基于双模式融合的水稻高通量表型组平台装置及使用方法

本发明涉及农业自动化和信息化领域，具体涉及一种基于双模式融合的水稻高通量表型组平台装置及使用方法。

背景技术：

1、水稻植株生长信息的获取和解析是我国现代水稻育种体系和功能基因组研究的重要组成部分，也是现在水稻育种和功能基因研究的关键技术所在。水稻植株在全生育期内各种表型生长信息、的测定和量化分析，是水稻生长发育、生理研究、遗传变异等生命过程的直接表现，也是数字农业的直接体现。

2、近年来由于传统作物表型测量方法与加速育种之间的矛盾日渐凸显，并且随着计算机和表型组学的快速发展及应用，使得国内外植物表型自动化测量技术研究的发展也十分迅速。最早是由比利时的cropdesign公司设计开发图像采集系统traitmill，将光学测量技术应用于植物表型的测量；德国的lemna tec公司利用三维成像技术设计搭建了一种“全自动高通量植物3d成像系统”，该系统能对植物进行高效率、高通量、自动化的精细表型分析。这几年国内植物表型自动化分析和测量系统有一定的发展。2013年，我国首次引进lemna tec公司的植物表型检测平台。中国科学院植物研究所于2015年研发出基于激光雷达技术的作物高通量表型检测平台crop 3d，为表型组学研究提供数据支持；中科院遗传与发育生物学研究所于2017年建设了一套植物表型组学研究平台(plant phenomicsanalysis platform，ppap)，集成多个成像单元，可应用于作物的育种研究和胁迫研究。

3、上述现有技术均局限于各研究机构独自的研究方向，检测模式单一，仅支持植株原位冠层扫描或单盆侧视图像扫描中的一种模式，在设计架构上无法兼容完整的田间小区与暗室高通量自动化采集，无法实现对植株进行多尺度的图像采集，不利于对植株进行全方位精准表型性状的采集。在采用上述现有技术进行定期检测时，只能获取固定时间点的表型参数，造成部分植株关键生长时期下关键表型性状参数的缺失。

技术实现思路

1、(一)要解决的技术问题

2、为解决现有技术难以适配完整田间小区与暗室采集、自动化程度不高以及关键生长期关键表型形状参数确实等技术问题，本发明提出了一种基于双模式融合的水稻高通量表型组平台装置及使用方法。

3、(二)技术方案

4、为了解决其技术问题，本发明提供了一种基于双模式融合的水稻高通量表型组平台装置及使用方法，具体技术方案如下。

5、基于双模式融合的水稻高通量表型组平台装置，其特征在于，该平台装置包括轨道式表型组采集模块、流水线式表型组采集模块和起升转运模块；其中，所述轨道式表型组采集模块用于获取水稻盆栽顶视图像及表型参数，实现对水稻植株的快速定位及实时监测；所述流水线式表型组采集模块与所述轨道式表型组采集模块相邻设置，用于获取单盆水稻盆栽植株的侧视图像及表型参数，实现高通量、自动化的全生育期表型参数检测；所述起升转运模块安装在所述轨道式表型组采集模块上，用于完成植株在轨道式表型组采集模块和流水线式表型组采集模块之间的转运。

6、优选地，所述轨道式表型组采集模块包括种植区、图像采集模块、图像处理模块和硬件控制模块；所述种植区包括n个相互独立的种植单元，n≥1；每个种植单元包括2条相互平行x轴轨道、机架、1条垂直于x轴轨道的y轴轨道，以及位于2条x轴轨道之间的多排托架和若干盆栽植株；y轴轨道通过机架横跨在2条x轴轨道上，可沿x轴方向移动；多排托架循序排列，每个托架均设计为长条状且与y轴轨道平行，托架上摆放有1排盆栽植株；所述图像采集模块包括移动小车及其搭载的传感器模块，移动小车安置在y轴轨道上，可沿y轴方向移动，同时可与y轴轨道一起沿x轴方向在x轴轨道上整体移动，从而带动传感器模块移动至待测植株的上方；所述图像处理模块和所述硬件控制模块搭载在移动小车上，分别用于处理传感器采集的图像和硬件控制。

7、优选地，所述移动小车上安装有x轴光电开关和y轴光电开关，分别用于移动小车在x方向和y方向的坐标精确定位；所述移动小车上搭载的传感器模块包括rgb相机、高光谱相机、热红外相机和激光雷达扫描仪中的一种或多种。

8、优选地，所述流水线式表型组采集模块包括辊筒输送线、采集暗室和n个链条输送线；所述辊筒输送线与n个链条输送线串接且高度齐平，共同构成输送闭环回路；每个链条输送线均设计为长条状，长度与种植单元的托架相匹配，并且在y轴方向与多排托架平行对齐，链条输送线紧邻相对应的种植单元的区域侧边外侧，用于承接从所述轨道式表型组采集模块起升转运过来的整行盆栽植株，再将各株盆栽转运到辊筒输送线；所述辊筒输送线用于将待测盆栽转运至采集暗室，并将已检测的盆栽转运回至链条输送线原位；所述采集暗室用于对植株进行表型数据采集和处理分析。

9、优选地，所述采集暗室用于采集并处理的盆栽植株数据包括可见光图像、高光谱图像和ct图像中的一种或多种。

10、优选地，所述起升转运模块用于实现盆栽植株在种植区和链条输送线之间的起升和转运，具体包括滚轮滑动结构、机械手抓取结构、卷扬机结构和电控结构；所述滚轮滑动结构包含上下两部分，第一部分安装在机架底部，与x轴轨道连接，其作用是用于机架的运动与定位，第二部分安装在机架顶端两侧，其作用是导向和支撑，通过钢丝绳一端与机械手连接，另一端缠绕在卷扬机上；所述机械手抓取结构用于执行托架的提起和下放，与滚轮滑动结构的第二部分通过螺栓固定连接作垂直升降运动；在所述卷扬机结构的牵引下，钢丝绳牵引机械手作垂直运动从而提起或下放托架；所述电控结构中的编码器能够精准定位托架位置，以及计算出机械手的升降高度，完成对盆栽植株的起升和转运。

11、优选地，所述托架采用内部中空设计，托架内侧设有两个朝内的、相互平行的边条凸起，使其刚好安置用于承载整行盆栽植株的铁托；两个边条凸起之间的间隔宽度略大于链条输送线的宽度，使得当起升转运模块将托架从种植区转运至链条输送线上方再进行下放操作时，托架能够套在链条输送线上，使得铁托和盆栽植株被链条输送线顶起，从而完成植株从种植区到链条输送线的转移；当起升机构带动托架在链条输送线位置进行提起操作时，托架内侧的边条凸起托起铁托和盆栽植株，完成植株从链条输送线的搬离转运。

12、基于双模式融合的水稻高通量表型组平台使用方法，其采用前述的基于双模式融合的水稻高通量表型组平台装置进行数据采集，使用方法包括轨道式采集模式、流水线式采集模式和全自动采集模式；

13、其中，轨道式采集模式具体步骤如下：

14、步骤1a，用户设定待测目标小区的坐标；

15、步骤1b，移动小车启动自动定位功能，先在y轴轨道上自动移动检索y方向坐标，再在x轴轨道上自动移动检索x方向坐标，通过调节z轴升降结构来调整相机位置与视野，确定覆盖目标小区；

16、步骤1c，打开传感器模块，对植株进行原位顶视图像的采集；

17、步骤1d，对采集到的图像进行数据存储、处理、展示和上传。

18、优选地，流水线式采集模式具体步骤如下：

19、步骤2a，用户设定待测目标行的坐标；

20、步骤2b，移动小车启动自动定位功能，在x轴轨道上自动移动检索坐标，确定目标行，完成定位；

21、步骤2c，通过无线控制终端启动起升转运模块，将托架运输到链条输送线，整行植株进入流水线循环；

22、步骤2d，通过计算机系统控制链条输送线与辊筒输送线，将盆栽植株送入采集暗室，并远程控制图像采集；

23、步骤2e，完成采集，盆栽植株通过辊筒输送线运回链条输送线，通过起升转运模块将整行植株复位至种植区原始位置；

24、步骤2f，对采集到的图像进行数据存储、处理、展示和上传。

25、优选地，全自动采集模式具体步骤如下：

26、步骤3a，用户设定自动采集时间间隔，在种植区设定长期监测目标小区，并且设定表型性状关键阈值；

27、步骤3b，采用轨道式采集模式对种植区的目标小区进行长期监测，按照设定的自动采集时间间隔，定期获取目标小区的植株生长表型参数；

28、步骤3c，判断目标小区检测性状达到关键阈值后，即水稻进入关键生长期后，自动启动流水线式表型组采集模块，通过流水线式采集模式，对单盆盆栽植株侧视图像进行全方位的采集及分析，获取覆盖整个种植区的单盆植株表型信息；

29、步骤3d，对采集到的图像进行数据存储、处理、展示和上传。

30、(三)有益效果

31、相比于现有技术而言，本发明的有益效果至少体现在以下几个方面。

32、首先，本发明首次实现了流水线式表型组采集模块与所述轨道式表型组采集模块的兼容，实现了两种检测方式的融合设计，弥补了单模式下图像采集尺度的缺失，提高了平台装置的自动化水平和检测效率。

33、其次，本发明针对两个采集模块和起升转运模块进行了独创设计，链条输送线、托架、铁托和提升下降部件之间以其特有方式相互配合工作，使两个采集模块和起升转运模块实现机械、控制、通讯和试验组信息等方面的无缝对接，能够便捷快速地将整排植株从种植区自动搬运到流水线上以及从流水线搬回至种植区，从而实现了两种检测方式的顺利切换过渡，保证了高通量和高效率。

34、另外，本发明设有自动化监测采集程序，通过轨道式表型组判断目标小区检测性状达到关键阈值后，即水稻进入关键生长期后，自动启动流水线式表型组采集模块，获取覆盖整个种植区的单盆植株表型信息，实现全自动的表型信息采集，相较于传统的人工定义检测时间点，自动化监测采集程序可以有效减少人为误差，统一监测标准，确保完成关键生长时期的关键表型参数的精准采集。

35、最后，本发明提供的平台装置设计模块化，成本相对较小，操作方便快捷，具备大规模推广应用的潜力。