农作物表型田间高通量主动测量装置与方法

文档序号:9784387阅读:856来源:国知局
农作物表型田间高通量主动测量装置与方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及农业成像技术主动测量领域,具体地说是带有机械手的农作物表型田间高通量主动测量装置与方法。
【背景技术】
[0002]随着社会的进步与经济的发展,人们对于优良品质的农作物需求越来越迫切。人口的不断增长也给水稻、小麦等粮食作物(农作物)的增产带来了很好的要求。因此,创制育种新技术,定向选育选质、高产、多抗的农作物新品种,对确保粮食高产稳产、以及解决我国和全球粮食安全具有重大理论和实践意义。传统育种选择效率低、盲目性大、劳动密集,主要靠手工与经验,存在许多的不足。植物表型观测对于植物育种有十分重要。缺少表型信息会对高产、多抗的粮食基因的测定带来许多困难。
[0003]目前农作物表型测量方法有许多种。传统的人工测量主要依靠一把尺子加一杆秤,效率低,由于条件所限,仍有不少人采用。近些年来,对农作物表型的研究主要分为两类。第一类是宏观层面,主要采用的技术是遥感技术,测量粮食作物水稻、小麦等生物量等信息,但不能具体到每一株植株的表型信息。第二类是实验室单株测量,主要运用的是机器视觉技术,可以测量农作物许多表型参数。育种过程,需要大量的表型信息,因此,自动化输送线结合机器视觉技术的高通量表型测量平台近些年也发展起来。但是由于植株间相互遮挡,光线干扰以及摄像机标定困难等问题,表型测量只能通过实验室结构化环境下表型测量分析技术近似逼近真实田间测量和分析。其价格昂贵,不易推广。
[0004]现有的农作物表型测量工具方面的专利分两类。一类是离体测量装置,其测量范围小、需要手工操作且属于破坏性测量。典型的如美国的L1-COR公司的台式叶面积测量仪L1-3100C,可以离体测量水稻的叶面积等参数。另一类是在体的测量装置,测量精度低,但是属于非破坏性测量。典型的如华中科技大学申报的植物株高自动测量装置及方法专利。高通量测量平台的专利也有多种。如国外的Cropdesign公司其开发的“性状工厂”(TraitMill),国内华中科技大学的盆栽水稻表型参数的全自动无损测量系统及测量方法,都可以实现水稻等粮食作物表型高通量测量。但是这些平台价格昂贵,所处理的植株也都是盆栽农作物。第一类测量工具功能比较单一,如叶面积仪利用光学反射或投射原理,水稻穗长测量仪采用激光扫描等。第二类测量工具应用了一些机器视觉的方法,比如可见光成像、荧光成像、热成像、高光谱成像、CT成像、MRT成像等。用各种成像方式得到农作物植株的在体图像,再进行图像处理,得到所关心的表型信息。在此基础上的高通量测量平台融入了自动化输送的方式,结合着各种成像方式以及图像处理,得到大量农作物的表型参数。但是目前的高通量测量平台造价高昂,农作物必须单株盆栽,并不是真正意义上的田间高通测量,只是在实验室结构化环境下的近似逼近。
[0005]因此,传统的表型测量方法多为人工测量,效率低,准确性也依赖于操作人员。此外也有一些功能单一的表型测量装置,但是其特点限制了其高通量运用。近些年来,高通量表型测量有了一定的发展,主要分为两类。一类是实验室单株多性状高通量测量,将植株放在暗箱中,利用多种成像方式获取表型信息。这种方法得到的表型信息较为准确,但是无法实现田地测量。另一类在第一类的基础上引入了自动化输送线,将农作物单独种植于花盆中,依次运送到实验室暗箱中测量,并不是真正意义上的田间测量。实际上,这两类实验室高通量表型测量方法主要采用实验室结构化环境下表型测量分析技术近似逼近真实田间测量和分析。通过把单株农作物置于结构化设计的暗箱,规避了农作物间相互遮挡、光线干扰、摄像机标定困难的问题。但该方法缺乏与田间现实农艺环境的考察,仅仅能用于对于大规模种质材料的初级遴选,与高产高抗的品种选育目标存在极大差距。另外,从测量方法的角度来看,以上测量方法都属于被动测量,无法控制被测对象,具有测量的局限性。
[0006]目前没有发现同本发明类似技术的说明或报道,也尚未收集到国内外类似的资料。

【发明内容】

[0007]针对现有技术中存在的上述不足,本发明的目的是提供一种农作物表型田间高通量主动测量装置与方法。由于农作物表型测量在粮食作物育种中占有重要地位,重要表型包括株高、叶长、叶宽、茎叶夹角等,通过获取的农作物表型资料与基因组相结合,可以更好的实现农作物育种;因此,本发明引入机械手模块,变被动测量为主动测量,可以实现农作物表型田间的高通量主动测量。
[0008]为实现上述目的,本发明是通过以下技术方案实现的。
[0009]根据本发明的一个方面,提供了一种农作物表型田间高通量主动测量装置,包括桁架、机械手模块、暗箱、光源模块、电源模块、成像传感器、信号采集模块、PLC控制模块以及上位机处理模块;其中:
[0010]所述暗箱和机械手模块分别固定在桁架上,且暗箱设置于相邻两个机械手模块之间;
[0011 ]所述成像传感器和光源模块从上至下依次设置于暗箱中;
[0012]所述PLC控制模块分别与暗箱和机械手模块控制连接,所述PLC控制模块用于控制暗箱的移动以及机械手模块的运动;
[0013]所述信号采集模块与成像传感器连接,所述信号采集模块用于将成像传感器采集的模拟信号放大并转换为上位机处理模块能够接收的数字信号;
[0014]所述上位机处理模块与信号采集模块相连接,所述上位机处理模块用于处理及分析信号采集模块转换后的数字信号,并储存;
[0015]所述电源模块分别与暗箱、光源模块、成像传感器、PLC控制模块、机械手模块、信号采集模块、上位机处理模块相连接,所述电源模块用于供电。
[0016]优选地,所述机械手模块设置于暗箱的两侧,并在PLC控制模块的控制下能够实现前、后、上、下、左、右运动。
[0017]优选地,所述暗箱在PLC控制模块的控制下沿桁架移动并上下升降运动;所述暗箱内部设有用于罩住植株的空间。
[0018]优选地,所述暗箱内壁上涂有不透光涂层。
[0019]优选地,所述暗箱底部设有幕布。
[0020]优选地,所述成像传感器包括CCD相机、高光谱相机和结构光模块;其中:所述CCD相机设置于暗箱的顶部,所述结构光模块与暗箱的箱壁垂直45°布置,所述高光谱相机设置于暗箱的下部,并固定于暗箱的箱壁。
[0021]优选地,所述农作物表型田间高通量主动测量装置,还包括如下任一个或任多个部件:
[0022]-控制柜,所述PLC控制模块、信号采集模块、上位机处理模块以及电源模块分别设置于控制柜中;
[0023]-显示模块,与上位机处理模块相连接,所述显示模块用于显示上位机处理模块处理及分析后的数据信息。
[0024]优选地,所述显示模块还可以设置于控制柜中。
[0025]根据本发明的另一个方面,提供了一种农作物表型田间高通量主动测量方法,包括如下步骤:
[0026]步骤SI,农作物定点种植,在幼苗时期记录植株坐标,并存储至上位机处理模块中;
[0027]步骤S2,在农作物成熟期,PLC控制模块通过上位机处理模块内存储的位置信息控制暗箱移动到每一株植株上方;
[0028]步骤S3,当暗箱移动到每一株植株上方时,暗箱向下移动,罩住植株;
[0029]步骤S4,机械手模块运动,并将农作物植株分拨开至暗箱的两侧,暗箱下降并通过成像传感器拍摄图片,成像后传回上位机处理模块;
[0030]步骤S5,上位机处理模块对传回的图像进行处理分析,得到农作物表型参数并储存。
[0031]优选地,还包括如下步骤:
[0032]步骤S6,重复执行步骤S2至步骤S5,直至遍历全部植株位置。
[0033]优选地,在步骤S4中:
[0034]CCD相机用于获取农作物表面以及冠层的图像;
[0035]高光谱相机用于获取农作物茎杆部位的图像;
[0036]结构光模块用于获取农作物植株各点三维点云,进行三维重建;具体为:
[0037]结构光模块采用结构光编码的方式成像,利用三角方程获取三维信息,获取农作物的三维点云并进行三维重建,得到拍摄图片。
[0038]本发明提供的农作
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