置为真空；

所述水培箱(1)的箱壁上沿设置有内凹结构，内凹结构与所述透明隔热罩(13)的底部相铆合，水培箱(1)箱壁上沿的内凹结构包围透明隔热罩(13)的底部边缘，将水培箱与透明隔热罩连接为一体形成封闭腔体空间，所述透明隔热罩(13)为双层真空密封结构。

4.如权利要求3所述的用于水培植物生长环境调控及表型图像采集的系统，其特征在于，所述透明隔热罩(13)的侧壁中还设置有二氧化碳进气孔(15)、排气孔(16)以及二氧化碳探测器(14)，其连接总控台(Ⅴ)，根据总控台(Ⅴ)指令相应检测植物培养箱(Ⅰ)内二氧化碳浓度并触发二氧化碳进气孔(15)和排气孔(16)进行箱体内二氧化碳浓度的控制；

所述水培箱(1)的底部设置有注水孔(6)、出水孔(7)、注气孔(8)和半导体制冷片(5)，其连接总控台(Ⅴ)以根据总控台(Ⅴ)指令相应注入营养液储备供给装置(Ⅱ)中的营养液，更换水培箱(1)内液体并向水培箱(1)中营养液内注入氮气和/或对水培箱(1)中营养液进行控温；所述水培箱(1)的侧壁设置有水位监测器(12)、氧气浓度探测器(11)、PH探测器(10)、温度探测器(9)，其连接总控台(Ⅴ)以向总控台(Ⅴ)提供传感信号触发总控台在水培箱(1)水位过低时发出指令以通过注水孔注入营养液储备供给装置(Ⅱ)中的营养液，在氮气浓度过低时输出指令以通过注气孔(8)注入氮气维持低氧环境，在PH值超出预设范围时输出指令以更换水培箱(1)内液体，在温度过低时发出指令以通过注水孔交换营养液储备供给装置(Ⅱ)中的营养液而在温度过高时输出指令以通过半导体制冷片(5)对水培箱(1)中营养液进行降温。

5.如权利要求1所述的用于水培植物生长环境调控及表型图像采集的系统，其特征在于，所述植物表型图像采集装置(Ⅲ)，其包括：

架设于植物培养箱(Ⅰ)矩阵四角的4根支撑框架(23)，纵向连接于两侧支撑框架(23)之间的两根纵向运行框架(24)以及横跨设置于两根纵向运行框架之间的横向运行框架(29)，所述横向运行框架上表面设置有一个滚珠丝杆直线导轨滑台，导轨滑台上连接扫描框，支撑框架(23)之间两条纵向运行框架(24)上表面各装有一个滚珠丝杆直线导轨滑台，横向运行框架(29)两端各自固定在纵向运行框架(24)表面的两个导轨滑台上，纵向运行框架(24)通过导轨滑台的移动带动扫描框沿纵向运行框架(24)方向移动，横向运行框架(29)通过其上导轨滑台的移动带动扫描框沿其轴向移动。

6.如权利要求5所述的用于水培植物生长环境调控及表型图像采集的系统，其特征在于，所述扫描框包括：

顶部吊臂，其悬挂于横向运行框架的导轨滑台上，

横梁，其水平设置于顶部吊臂的下端，所述横梁的中间垂直向下设置有多光谱相机(25)以及第一视角相机(26)用于拍摄各植物培养箱(Ⅰ)内水培植物顶部的表型图像；

垂臂，其垂直设置于横梁的两端与横梁连接为门字结构，所述垂臂的底部水平向内对称设置有第三视角相机(28)用于拍摄各植物培养箱(Ⅰ)中水培植物根系的表型图像，所述垂臂的顶部倾斜向内对称设置有第二视角相机(27)用于以45°倾斜向下角度拍摄各植物培养箱(Ⅰ)中水培植物整株的表型图像。

7.如权利要求6所述的用于水培植物生长环境调控及表型图像采集的系统，其特征在于，所述多光谱相机(25)、第一视角相机(26)、第二视角相机(27) 以及第三视角相机(28)的镜头均分别安装有偏光镜；

拍摄过程中，所述总控台(Ⅴ)相应输出控制指令，触发辅助光照装置(Ⅳ)中的LED日光灯(30)在拍摄过程中提供补光照明，触发辅助光照装置(Ⅳ)中的红光灯(31)和蓝光灯(32)在非拍摄状态下提供植物生长的光照条件。

8.如权利要求3所述的用于水培植物生长环境调控及表型图像采集的系统，其特征在于，所述水培箱(1)的底部设置为黑色不透光材料，其侧壁设置为双层中空的亚克力板材，所述水培箱(1)的底部下凹形成倒四棱台形状；所述遮光装置包括：

遮光布(2)，其顶部固定设置于水培箱(1)的箱壁上沿，并完整包围所述水培箱(1)的外周；

钢圈(3)，其与遮光布(2)的底部下沿缝合固定包围设置于水培箱(1)外周；

螺杆升降台(4)，其分别设置于每一个水培箱(1)的外侧，与钢圈(3)固定连接，所述螺杆升降台(4)中螺杆正向转动时带动钢圈(3)沿水培箱(1)高度方向由下往上移动，将遮光布(2)由遮挡状态收缩至拆卸状态以供拍摄设备直接透过透光材质观察拍摄水培箱(1)内水培植物根系；所述螺杆升降台(4)中螺杆反向转动时带动钢圈(3)沿水培箱(1)高度方向由上往下移动，将遮光布(2)由拆卸状态下降至遮挡状态以阻止外部光线透过透光材质影响拍摄水培箱(1)内水培植物根系生长所需的黑暗环境。

9.如权利要求1-8任一所述的用于水培植物生长环境调控及表型图像采集的系统，其特征在于，所述透明隔热罩(13)上还黏贴有分别对应于每一个植物培养箱(Ⅰ)的身份识别二维码(19)。

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