[发明专利]一种水稻植株及根系三维性状无损测量装置及方法

说明书

本发明涉及一种适用于农业科研工作者在水稻栽培和遗传育种研究中能够同时获取水稻植株和水稻根系的三维形态参数无损测量的装置及方法。本发明所述的CT检测装置主要由射线源、平板探测器、载物旋转台、升降模组、滚筒输送线、精密运动控制器及计算机系统7个功能模块组成；本发明采用滚筒输送线将待测样本从种植区域输送移动到检测区域，通过精密运动控制器实现盆栽作物的自动定位旋转以及射线源平板探测器的自动升降，以获取不同角度、高度下的地上植株可见光图像和地下根系的X射线断层图像，然后通过运动恢复算法SFM、锥形束FDK算法得到水稻植株和根系的三维重建数据，再通过融合算法得到水稻整株的三维模型数据，并进行性状分析。

技术领域

本发明属于机器视觉检测技术和数字化农业领域，具体涉及一种水稻植株及根系三维性状无损测量装置及方法。

背景技术

水稻根系在水稻植株生长中具有非常重要的作用。水稻根系不仅是水稻植株吸收水分和营养的器官，而且是多种激素和氨基酸的合成场所。水稻根系通过分泌植物激素、有机酸等物质影响着植株土壤微生物的生态环境。根系的相关性状和产量有着密切的联系，根系的结构能够影响整个植株对土壤中营养资源的有效利用。根系的结构在很大程度上间接影响了水稻的产量，因此研究水稻根系表型具有非常重要的理论和实践意义。

传统的水稻根系研究大多都是依靠人工，将水稻根系从土壤中挖出洗净之后进行测量，获取根系的长度、直径以及相关生物量等一些性状参数，这种传统的方法非常耗费劳动力，人工成本太高，而且效率低下，对水稻根系也有损伤，数据量大时人工测量会因为测量人员的主观意识导致测量误差偏大，另外人工测量难以对全生育期的水稻根系进行动态测量。

发明内容

本发明的目的是为了克服上述不足，提供一种水稻植株及根系三维性状无损测量装置及方法。本发明的技术方案如下：

一种水稻植株及根系三维性状无损测量装置，其特征在于：包括第一升降模组8、第二升降模组9、载物旋转台5、平移模组6、CT射线源3、平板探测器4、可见光传感器11、滚筒输送线7、精密运动控制器2以及计算机系统1；第一升降模组8、第二升降模组9、载物旋转台5、平移模组6均采用伺服电机驱动，每个运动机构之间既可以独立定位运动也可以联动；可见光传感器11用于获取水稻植株不同角度下的2D平面图像；CT射线源3用于提供稳定的X射线束，平板探测器4用于采集CT断层平面阵列图像；滚筒输送线7用于将水稻盆栽10输送到指定的检测位置；精密运动控制器2用于对第一升降模组8、第二升降模组9、载物旋转台5、平移模组6进行驱动控制，计算机系统1实现CT图像自动采集、可见光图像自动采集、可见光图像SFM3D重建、CT图像自动重建、植株整株三维建模和修正、植株表型性状提取、根系表型性状提取、图像及数据存储管理、下位机自动通讯控制以及整个系统的信息全自动接收及处理。

具体地，计算机系统1内置了测量系统，测量系统具体包括：

硬件控制模块，用于实现计算机系统1与精密运动控制器2的通信；通过计算机系统1发送控制指令给精密运动控制器2，进而控制滚筒输送线7进行盆栽水稻输送功能；同时通过精密运动控制器2驱动第一升降模组8、第二升降模组9及载物旋转台5，精准控制水稻盆栽的角度旋转和高度升降；

图像采集模块，每当水稻盆栽10旋转一个角度并升降一个高度后，通过平板探测器4采集水稻盆栽10的根系断层图像，以此来控制CT射线源3、平板探测器4与载物旋转台5、第一升降模组8、第二升降模组9的有序协调运行；

图像处理模块，用于对采集到的水稻根系断层图像通过FDK算法进行图像重建，并对重建后的图像进行图像处理；还用于对可见光传感器11获取到的不同角度下水稻盆栽11的2D图像，通过运动恢复结构算法SFM进行三维重建，然后对重建后的水稻植株图像进行三维点云分析；还用于将通过FDK算法获取得到的水稻根系三维数据模型与通过运动恢复结构算法SFM获取得到的水稻植株三维数据模型进行融合，获得水稻整株的三维模型，并对整株的三维模型进行可视化分析，通过标准样品进行效果测试和修正，计算株型参数和根系性状参数，对结果进行输出显示。