植物根系視覺監(jiān)測分析系統(tǒng)及其監(jiān)測方法
【專利摘要】本發(fā)明揭示了一種植物根系視覺監(jiān)測分析系統(tǒng)及其監(jiān)測方法，該系統(tǒng)包括：攝像頭、步進電機、視頻采集控制裝置、位于地下的透明底管以及部分位于地下的第一側(cè)管和第二側(cè)管。視頻采集控制裝置控制步進電機運轉(zhuǎn)，從而拉動攝像頭在透明底管、第一側(cè)管以及第二側(cè)管組成的管道中運行，拍攝圖像傳回視頻采集控制裝置，視頻采集控制裝置對傳回的信息進行分析和處理。該系統(tǒng)具有不傷害植物根系，不破壞土壤結(jié)構(gòu)，能實時、動態(tài)、全天候地觀測植物根系的整個生長周期和獲得可靠數(shù)據(jù)的有益效果。
【專利說明】植物根系視覺監(jiān)測分析系統(tǒng)及其監(jiān)測方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及植物根系生長測量【技術領域】，更具體涉及一種植物根系視覺監(jiān)測分析系統(tǒng)及其監(jiān)測方法。
【背景技術】
[0002]長期以來，植物學家對植物地上部分器官的結(jié)構(gòu)、功能及葉光系統(tǒng)的調(diào)控進行了大量的研究，取得了顯著的進展。但是由于研究方法和工作條件等原因，對植物地下根系的研究遠遠落后于地上部分。對植物根系進行視覺監(jiān)測分析便于對根系的形態(tài)構(gòu)造、生理特性、生態(tài)型及品種間的差異及環(huán)境因素等對根系的影響進行深入的研究，同時對根系吸水機理的研究，及建立理論、半理論和半經(jīng)驗及經(jīng)驗模型來描述根系吸水狀況具有重大意義。根據(jù)根系生長狀況的關鍵數(shù)據(jù)，可以為研究出實現(xiàn)植物保持最佳生長狀態(tài)的方法提供實驗參數(shù)和手段。
[0003]目前，普遍采用的觀測植物根系生長狀況的方法主要包括三種:沖洗法、根箱法、無土栽培法，但是該二種方法都存在相應的缺陷。
[0004]沖洗法是在田間挖出包含植物根系的整個土體后，將土體裝入特制的金屬網(wǎng)淘洗設備中，用射流自來水小心地將根系與土粒分離，直至根泥完全分離，獲得實體根系為止。美國依阿華大學的Dittmerk采用這種方法研究黑麥根系獲得了大量有價值的觀測數(shù)據(jù)。沖洗法的不利之處，一是易造成損傷根，特別是具有活力的幼根的損失；二是難于分清植物的活根與死根，有時可能還含有雜草及其他植物的根，并且不易取得完整根系和獲得可靠的數(shù)據(jù)。
[0005]根箱法是用容器盛土栽培植物以代替田間觀測，即讓根系在比田間小得多的容器內(nèi)生長。當需要觀測時，可將不透明容器移開，待觀測后再重新套上。由于容器內(nèi)根的走向主要與水分的移動方向保持一致，因而在帶孔的盆中，根會被濃縮在盆邊緣和底孔土體處，而在無孔密實的盆中，根系主要濃縮在盆邊緣的土體中。其優(yōu)點是盆易于挪移，適于同時采用多種土類和設置不同處理，在互不干擾的條件下對根系生長進行研究。采用此法的最大缺點是根系的生長易受容器的限制，另外，這種方法的缺點是難于進行土、根分離。
[0006]無土栽培是將植物種植在設置有固體支撐裝置內(nèi)含植物必需營養(yǎng)成分的營養(yǎng)液中，或種植在浸潤有植物必需營養(yǎng)液的惰性基質(zhì)中。采用這種方法必須事先對所有用具進行嚴格的滅菌消毒，根據(jù)植物種類配置營養(yǎng)液，并解決供氧問題。采用這種方法的突出優(yōu)點是，可避免繁瑣的根、土分離操作，但用這種方法觀測根系的生長狀況與田間實際生長狀況差異更大。
[0007]總之，現(xiàn)有技術在植物根系觀測技術中，存在容易傷害植物根系和破壞土壤結(jié)構(gòu)，不易實現(xiàn)根土分離，無法實時、動態(tài)、全天候地觀測植物根系的整個生長周期以及獲得可靠地數(shù)據(jù)。

【發(fā)明內(nèi)容】
[0008](一)要解決的技術問題
[0009]本發(fā)明要解決的技術問題是如何在植物根系觀測過程中不傷害植物根系，不破壞土壤結(jié)構(gòu)，實時、動態(tài)、全天候地觀測植物根系的整個生長周期以及獲得可靠數(shù)據(jù)。
[0010](二)技術方案
[0011]為了解決上述技術問題，本發(fā)明提供了一種植物根系視覺監(jiān)測分析系統(tǒng)，所述監(jiān)測分析系統(tǒng)包括:攝像頭10、步進電機1、步進電機2、視頻采集控制裝置17、位于地下的透明底管12以及部分位于地下的第一側(cè)管6和第二側(cè)管8 ；
[0012]其中，所述底管12的兩端分別與第一側(cè)管6和第二側(cè)管8的一端連接，所述攝像頭10設置在透明底管12、第一側(cè)管6和第二側(cè)管8形成的管道中，攝像頭10的一側(cè)通過視頻信號線5與步進電機I連接，步進電機I與視頻采集控制裝置17連接，攝像頭另一側(cè)通過牽引線7與步進電機2連接；所述第一側(cè)管6的自由端固定有基板3，步進電機I固定在基板3上，第二側(cè)管8的自由端固定有基板4，步進電機2固定在基板4上。
[0013]優(yōu)選地，所述步進電機I的導電滑環(huán)一端通過轉(zhuǎn)動輪15線槽上的孔與視頻信號線5連接，所述導電滑環(huán)另一端與視頻采集控制裝置17連接；步進電機2的一端連接牽引線7。
[0014]優(yōu)選地，所述攝像頭10設置有補光裝置。
[0015]優(yōu)選地，所述視頻采集控制裝置17包括單片機芯片以及與其連接的存儲模塊、時鐘模塊、電機驅(qū)動模塊、視頻信號模塊。
[0016]優(yōu)選地，所述視頻采集控制裝置17與上位機連接，所述上位機的通信軟件基于Microsoft Visual C++6.0 環(huán)境下編寫。
[0017]優(yōu)選地，所述第一側(cè)管6和所述第二側(cè)管8與透明底管12連接處分別設置限位傳感器11和14，所述兩個限位傳感器連接采集控制裝置17的視頻信號模塊。
[0018]所述植物根系視覺監(jiān)測分析系統(tǒng)的監(jiān)測方法，包括以下步驟:
[0019]步驟一:根據(jù)植物根區(qū)的深度，挖一個相同深度的坑，將所述植物根系視覺監(jiān)測分析系統(tǒng)放置在該坑中進行土壤填埋，將透明底管12水平埋于土壤中，第一側(cè)管6和第二側(cè)管8部分位于地面以上，在透明底管12的上方種植或者移栽植物。
[0020]步驟二:牽拉牽引線7，使攝像頭10位于第二側(cè)管8限位傳感器14附近；
[0021]步驟三:設置視頻采集控制裝置17的采樣間隔，控制步進電機I工作，步進電機I通過視頻信號線5牽引攝像頭10在透明底管12、所述第一側(cè)管6和所述第二側(cè)管8形成的管道中行進，采集圖像；
[0022]步驟四:將采集到的圖像傳送給視頻采集控制裝置17，由視頻采集控制裝置17對圖像進行處理、存儲；
[0023]步驟五:上位機設計自動采集周期，步驟四完成后，進入待機模式，視頻采集控制裝置17部分斷電，待機模式的定時時間到，系統(tǒng)全部通電進入正常工作模式，返回步驟二。
[0024](三)有益效果
[0025]本發(fā)明的一種植物根系視覺監(jiān)測分析系統(tǒng)及其檢測方法，通過視頻采集控制裝置驅(qū)動步進電機工作，從而通過視頻信號線牽引著攝像頭在透明底管、第一側(cè)管和第二側(cè)管形成的管道行進，實現(xiàn)對植物根系的監(jiān)測分析，具有不傷害植物根系，不破壞土壤結(jié)構(gòu)，能實時、動態(tài)、全天候地觀測植物根系的整個生長周期和獲得可靠數(shù)據(jù)的有益效果?！緦＠綀D】

【附圖說明】
[0026]為了更清楚地說明本發(fā)明實施例或現(xiàn)有技術中的技術方案，下面將對實施例或現(xiàn)有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實施例，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。
[0027]圖1是本發(fā)明的一個較佳實施例的植物根系視覺監(jiān)測分析系統(tǒng)的立體結(jié)構(gòu)示意圖。
[0028]圖例說明:
[0029]1、步進電機；2、步進電機；3、基板；4、基板；5、視頻信號線；6、第一側(cè)管；7、牽引線；8、第二側(cè)管；9、感應金屬片10、攝像頭；11、限位傳感器；12、透明底管；13、感應金屬片；14、限位傳感器；15、轉(zhuǎn)動輪；16、轉(zhuǎn)動輪；17、視頻采集控制裝置。
【具體實施方式】
[0030]下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步詳細描述。以下實施例用于說明本發(fā)明，但不能用來限制本發(fā)明的范圍。
[0031]圖1是本發(fā)明的一個較佳實施例的植物根系視覺監(jiān)測分析系統(tǒng)的的立體結(jié)構(gòu)示意圖。該系統(tǒng)包括攝像頭10、步進電機I和2、視頻采集控制裝置17、位于地下的透明底管12以及部分位于地下的第一側(cè)管6和第二側(cè)管8，透明底管12的兩端分別與第一側(cè)管6和第二側(cè)管8的一端連接，攝像頭10設置在透明底管12、第一側(cè)管6和第二側(cè)管8形成的管道中，攝像頭10的一側(cè)通過視頻信號線5與步進電機I連接，步進電機I與視頻采集控制裝置17連接，視頻信號線5由步進電機I牽引，步進電機I通過視頻采集控制裝置17驅(qū)動控制，攝像頭10的另一側(cè)連接有牽引線7。攝像頭10優(yōu)選高分辨率、近焦、微距攝像頭；第一側(cè)管6和第二側(cè)管8可以豎直設置，這樣，透明PVC底管12、第一側(cè)管6和第二側(cè)管8形成的管道為U形管，當然，第一側(cè)管6和第二側(cè)管8也可以非豎直設置。
[0032]這樣，通過牽引線7將攝像頭10牽拉至第二側(cè)管8中靠近限位傳感器14的附近，通過視頻采集控制裝置17驅(qū)動步進電機I工作，步進電機I通過視頻信號線5牽引著攝像頭10在透明底管12、第一側(cè)管6和第二側(cè)管8形成的管道行進，同時，攝像頭10采集透明底管附近的植物根系圖像，然后通過視頻信號線5將測量值傳遞給視頻采集控制裝置17，然后傳給上位機，從而完成了對植物根系的監(jiān)測和分析。
[0033]步進電機I包括步進電機、轉(zhuǎn)動輪15和導電滑環(huán)，第一側(cè)管6的自由端固定有一基板3，步進電機固定在基板3上，轉(zhuǎn)動輪15安裝在電機的轉(zhuǎn)軸上，導電滑環(huán)安裝在轉(zhuǎn)動輪15上的圓心位置，視頻信號線5通過轉(zhuǎn)動輪15線槽上的孔與導電滑環(huán)一端連接，步進電機與視頻采集控制裝置17連接并通過視頻采集控制裝置17驅(qū)動控制。轉(zhuǎn)動輪15在電機驅(qū)動下和從導電滑環(huán)共同作用使視頻信號線5向前后移動，從而實現(xiàn)對攝像頭10的牽引。
[0034]視頻采集控制裝置17包括單片機芯片以及與其連接的存儲模塊、時鐘模塊、電機驅(qū)動模塊，攝像頭10通過視頻信號模塊與單片機芯片連接。單片機芯片采用的型號為MSP430F149，用于對系統(tǒng)進行控制；時鐘模塊用于給整個植物根系監(jiān)測分析系統(tǒng)定時和提供時間；存儲模塊優(yōu)選為Flash存儲器，用于對各個時間點攝像頭10傳來的圖像數(shù)據(jù)進行存儲；電機驅(qū)動模塊可控制電機通電與斷電，控制電機動作。
[0035]第二側(cè)管8上也安裝有步進電機2，該步進電機通過牽引線7與攝像頭10連接，視頻采集控制裝置17可以實現(xiàn)對該步進電機2的控制，步進電機2可以直接通過電纜和控制采集裝置17連接。通過該步進電機2，可以將攝像頭10牽引至植物根系圖像采集的初始位置。
[0036]第一側(cè)管6和第二側(cè)管8內(nèi)與水平透明底管連接處設置有限位傳感器11和14，該限位傳感器11和14與視頻采集控制裝置17連接，具體來講，視頻采集控制裝置17的單片機芯片通過視頻信號模塊與限位傳感器連接。限位傳感器使用接近開關，用于對攝像頭10的行程位置進行限制，保證攝像頭10每次運動的參考點一致，并防止攝像頭10被拖曳出第一側(cè)管6或者第二側(cè)管8。
[0037]本發(fā)明還提供了一種利用系統(tǒng)進行植物根系圖像采集的方法，包括以下步驟:
[0038]1、根據(jù)植物根區(qū)的深度，挖一個相同深度的坑，將所述植物根系視覺監(jiān)測分析系統(tǒng)放置在該坑中進行土壤填埋，將所述底管埋于土壤中，所述第一側(cè)管和第二側(cè)管部分位于地面以上，在所述底管的上方種植或者移栽植物。
[0039]2、牽拉牽引線，使攝像頭位于第二側(cè)管限位傳感器14附近；
[0040]3、通過視頻采集控制裝置設置采樣間隔，使所述步進電機工作，所述步進電機通過視頻信號線牽引所述攝像頭使其在所述透明底管、所述第一側(cè)管和所述第二側(cè)管形成的管道中行進；
[0041]4、根據(jù)采樣間隔，攝像頭在視頻采集控制裝置的控制下在植物根區(qū)采集圖像，并將采集圖像傳回視頻采集控制裝置；
[0042]5、通過上位機將視頻采集控制裝置傳來的圖像進行分析處理、存儲；
[0043]6、通過人工上位機控制，一個自動采集周期結(jié)束時，控制采集裝置部分斷電，植物根系視覺監(jiān)測分析系統(tǒng)進入待機模式。
[0044]7、當控制采集裝置的定時時間到時，系統(tǒng)全部通電進入正常工作模式，返回步驟2。
[0045]綜上所述，本發(fā)明提供的植物根系視覺監(jiān)測分析系統(tǒng)通過視頻采集控制裝置17驅(qū)動步進電機I和2工作，從而通過視頻信號線5牽引著攝像頭10在透明底管12、第一側(cè)管6和第二側(cè)管8形成的管道行進，實現(xiàn)對植物根系進行視覺監(jiān)測和分析，然后通過視頻信號線5將采集圖像數(shù)據(jù)傳遞給視頻采集控制裝置17，視頻采集控制裝置17通過與上位機連接對傳來的信號進行存儲和處理，從而完成了對植物根系的采集和監(jiān)控，通過視頻采集控制裝置17的單片機芯片分別與存儲模塊、時鐘模塊、電機驅(qū)動模塊連接，使得本發(fā)明對植物根系的監(jiān)測更加準確智能；同時本發(fā)明提供的植物根系監(jiān)測的方法，實現(xiàn)了對植物根系進行測量監(jiān)控，具有準確智能，不傷害植物和不破壞土壤結(jié)構(gòu)，能實時、動態(tài)、全天候地觀測植物根系的整個生長周期和獲得可靠數(shù)據(jù)的有益效果。
[0046]以上實施方式僅用于說明本發(fā)明，而非對本發(fā)明的限制。盡管參照實施例對本發(fā)明進行了詳細說明，本領域的普通技術人員應當理解，對本發(fā)明的技術方案進行各種組合、修改或者等同替換，都不脫離本發(fā)明技術方案的精神和范圍，均應涵蓋在本發(fā)明的權利要求范圍當中。
【權利要求】
1.一種植物根系視覺監(jiān)測分析系統(tǒng)，其特征在于，所述植物根系視覺監(jiān)測分析系統(tǒng)包括:攝像頭(10)、步進電機(I)、步進電機(2)、視頻采集控制裝置(17)、位于地下的透明底管(12)以及部分位于地下的第一側(cè)管(6)和第二側(cè)管(8)； 其中，所述底管(12)的兩端分別與第一側(cè)管(6)和第二側(cè)管(8)的一端連接，所述攝像頭(10)設置在透明底管(12)、第一側(cè)管(6)和第二側(cè)管(8)形成的管道中，攝像頭(10)的一側(cè)通過視頻信號線(5 )與步進電機(I)連接，步進電機(I)與視頻采集控制裝置(17 )連接，攝像頭另一側(cè)通過牽引線(7)與步進電機(2)連接；所述第一側(cè)管(6)的自由端固定有基板(3),步進電機(I)固定在基板(3)上，第二側(cè)管(8)的自由端固定有基板(4),步進電機(2)固定在基板(4)上。
2.根據(jù)權利要求1所述的植物根系視覺監(jiān)測分析系統(tǒng)，其特征在于，所述步進電機(I)的導電滑環(huán)一端通過轉(zhuǎn)動輪(15)線槽上的孔與視頻信號線(5)連接，所述導電滑環(huán)另一端與視頻采集控制裝置(17 )連接；步進電機(2 )的一端連接牽引線(7 )。
3.根據(jù)權利要求1所述的植物根系視覺監(jiān)測分析系統(tǒng)，其特征在于，所述攝像頭(10)設置有補光裝置。
4.根據(jù)權利要求1所述的植物根系視覺監(jiān)測分析系統(tǒng)，其特征在于，所述視頻采集控制裝置(17)包括單片機芯片以及與其連接的存儲模塊、時鐘模塊、電機驅(qū)動模塊、視頻信號模塊。
5.根據(jù)權利要求4所述的植物根系視覺監(jiān)測分析系統(tǒng)，其特征在于，所述視頻采集控制裝置(17)與上位機連接，所述上位機的通信軟件基于Microsoft Visual C++6.0環(huán)境下編寫。
6.根據(jù)權利要求1所述的植物根系視覺監(jiān)測分析系統(tǒng)，其特征在于，所述第一側(cè)管(6)和所述第二側(cè)管(8)與透明底管(12)連接處分別設置限位傳感器(11)和(14)，所述兩個限位傳感器連接采集控制裝置(17)的視頻信號模塊。
7.利用權利要求1的植物根系視覺監(jiān)測分析系統(tǒng)的監(jiān)測方法，其特征在于，包括以下步驟: 步驟一:根據(jù)植物根區(qū)的深度，挖一個相同深度的坑，將所述植物根系視覺監(jiān)測分析系統(tǒng)放置在該坑中進行土壤填埋，將透明底管(12)水平埋于土壤中，第一側(cè)管(6)和第二側(cè)管(8)部分位于地面以上，在透明底管(12)的上方種植或者移栽植物； 步驟二:牽拉牽引線(7)，使攝像頭(10)位于第二側(cè)管(8)限位傳感器(14)附近； 步驟三:設置視頻采集控制裝置(17)的采樣間隔，控制步進電機(I)工作，步進電機(1)通過視頻信號線(5)牽引攝像頭(10)在透明底管(12)、所述第一側(cè)管(6)和所述第二側(cè)管(8)形成的管道中行進，采集圖像； 步驟四:將采集到的圖像傳送給視頻采集控制裝置(17)，由視頻采集控制裝置(17)對圖像進行處理、存儲；步驟五:上位機設計自動采集周期，步驟四完成后，進入待機模式，視頻采集控制裝置(17)部分斷電，待機模式的定時時間到，系統(tǒng)全部通電進入正常工作模式，返回步驟二。
【文檔編號】G01N33/00GK103901164SQ201410078776
【公開日】2014年7月2日 申請日期:2014年3月5日 優(yōu)先權日:2014年3月5日
【發(fā)明者】孫宇瑞, 鄧鴻健, 孟繁佳 申請人:中國農(nóng)業(yè)大學