一种基于CT技术的作物幼苗夹持取苗过程中苗钵破损检测方法和装置与流程

本发明属于作物幼苗移栽领域，特别是一种基于CT技术的作物幼苗夹持取苗过程中苗钵破损检测方法和装置。

背景技术：

作物幼苗用移栽机自动取苗移栽时，主要采用取苗爪夹取苗钵将作物幼苗取出，这种方法取苗时，如果取苗爪的取苗角度、夹取深度和夹取量等夹取参数和取苗爪结构选择不当，会使苗钵破碎或不能将作物幼苗可靠夹取出，造成取苗失败。针对这个问题，韩绿化等人通过实验测试了取苗爪在不同夹取参数下(夹持角度、夹取力和夹持变形量)的取苗成功率；童俊华等以黄瓜穴盘苗为研究对象，以取苗爪夹持角度、夹针数量、苗钵含水率、黄瓜穴盘苗长势、育苗基质配比等为影响因素，以取苗爪对苗钵的夹取力为优化目标，进行单因素试验，得到最优影响因素水平组合；王跃勇等研究了取苗爪的结构外形特征(指针形状、压舌板形状、U型形状)、苗钵含水率和作物生长初期幼苗根系对基质抗剪性能提升的效果，并将苗钵完整率作为试验指标，采用正交试验方法得出取苗爪结构、苗钵含水率、苗龄的主次影响因素和优水平。这些方法都是以取苗爪的结构和夹取参数为试验因素，通过取苗试验得到合适的取苗爪结构和夹取参数，但是作物幼苗在取苗时，破损是从苗钵内部产生的，无法直接观测夹针夹取苗钵时内部原生缝隙和新生缝隙的产生和扩展，无法弄清楚根系与破损之间的关系，导致取苗机构设计缺乏科学的理论依据，制约了自动移栽技术的发展。

CT技术在骨微结构和血管成像等医学研究领域取得了成功，它能实现内部结构显微图像的三维重建、医学形态参数的提取。因为CT技术具有无损检测物体内部结构这一特点，已有研究使用该技术检测作物根系在土壤中的生长情况，如Richard J等将春麦种植在不同磷肥供给方式的圆柱形桶中，用Micro-CT对春麦根部土壤进行扫描，并将扫描获得的断层图片导入Volume Graphics StudioMax version 2.1软件中，利用软件中的区域增长工具调整图像阈值，将根系从断层图片中分割出生成三维图像，比较根系在不同磷肥供给情况下，根系的生长发育情况；Saoirse R等将三种不同品种的小麦分别种植在土壤压实度为1.1g/cm3和1.5g/cm3的圆柱状桶中，在小麦发芽后的第2、5和12天用X射线CT技术对小麦根系进行扫描，利用Volume Graphics StudioMax version 2.0软件将根系提取，对比分析不同品种、土壤压实度和生长天数情况下根系的总长度和体积的变化，以及土壤中孔隙随深度的变化；在此基础上，Saoirse R又利用X射线CT技术对生长在不同土壤(粘壤土和沙壤土)和不同土壤压实度(1.2g/cm3和1.6g/cm3)下的番茄苗进行无损检测，在番茄种子发芽后的第1至10天，每天都进行扫描，研究根系体积、根面积、主根长度、平均根茎、根曲率等变化情况。这些研究的技术难点主要集中在如何将根系从土壤中分割提取出并三维重构，如何测量根系的物理参数。使用CT技术检测作物苗钵在夹取过程中内部破损的产生，难点是：1、夹取爪在夹取苗钵时，夹针要插入苗钵内部，夹针是由钢制材料制成，夹针和苗钵的密度相差很大，在用CT机对夹取状态下的苗钵进行扫描时，夹针和苗钵的衰减系数不同，会产生伪像，致使生成的断层图片不清晰，无法将根系和孔隙从苗钵中提取出；2、为了避免X射线辐射对人体的危害，CT扫描样本必须在封闭的空间中进行，作物幼苗和取苗机构要放置在一定尺寸和形状的样本容器中，取苗机构要满足取苗角度、夹取深度、夹取量、夹针形状等结构和参数的调整，需要设计出实现这些功能又能用来CT扫描的夹持取苗机构；3、扫描生成的断层图片中，会产生许多噪声，同时苗钵中分布有许多很小的孔隙，这些孔隙和噪声无法区分，影响断层图片中孔隙三维图像的可视效果。

技术实现要素：

本发明的目的在于探索作物幼苗在夹持取苗过程中苗钵内部损伤产生和形成的过程，提供一种基于CT技术的作物幼苗夹持取苗过程中苗钵破损检测方法和装置，设计可用于CT扫描的作物幼苗夹持取苗装置，分割提取苗钵在夹取过程中的孔隙和裂缝，并去除噪声，三维可视化观察苗钵中孔隙的分布，裂缝的产生和扩展，为取苗末端执行器的结构设计和夹取参数的选择提供理论依据。

本发明提出了一种用于CT作物幼苗扫描的夹持取苗装置，包括底座、支撑柱、盖板、滑块、取苗臂、夹取螺杆、夹取螺母和夹针；所述底座呈同心圆环形状；所述盖板呈圆形；所述支撑柱连接下部的圆环底座和上部的圆形盖板；所述底座和所述盖板相互平行；所述滑块通过穿出盖板上长槽孔的螺钉固定在盖板底面；所述滑块下面铰接有取苗臂，所述取苗臂之间采用夹取螺杆和夹取螺母连接；所述取苗臂下方的通孔中固定有夹针；所述夹取螺杆两端穿出所述取苗臂上的通孔槽；所述夹取螺杆两端通过螺纹与所述夹取螺母配合；所述夹取螺母穿出所述取苗臂上的通孔槽，并且夹取螺母的两端挡住所述通孔槽。

上述装置中，每个取苗臂下方的夹针为两根，两根夹针呈对称分布。

上述装置中，所述夹针的材料密度是作物幼苗的苗钵密度的1.1～1.9倍。

上述装置中，所述支撑柱为3根。

本发明提出了一种基于CT技术的作物幼苗夹持取苗过程中苗钵破损检测方法，包括如下步骤：

S1、制作用于CT扫描的作物幼苗夹持取苗装置：作物幼苗夹持取苗装置由底座、支撑柱、盖板、滑块、取苗臂、夹取螺杆、夹取螺母和夹针组成，底座呈同心圆环形状，盖板呈圆形，用支撑柱连接下部的底座和上部的盖板，底座和盖板相互平行，螺钉通过盖板上的长槽孔，在盖板下方固定两个滑块，每个滑块上铰接着一个取苗臂，在两个取苗臂之间用一个夹取螺杆和两个夹取螺母连接，在每个取苗臂下方的通孔中固定着两根对称分布的夹针。

S2、制作用于放置作物幼苗的苗盒：苗盒由均匀的薄壁材料制成，外部为圆柱形，内部呈倒置四棱台形状，倒置四棱台的尺寸与蔬菜穴盘苗的苗钵的尺寸相同，苗盒的壁厚为1～3mm。

S3、作物幼苗不同夹取状态下的扫描：依次分别对穴盘苗进行苗钵未插入夹针状态、苗钵插入夹针状态和夹针夹紧到最大位移状态扫描，不同夹取状态下的扫描必须连续进行，即扫描完一个状态后要立即进行下一状态的扫描；从苗钵插入夹针状态到夹针夹紧到最大位移状态的扫描可以分解为夹针不同夹持位移量下的扫描。

S4、苗钵中孔隙提取：在CT扫描仪操作系统中读取的所有孔隙阈值取平均值，可以得到孔隙的平均阈值范围是0～N，对所有断层图片执行分割提取命令，将分割提取命令中的阈值范围设置为N+1～1000，得到苗钵中除去孔隙的其它物质的三维可视化图形，对生成的三维图形执行提取最大物体命令，最后对三维图像进行属性设置，将三维图像中的物体属性设置为0，而将背景的属性设置为大于0的数值，重新生成的可见物体就是孔隙。

上述方法中，所述步骤S1中夹针的材料密度是作物幼苗的苗钵密度的1.1～1.9倍。

上述方法中，所述步骤S1中底座、支撑柱和盖板由PVC材料制成。

上述方法中，所述步骤S2中苗盒的材料密度低于作物幼苗的苗钵密度。

本发明具体的有益效果是：利用CT扫描仪对不同夹取状态下的作物穴盘苗进行断层扫描，对苗钵中的孔隙分割提取并三维可视化，研究苗钵内部新生孔隙和缝隙的产生和扩展，为取苗末端执行器的结构设计和夹取参数的选择提供理论依据。

附图说明

图1是作物幼苗夹持取苗装置和苗盒放入样本容器中的结构示意图；

图2是作物幼苗夹持取苗装置的主视结构示意图；

图3是图2的侧视结构示意图；

图4是图2的俯视结构示意图；

图5是图2的A-A剖视结构示意图；

图6是苗盒的剖视结构示意图；

图7是图6的俯视结构示意图；

图8是作物苗钵利用本发明方法分割提取得到的孔隙三维可视化图形；

图9是作物苗钵直接孔隙分割提取得到的孔隙三维可视化图形。

图中标记：1：底座；2：支撑柱；3：盖板；4：滑块；5：取苗臂；6：夹取螺杆；7：夹取螺母；8：夹针；9：苗盒；10：样本容器；5-1：通孔；3-1：长槽孔。

具体实施方式

下面结合附图，以番茄穴盘苗夹持取苗过程中苗钵破损检测为例，对本发明的实施过程做进一步的说明。

S1、制作用于CT扫描的番茄穴盘苗夹持取苗装置

使用CT扫描仪对番茄穴盘苗进行断层扫描时，番茄穴盘苗和夹持取苗装置都必须放置在CT扫描仪的样本容器10中，如图1所示，CT扫描仪的样本容器10的内部空间呈圆柱形，直径为高度为10cm，为此设计了番茄穴盘苗夹持取苗装置，如图2、图3、图4、图5所示，番茄穴盘苗夹持取苗装置由底座1、支撑柱2、盖板3、滑块4、取苗臂5、夹取螺杆6、夹取螺母7和夹针8组成，底座1呈同心圆环形状，盖板3呈圆形，用支撑柱2连接下部的底座1和上部的盖板3，底座1和盖板3相互平行，螺钉通过盖板3上的长槽孔3-1，在盖板3下方固定两个滑块4，每个滑块4上铰接着一个取苗臂5，两个取苗臂5之间用一个夹取螺杆6和两个夹取螺母7连接，在每个取苗臂5下方的通孔5-1中固定着两根对称分布的夹针8；夹取螺杆两端穿出取苗臂上的通孔槽，夹取螺杆6两端设置有相同尺寸的螺纹，两端螺纹的方向相反，夹取螺杆两端与夹取螺母通过所述螺纹配合，转动夹取螺杆，带动夹取螺母沿夹取螺杆直线运动，夹取螺母穿出取苗臂上的通孔槽、并且夹取螺母的两端挡住所述通孔槽，如此在夹取螺母直线运动时能够带动取苗臂绕着与盖板的铰接点旋转，实现两个取苗臂收紧或张开；为了避免扫描时夹持取苗装置各部件的材料密度明显高于苗钵密度造成的图像干涉，致使生成的断层图片不清晰，底座、支撑柱和盖板由PVC材料制成；为了避免插入苗钵的夹针的材料密度明显高于苗钵密度造成的图像干涉，同时又要使生成的断层图片中夹针明显区别于苗钵中各组成部分，夹针的材料密度应大于番茄穴盘苗的苗钵密度，但是密度差异不能太大，否则会造成图像干涉，使生成的断层图片不清晰，同时夹针又要保持一定的硬度，确保夹针可以可靠的夹取苗钵，夹针的材料可以是玻璃纤维或铝合金。

S2、制作用于放置番茄穴盘苗的苗盒

为了获取不同夹取状态下苗钵相同位置和角度的断层图片，用于在二维图片中分析孔隙的变化，在每次CT扫描时，苗钵需保持相同的空间位置，为此设计了一个用于放置番茄穴盘苗的苗盒9，如图6、图7所示。苗盒9由均匀的薄壁材料制成，外部为圆柱形，内部呈倒置四棱台形状，倒置四棱台的尺寸与番茄穴盘苗的苗钵的尺寸相同，为了避免苗盒的材料密度明显高于苗钵密度造成的图像干涉，同时X射线可以较为容易的穿透苗盒，苗盒的壁厚应该尽量薄，苗盒的壁厚设置为1～3mm，苗盒的材料密度低于番茄穴盘苗的苗钵密度。

S3、番茄穴盘苗不同夹取状态下的扫描

依次分别对番茄穴盘苗进行苗钵未插入夹针状态、苗钵插入夹针状态和夹针夹紧到最大位移状态扫描；首先将苗钵放入苗盒中，将苗盒通过底座内环放置到蔬菜穴盘苗夹持取苗装置内部，然后将苗盒和番茄穴盘苗夹持取苗装置一起放置到CT扫描仪的样本容器中，对苗钵进行断层扫描；扫描完成后，将苗盒和蔬菜穴盘苗夹持取苗装置从样本容器中取出，将夹针通过取苗臂下方的通孔插入苗钵内部，再放入样本容器中进行扫描；用同样的方法对夹紧状态下的苗钵进行扫描；为了减小扫描过程中番茄穴盘苗苗钵长时间放置水分蒸发对三维成像质量和孔隙分布的影响，不同夹取状态下的扫描必须是连续进行，即扫描完一个状态后要立即进行下一状态的扫描；为了使每次扫描生成的苗钵断层图片具有相同的方位，在每次扫描时，苗盒、番茄穴盘苗夹持取苗装置和样本容器的相对位置始终保持不变；为了利于分析夹取过程中苗钵内部根系和孔隙的空间分布变化过程，从苗钵插入夹针状态到夹针夹紧到最大位移状态的扫描可以分解为夹针不同夹持位移量下的扫描。

S4、苗钵中孔隙提取

在扫描生成的断层图片中，直接辨别出孔隙所在的区域，对任意孔隙绘制封闭的环线，可以在CT扫描仪操作系统中读取绘制的封闭环线区域内的阈值，采用同样的方法在其它断层图片中辨别出任意孔隙区域，对任意孔隙绘制封闭的环线，并读取封闭环线内孔隙的阈值，对读取的所有孔隙阈值取平均值，可以得到孔隙的平均阈值范围是0～15；对所有断层图片执行分割提取命令，将分割提取命令中的阈值范围设置为16～1000，得到苗钵中除去孔隙的其他物质体的三维可视化图形，这时生成的三维图形中，不仅包含有连接在一起的育苗基质和根系，还包含大量微小的离散点，这些离散点是断层图片中的噪声形成的，对生成的三维图形执行提取最大物体命令，这样就去除了三维图形中的小的离散点，最后对三维图像进行属性设置，将三维图像中的物体属性设置为0，而将背景的属性设置为大于0的数值，这时物体变成透明，而背景色变成可见物体，重新生成的可见物体就是孔隙。

CT扫描效果

试验在江苏大学农业装备工程学院实验室中进行，本实验实施过程中使用的计算机断层图像扫描设备为瑞士SCANCO Medical AG公司生产的SCANCO MEDICALμCT100，扫描时将番茄穴盘苗、夹持取苗装置和苗盒放置于内部容积直径和高分别为的样品容器中，CT扫描仪的扫描参数设置为：电压70kVp、电流50μA、整合时间200ms、分辨率45μm，扫描过滤器设置为铝滤镜。扫描完成后使用CT扫描仪本身的操作系统和IPL语言(image processing language)对获得的苗钵断层图片进行处理；用框选工具对断层图片中的孔隙绘制封闭的环线，在CT扫描仪的操作系统中读取封闭环线内的阈值，在对其它多张断层图片中进行相同的操作，得到多张图片中的孔隙阈值，对孔隙阈值取平均值；删除所有对孔隙绘制的封闭环线，用框选工具和轮廓自动选取工具对断层图片中的苗钵绘制封闭的轮廓线条；对所有的断层图片执行步骤S4中所述的操作，生成孔隙三维图形。为了对生成的孔隙三维图形的效果做一个比较，对所有断层图片执行分割提取命令，将分割提取命令中的阈值范围设置为0～15，直接生成孔隙的三维可视图形。如图8、图9所示，可以看出，将阈值设置为0～15，直接生成的孔隙三维图形中，包含有大量的噪声，无法看到苗钵内部孔隙的分布，用本发明所述的方法提取的孔隙三维图形，可以清晰的看到苗钵内部孔隙的分布，裂缝所在的位置和形状。

对于其它作物幼苗夹持取苗苗钵破损的检测，可以参照本发明中番茄穴盘苗夹持取苗苗钵破损的检测方法。

上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施方式的具体说明，它们并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施方式或变更均应包含在本发明的保护范围之内。