智能根窗的制作方法

本发明涉及用于观察植物根系活动的根窖。

背景技术：

植物根系对固定植株和获得水分和养分起着不可替代的作用，但是土壤不可观测性的限制，给根系生态学的研究带来一定的困难。因此，找到原位观察根系生长的方法对研究根系生态学就显得尤为重要。

一般情况下，对根系的研究可采用挖掘法、土钻法、土柱法、容器法、剖面法等传统方法，但因采样破坏性大、工作量大，严重阻碍了根系研究的深入开展。

现今，对于根系研究多采用根部扫描仪器和根窖观察法。

现有的根部扫描仪器多为圆筒状，以便于放置进预先插入待观察位置的透明根管中进行作业。放置好仪器后，下放到指定深度处，使扫描窗口对应欲采集图像信息处开始工作(根据实际需要及仪器结构而决定扫描仪工作时是否在原位有旋转动作)。虽然根系扫描装置工作时可通过在根管中移动而对植物根系进行无损扫描，却因其结构将扫描区域局限于小面积成像。根部扫描仪器的直径很小，为厘米级，例如为7厘米。

因此，现有的根部扫描仪器因其小直径、圆柱状的整体设计，只能进行小范围的图像信息扫描。并且，有些因其结构缺陷在旋转作业时并不能达到整周旋转，从而使采集的图像信息缺失。另外，现有仪器的设计虽然便携、可操作性强，但不能长期放置进行扫描工作。总之，其具有图像信息采集面积小、图像信息收集不完整、工作时长短等问题，导致适用场所少，不能满足使用需求。

由此，为了进行大区域根系研究，可采用根窖观察法(又称根窖法、根系地下观测室、玻璃墙法、剖面墙法)。其是在自然生长的作物下挖一根室，根室每边都有透明的窗户可以连续观察和记录根系的生长情况及与土壤物理性状的关系。在根窖内安装电灯，以便于人工绘制根系信息或者相机拍摄根系信息。

通常来说需要在有根的一侧,挖长和宽大于1m的剖面,安装1m²观察框,观察框分为100个方格,每个方格100cm²,在每个方格内观察根系情况。根据根系的不同粗度手工用不同的符号在方格中表示出来。

根窖观察法虽然可弥补根系观察区域小的不足，但根窖的建设和人工出入通道的开通费时费工。而且，根窖建设之后不可调整，难以实现标准化。研究过程中，必须保证透光性和温度等环境因素不被人为改变从而影响观察结果。另外，人工绘制和相机拍摄的这两种根系信息采集手段也存在耗时、有误差及清晰度不够的问题，给研究工作造成困难。

因此，根窖观察法也因其本身建设费工费时，根系信息采集困难等问题给研究工作带来不便。

技术实现要素：

本发明旨在提供一种智能根窗，以解决现有的根部研究方法不能满足使用需求的问题。

为实现上述目的，一种智能根窗，包括箱体组件和控制单元，该箱体组件用于埋设在与植物根部对应的土壤中收集植物地下根系的信息，并且，该箱体组件包括：密封的箱体；以及拍摄装置，设置于所述箱体内，能够在所述箱体内沿平面方向移动，透过所述箱体的透明部分拍摄与所述平面方向相对的植物地下根系的图像信息，其中，所述控制单元控制所述拍摄装置自动拍摄根系信息并将所拍摄的信息传送至信息处理终端，所述控制单元设置于所述箱体内，或者与所述箱体连接而形成一体的结构，或者设置于位于所述箱体外部的工控柜内。

优选地，智能根窗还包括：工控柜，该工控柜设置于所述箱体的外部，用于存储和中转所拍摄的信息。

优选地，所述箱体为立方体形，该箱体的至少一面是面向所拍摄的植物地下根系的透明板，该透明板与所述箱体的其它部分之间的连接为可拆卸的连接，并且，在该透明板与所述箱体的其它部分之间设置有密封圈。

优选地，在该透明板与所述箱体的其它部分之间的接缝处围绕有重金属材料制成的箔带，优选是铜箔带。

优选地，所述密封圈是双密封圈，包括位于外圈的外密封圈和位于内圈的内密封圈，所述透明板在与所述箱体的其它部分相连的边缘部分具有外圈密封槽和内圈密封槽，分别容纳所述外密封圈和内密封圈；并且所述透明板在所述外圈密封槽和内圈密封槽之间具有通孔，所述箱体的其它部分的与所述透明板相连的连接部在与所述通孔对应的位置具有带螺纹的盲孔，螺钉穿过所述通孔而固定至所述盲孔，从而使所述透明板密封地固定至所述箱体的其它部分，所述透明板例如是亚克力板，所述箱体的其它部分例如是由不锈钢板焊接而成的。

优选地，所述透明板的边缘部分与所述箱体的与该透明板垂直的四个侧面相连，所述四个侧面带有作为连接部的凸缘，所述凸缘具有所述盲孔。

优选地，所述箱体内安装有导轨，以引导所述拍摄装置移动。

优选地，所述导轨包括：两个间隔开的纵向导轨，每个纵向导轨还具有纵向滑块；以及一个横向导轨，该横向导轨安装在所述纵向滑块上，从而能够沿所述纵向导轨移动，并且，所述拍摄装置通过横向滑块安装在该横向导轨上，从而能够沿该横向导轨移动；位于所述纵向导轨上的两个纵向滑块由一个电机驱动，该电机设置在两个纵向导轨之一上，并且在两个纵向导轨之间还设有连接轴，以由所述电机同步驱动这两个纵向滑块；并且，所述横向导轨也安装有一个电机，以驱动安装所述拍摄装置的所述横向滑块移动。

优选地，所述纵向滑块上的电机和所述横向滑块上的电机均配有减速器。

优选地，所述导轨包括：两个间隔开的横向导轨，每个横向导轨还具有横向滑块；以及一个纵向导轨，该纵向导轨安装在所述横向滑块上，从而能够沿所述横向导轨移动，并且，所述拍摄装置通过纵向滑块安装在该纵向导轨上，从而能够沿该纵向导轨移动；位于所述横向导轨上的两个横向滑块由一个电机驱动，该电机设置在两个横向导轨之一上，并且在两个横向导轨之间还设有连接轴，以由所述电机同步驱动这两个横向滑块；并且，所述纵向导轨也安装有一个电机，以驱动安装所述拍摄装置的所述纵向滑块移动。

优选地，所述纵向滑块上的电机和所述横向滑块上的电机均配有减速器。

优选地，在所述箱体内设置有用于给所述拍摄装置照明的LED灯，优选地，所述LED灯设置于所述拍摄装置的镜头的两侧。

优选地，所述箱体中还包括发射紫外光和荧光的灯。

优选地，通过将多个箱体组件拼接在一起，多台智能根窗可拼接在一起使用。

优选地，智能根窗与互联网连接，并且可将所拍摄的信息传输到云数据。

本发明提出了全新的智能根窗，其观察面积大，使用方便。下表给出本发明的智能根窗相对于现有下挖根窖在八个方面的优势。

附图说明

图1为本发明实施例的智能根窗的埋设于土壤中的箱体组件的立体图。

图2为图1所示的移除部分透明板的箱体组件的平面示意图，其中示出成像区域P。

图3A为图1所示的箱体组件的第一示例的左视图。

图3B为图3A的沿A-A剖切的第一示例的剖视示意图。

图4A为图1所示的箱体组件的第二示例的左视图。

图4B为图4A的沿B-B剖切的第二示例的剖视示意图。

图5为图1所示箱体组件的箱体的立体示意图。

图6为图1所示箱体组件的箱体的正视示意图。

图7A为透明板的正视示意图。

图7B为图7A的沿A-A剖切的剖视示意图。

图8为图1所示箱体组件中的透明板与箱体的其它部分的连接和密封的示意图。

图9A为图5所示箱体的右视图。

图9B为图5所示箱体的左视图。

图9C为图5所示箱体的俯视图。

具体实施方式

在下文中，将参照附图描述本发明的智能根窗的实施例。

在此记载的实施例为本发明的特定的具体实施方式，用于说明本发明的构思，均是解释性和示例性的，不应解释为对本发明实施方式及本发明范围的限制。除在此记载的实施例外，本领域技术人员还能够基于本申请权利要求书和说明书所公开的内容采用显而易见的其它技术方案，这些技术方案包括采用对在此记载的实施例的做出任何显而易见的替换和修改的技术方案。

本说明书的附图为示意图，辅助说明本发明的构思，示意性地表示各部分的形状及其相互关系。请注意，为了便于清楚地表现出本发明实施例的各部件的结构，各附图之间不一定按照相同的比例绘制。相同的参考标记用于表示相同的部分。此外，在参照附图进行描述时，为了表述方便，采用了方位词如“上”、“下”、“前”、“后”等，它们并不构成对特征的结构特定地限制。

本发明的智能根窗用于自动收集植物根系的相关信息以进行根系的研究，包括用于埋设在与植物根部对应的土壤中收集植物地下根系的信息的箱体组件，另外可包括与箱体组件分开设置的工控柜，还可包括用于直接处理与分析箱体组件拍摄的图像的处理终端，例如计算机。

图1、2、3A、3B、4A和4B示出本发明实施例的智能根窗的箱体组件，该箱体组件包括：密封的箱体1、控制单元5、拍摄装置7、以及用于使拍摄装置7的轨道系统。

箱体1包括透明板4以及由背板和侧板组成的部分，透明板4与由背板和侧板组成的部分由螺钉2可拆卸地连接，并且，在它们之间的连接形成为密封连接，而由背板和侧板组成的部分经满焊而密封。箱体1还包括可设置于不同侧板上的拉环3，其数量和形状显然可以根据需要来设定。关于箱体1，下文还会做进一步的详细说明。

拍摄装置7经由轨道系统在箱体1内沿平面方向移动，透过透明板4拍摄与所述平面方向相对的植物地下根系的图像信息。

控制单元5控制拍摄装置7的移动和拍摄以及信息的传送，在图示实施例中是设置于所述箱体内，但显然其也可在所述箱体的外部与所述箱体连接而形成一体的结构。另外，可以设置于位于所述箱体外部的工控柜内。

控制单元5控制拍摄装置7自动拍摄根系信息，并将所拍摄的信息传送至信息处理终端，例如计算机。控制单元5控制导轨上的滑块的运动轨迹，由此控制拍摄装置7的移动轨迹。另外，控制单元5控制拍摄装置的开启、关闭，控制光源的开启、关闭，并且监测箱体内部的温度和湿度。

在本发明中，工控柜的作用之一是供电，例如将交流电转换为箱体组件所需的直流电，再例如，在使用太阳能供电的智能根窗系统中，可以起到对太阳能供电的管理和转换作用。工控柜的作用之二是包括智能根窗系统的控制终端，用于存储和中转所拍摄信息，当然，控制单元5如前所述也可以设置在工控柜中。为控制箱体组件的温度以及便于根窗系统的制造、安装和操作，本发明优选是设置位于箱体外部的工控柜；但是，本发明也可以不设置单独的工控柜，而是在箱体1中安装装置以去除单独的工控柜。

图3B和图4B示出了两种轨道系统，其中图3B还示例性地示出成像区域P和拍摄装置的移动轨迹。

轨道系统包括：两条纵向轨道6；一条横向轨道24；连接纵向和横向轨道的滑块10；连接横向轨道与拍摄装置的滑块；纵向电机8；以及横向电机13。图3B的轨道系统采用的是丝杠轨道，其中电机直接连接丝杠而驱动。此外，轨道系统还可以采用同步带来驱动。也即，轨道例如可以采用传送带式电动导轨，也可以采用丝杠传动式导轨。图4B的轨道系统采用的也是电机，但纵向电机8和横向电机13还分别安装了减速器17和14。减速器能够降低电机转速同时提高输出扭矩。图4B的轨道系统还示出了拖链15和16，拖链用于束线，以便于拍摄装置7移动。

位于纵向导轨6上的两个纵向滑块10由一个电机8驱动，该电机8设置在两个纵向导轨之一上，并且在两个纵向导轨6之间还设有连接轴11，以由电机8同步驱动这两个纵向滑块10。

导轨与箱体的固定可以依靠导轨固定脚23(参见图5和6)实现。横、纵导轨也可以靠导轨固定脚实现。横、纵导轨之间的导轨固定脚用螺栓固定在纵轨的滑块上，其侧面与横轨上带有的轨道相连接。从而当纵轨上的滑块在纵轨上滑动时，固定脚上固定的横轨也随之移动。

导轨6与拍摄装置7之间通过拍摄装置转接板来连接。转接板的指定位置处有螺纹孔，通过螺栓可以将其固定在滑块上(滑块上也有对应的螺纹孔)。同理，转接板与拍摄装置外壳也可以固定连接(拍摄装置主体分为外壳和摄像仪器)，从而将拍摄装置7间接固定在导轨6上。

箱体组件埋设于指定位置，使欲采集图像信息处与成像区域P相对应。拍摄装置7由滑块带动，如图3B所示呈S形轨迹移动而获得成像区域，在本实施例中拍摄装置7移动到某一位置停止后再拍摄，即，每次小距离移动均拍摄而采集成像信息，直到成像区域内每个位置的图像信息均被采集。最后，在处理终端中利用软件的处理而将全部图像拼合成与成像区域同等大小的图像，得到所有局部位置及完整成像区域的图像信息。

下面详细说明中图4B的示例二中的智能根窗的拍摄装置7的完成图示S形轨迹的工作过程。

①控制单元发出指令1，控制纵轨上的电机轴转动一定圈数，通过减速器实现降速，将转矩传递给纵轨头部的短轴，通过传送带，带动两支纵向导轨的滑块同步向上运动一个单位距离(单位距离可设定)。控制单元发出指令2，开启光源。然后控制单元发出指令3开启拍摄装置，采集植物根部图像信息，发出指令4，关闭光源。重复此过程直到拍摄装置移动到成像区域左侧顶部；

②控制单元发出指令1，控制横轨上的电机轴转动一定圈数，通过减速器实现降速，将转矩传递给横轨头部的短轴，通过传送带，带动横向导轨的滑块向右运动一个单位距离(单位距离可设定)。控制单元发出指令2，开启光源。然后控制单元发出指令3开启拍摄装置，采集植物根部图像信息，发出指令4，关闭光源。

③控制单元发出指令1，控制纵轨上的电机轴转动一定圈数(与①反向)，通过减速器实现降速，将转矩传递给纵轨头部的短轴，通过传送带，带动两支纵向导轨的滑块同步向下运动一个单位距离(单位距离可设定)。控制单元发出指令2，开启光源。然后控制单元发出指令3开启拍摄装置，采集植物根部图像信息，发出指令4，关闭光源。重复此过程直到拍摄装置移动到成像区域下部；

重复上述①—②—③—②过程，直到整个成像区域的图像信息全部被成功采集。

请注意，图示的S形轨迹仅是示例，本发明可以采用其它的移动轨迹来获得信息，所能拍摄到的面积即是拍摄装置7的成像区域P。只要能够经拍摄装置移动而获得成像区域的轨迹都可以采用。

显然，轨道系统并不限于实施例的图示形式，还可以为其它任何形式，只要能够满足拍摄装置7的移动要求即可。例如，可以采用两条横向轨道与一条纵向轨道组合的形式，另外，也可以采用横向、纵向轨道各一条的交叉形式。此外，还可以采用曲线轨道的形式。关于如何使拍摄装置移动的形式，可以采用任何现有技术来实现，也可以设计任何结构，只要使拍摄装置移动而获得与根系对应的必要成像区域即可。

箱体组件要满足的功能是自动实现拍摄装置7的移动和拍摄以及对所拍摄图像的传送，箱体还要实现的一个功能是承受土壤的压力，除此之外，箱体组件要考虑的两个重要问题是密封和保持温度的变化尽量小。

密封是为了防止水和根侵入箱体内，而保持温度的变化尽量小是为了尽量减小对于所要拍摄的根系的干扰，因为对植物根系的一个重要影响因素是温度。另外，温度变化小对于拍摄装置也能起到保护作用。

为了减少温升，给拍摄装置7照明采用的是发光二极管(LED灯)。而且，为了获得良好成像质量，采用将LED灯设置于镜头的侧面，形成侧面照明。本发明的照明装置不限于LED灯，也可以采用其它光源，但以尽量减少温升为佳。

为了获得不同的观察图像，本发明还可以在箱体中设置紫外光灯和/阿克荧光灯，这对于根系的研究也有很重要的作用。本发明的这种自动收集根系信息的装置能够方便、自动地采用不同的光进行拍摄。

本发明的这种自动收集根系信息的装置相对于现有下挖根窖来说是一种全新的设计，极大地有利于根系研究，各方面获得了飞跃。

下面进一步参见图5-9详细说明箱体。

箱体1的侧板一体部分包括横侧板18、纵侧板19和背板20，它们通过满焊连接在一起。在背板20上如图5和6所示还设置了轨道固定脚23(示例性地为四个)，另外，在横侧板18和纵侧板19的边缘还设置了凸缘21以用于与透明板4连接。在箱体1上还设置有用于固定拉环3的孔和导线进出孔，另外，在凸缘21上还设置了用于与透明板4连接的孔22(图5和6中，孔的22的位置由线示意性地给出)。为了密封，在箱体内可以在相应的孔位置连接凸块以使这些孔成为盲孔。

如图7A和7B所示，面向所拍摄的植物地下根系的透明板4与箱体1的其它部分之间的连接为可拆卸的连接，用螺钉2连接，并且，在该透明板与箱体1的其它部分之间设置有密封圈。

再参见图8，所述密封圈是双密封圈，包括位于外圈的外密封圈24和位于内圈的内密封圈25，透明板4在其边缘部分具有外圈密封槽和内圈密封槽，分别容纳所述外密封圈24和内密封圈25。所述密封圈是橡胶、增塑聚氯乙烯等材料制成的柔性件，橡胶例如是三元乙丙橡胶、聚丁橡胶、硅橡胶、氟橡胶、丁腈橡胶等。另外，该实施例虽然采用的是密封圈，但也可采用密封条或密封垫。

并且，透明板4在所述外圈密封槽和内圈密封槽之间具有通孔，外壳1的其它部分的与透明板4相连的连接部在与所述通孔对应的位置具有带螺纹的盲孔22，螺钉2穿过所述通孔而固定至所述盲孔22，从而使所述透明板4密封地固定至所述外壳1的其它部分。凸块26与横侧板18的凸缘21连接，从而盲孔22能够形成于凸块26中。虽然在该图中是用标号18标示出横侧板，但是，实际上纵侧板19的凸缘也是连接有凸块26，以便形成盲孔22。

透视板4可用亚克力、钢化玻璃等透明材料，外壳1的其实部分可用不锈钢、工程塑料等材料。请注意，虽然实施例中透视板4是覆盖了外壳1的全部正面，但是，该透视板可以为不同的形状和大小，可以仅覆盖正面的一部分。

在透明板4与外壳1的凸缘21之间的连接形成接缝，如图8所示，尽管在该接缝中用密封圈24和25进行密封，但是，因为植物根部的钻透力量非常强大，所以植物根部有可能穿过密封圈24和25进入外壳1的内部。

植物根部的力量是很强大的，甚至于能够穿透密封圈的密封而侵入箱体内部。为了尽量防止植物的根经过透明板4与其它部分之间的接缝侵入箱体，在该透明板4与外壳1的其它部分之间的接缝处可以围绕有重金属材料制成的箔带27，重金属例如是铜、铅、镍、锰、钼、金、银等，箔带27优选是铜箔带。在本发明实施例中，重金属材料制成的箔带包覆着接缝，该箔带的宽度例如为2-3cm，厚度例如为0.05-1.2mm。由于重金属能够抑制根的生长，因此，在设置了箔带27后，能够防止植物的根穿过密封圈侵入箱体。

外壳1可以采用不同的尺寸，例如长和宽的尺寸可以为1600*1000mm、1200*1000mm、1000*800mm、1000*600mm等等，这些都可以根据需要进行设计。虽然外壳1的尺寸理论上可以做得很小，但本发明从扩大观察面积的角度来说，外壳1的尺寸相对来说较大，可以与现有下挖根窖的尺寸相比。

图5、图6、图9A、图9B和图9C是从总体上示例性地示出箱体。其中，图9A、图9B和图9C分别是右视图、左视图和俯视图，这些视图中示例性地表示出箱体的侧面的形状及开孔情况。图9A中包括两组孔，每组孔是四个小孔围绕中间的一个大孔，大孔是通孔，用于导线的出入，大孔的尺寸直径例如为20mm左右。小孔用于安装对大孔密封的防水接头，尺寸例如是3.2mm。在图9B和图9C中，所示的孔用于安装拉环3，所示的孔在箱体侧板上贯通的，但是在相应的位置连接有凸块，从而使该孔形成为盲孔，以满足箱体的密封要求。

本发明的智能根窗是智能标准化根窖实验平台，能够进行全自动精准扫描，自动无线传输数据至智能终端平台。本发明的智能根窗可以实现根系自然生长状态的多地、同步、远程在线动态监测。与现有的根部扫描仪器相比，图像信息采集面积大，应用范围广。与现有下挖根窖相比，以全新的方式实现了自动化，减少了大量的人力、物力，比如根本不需要对根系的不同部分做人工标记，因而具有无可比拟的优势。

本发明的拍摄装置可以采用具有不同功能的装置，实现不同的像素和不同的宏观、微观范围，虽然优选采用静止拍摄，但也可采用连续移动的拍摄装置。例如，本发明的拍摄装置可以采用微距相机，以实现清晰地呈现根系的状态。

例如，本发明的拍摄装置可具有如下技术参数：

1.有效成像区域：1200*600mm

2.分辨率：1200DPI，单次成像200万像素

3.色彩：白光RGB真彩

4.数据传输方式：本地存储、远程FTP服务器、远程FTP数据上传

5.扩展模块：紫外光成像、GFP荧光成像、CFP荧光成像

6.尺寸规格：1m²/定制尺寸

本发明的智能根窗的拍摄数据可以与网络连接，可以连接至云数据，在箱体、工控柜和处理终端之间可以采用有线或无线连接。而且，本发明的智能根窗可以多个拼接在一起使用，例如多个箱体组件拼接，这样使该智能根窗的使用更加方便、灵活。

本发明的智能根窗的箱体组件的整体密闭性好，有利于长期作业。仪器外部安有拉环(也可称为吊环)，便于搬运放置。自动采集、传输根系采集信息，使采集的信息全面准确。仪器内自带光源，营造最适宜的成像环境，使得到的图像信息清晰度高、效果好。自然状态下，仪器工作时不用考虑对根系生长环境造成影响，使研究结果更为科学可靠。当仪器本身的成像区域不满足要求时，还可以对多台仪器根据需要进行拼接放置，使用灵活。

本发明的应用领域如下：

广泛应用于园艺、农学、林业、生态、植保、生命科学、烟草、作物、土壤、棉花、茶业、果树等领域。

本发明涉及的研究内容例如如下所述：

植物根系生长规律的研究、根系生物学特性、根系对水肥空间异质性的响应、根系对果树生长发育的影响等；

植物根系与水分条件、营养元素、分泌物等的关系研究；

园林植物栽培、珍稀植物保护、果树根系微生物与栽培环境的关系研究等；

间作等策略对植物的影响、甜菜等作物的产量研究等；

林地的科学管理、人工林的培育等研究；

荒漠植物的根系构型、生态适应策略、护坡植物的根系力学特征等研究。

以上对本发明的智能根窗的实施方式进行了说明。对于本发明的智能根窗的具体特征如形状、尺寸和位置可以上述披露的特征的作用进行具体设计，这些设计均是本领域技术人员能够实现的。而且，上述披露的各技术特征并不限于已披露的与其它特征的组合，本领域技术人员还可根据发明之目的进行各技术特征之间的其它组合，以实现本发明之目的为准。