一种光谱成像技术在线监测水培重金属胁迫作物的装置的制作方法

本发明涉及作物重金属和微量元素在线检测领域，具体涉及一种光谱成像技术在线监测水培重金属胁迫作物的装置。

背景技术：

重金属(镉、铬、铅、铜等)和微量元素(硅、铁、硼等)对作物生命活动具有重要影响。在重金属胁迫下，作物体内脯氨酸含量增加，光合作用和呼吸作用受到不同程度的抑制，作物减产甚至绝收。快速、高效、无损地检测作物在重金属胁迫下的生理状况如衰老、受伤害程度、环境胁迫以及其它矿质营养缺乏是实施农业精细管理的先决条件。

高光谱技术具有光谱分辨率高、图谱合一的独特优势，解决了“有谱无图”或“有图无谱”的问题，以其快速、无损、无污染及成本低的优点成为近年来农业生产领域发展最为快速的现代分析技术，高光谱成像仪包含可见近红外和近红外波段，依据不同的研究对象选择不同的波段，因其可以为每个像元提供十几、数百甚至上千个波段(波段多)、波段范围一般小于10nm(光谱范围窄)、有些传感器可以在350～2500nm的太阳光谱范围内提供几乎连续的地物光谱(波段连续)、数据量大等优势，利于利用光谱特征分析来研究地物、采用各种光谱匹配模型以及地物的精细分类与识别，为作物表型研究提供了丰富的数据信息。叶绿素荧光成像技术作为光合作用研究的探针，具有特异性、高灵敏度的特点，能快速反映作物生理生态状况，并且能够实现无损检测，在突变株筛选、病虫害检测、表型分析等众多领域都有着广泛的应用。多种成像技术手段可以全面获取检测对象的光谱信息，同时相互比对，有效提高检测性能。

目前，国内外对于作物在重金属胁迫下的光谱实验研究越来越多，对作物最常用的处理方法是利用水培的方式，方便控制作物所处的不同重金属胁迫环境，对作物的检测手段往往是通过多种光谱检测相结合的研究。然而，这种利用光谱技术检测作物信息的技术需要基于大量的样本支撑下才能进行，每做一种光谱检测的手段就要重复一次劳动，而且方法操作复杂，需要人力的搬运和运输，不仅浪费科研人员宝贵的时间，还耗时耗力，固定的操作步骤没有流程化、规范化，效率低，自动化程度不高。

技术实现要素：

为了克服上述现有实验和生产条件的缺点和不足，本发明的目的在于提供一种基于光谱成像技术在线监测水培重金属胁迫作物的装置，解决了固定的操作步骤没有流程化、规范化的问题，提高了操作效率，本发明具有多种光谱手段检测一体化、使用方便且检测高效性的优点。

为实现上述的发明目的，本发明所采用的具体技术方案如下：

一种光谱成像技术在线监测水培重金属胁迫作物的装置，包括机架以及依次安装在机架上的：

水培培养线，具有带电子编号的水培培养箱和运送水培培养箱的运输通道；

检测系统，具有与运输通道衔接的检测传送带，以及用于对水培培养箱进行光谱扫描的高光谱成像装置；

控制系统，用于对图像扫描和检测的结果进行分析，判断每个培养箱内作物是否合格，并发送分拣控制指令；

分拣系统，包括移动操作台、分拣台和移动检测仪，所述的移动操作台根据接收的分拣控制指令抓取异常样本至分拣台，并由所述的移动检测仪做进一步的检测和分析分类。

作为优选的，所述的水培培养线还包括培养架，多个运输机械臂；

所述的培养架依序摆放在培养室内，水培培养箱位于所述的培养架上，各个培养架之间连接有所述的运输通道；

所述的运输机械臂穿梭于所述的运输通道和培养架之间，将待测的水培培养箱运送至检测系统，将已测的正常培养箱运回至培养架。

作为优选的，所述的培养室还安装有led光源，通过配有人工照明，实现光源补偿功能，使室内光照环境与室外保持一致。

作为优选的，所述的检测系统还包括位于所述高光谱成像装置前端的暗处理室，用于对检测传送带的水培培养箱实时进行暗处理。

作为优选的，所述的高光谱成像装置包括可见近红外成像光谱仪、近红外成像光谱仪和叶绿素荧光成像光谱仪。

作为优选的，所述的检测系统还包括扫码器，用于识别水培培养箱上的电子编号。

本发明中，检测系统，包括暗处理室、检测传送带、高光谱成像系统有可见近红外(380-1023nm)和近红外(874-1734nm)成像光谱仪(配有两个ccd相机和配套分光模组及成像镜头、叶绿素荧光成像光谱仪、扫码器和检测龙门架；龙门架安装在检测传送带的中间区域；各光谱成像系统和扫码器以及光源安装在龙门架上；因叶绿素荧光成像系统处理植株之前，需要对植株进行足够时间的暗处理；所述检测系统包含的暗处理室可以在传送带上实时进行暗处理，且叶绿素成像系统同时进行工作，这种并行操作的方式大大提高了检测效率；识别系统用以对培养箱内作物的身份识别，并将检测结果通过无线传输设备传送到控制系统；高光谱系统解决了“有图无谱，有谱无图”的问题，且为实验研究提供了大量的分析判别作物表型的数据；叶绿素荧光与植被光合作用密切相关，可以直接反映植物光合作用速率和胁迫状态；多种成像技术手段可以全面、多方位获取检测对象的光谱信息，同时相互比对，有效提高检测性能。

作为优选的，所述的检测系统、控制系统和分拣系统间均采用无线传输数据。

所述的控制系统，是整个检测和分拣部分的控制中心，各部分的检测结果都将无线传输到控制系统；控制系统集成了机器学习功能，将对图像扫描和检测的结果进行分析，判断每个培养箱内作物是否合格，再根据分析结果控制分拣系统进行分拣；再通过移动检测仪获取更多信息，并进行分析，判断进一步需要进行的操作处理并将指令发送到移动操作台；作为优选的，所述的控制系统内存储每一个水培培养箱的历史数据，可为对作物的生长信息分析提供参考。

与现有技术相比，本发明具有以下优点和有益效果：

本发明将培养部分与检测部分结合起来，全程操作可以自动化进行，提高了空间利用率和工作效率，结合了叶绿素荧光成像仪和高光谱成像仪的在线监测水培样本的方法，可以同时处理多种光谱检测手段所获取的信息，大大的提高了试验检测效率，全程利用自动化技术进行操作，大大降低了实验人员的工作强度，该发明提出的在线监测装置和方法不仅可以减少操作人员的数量，而且还可以利用互联网远程操控控制系统，对光谱检测手段的进步和革新具有重要意义。

附图说明

图1为光谱成像技术在线监测水培作物重金属胁迫的装置图；

图2为检测系统细节图；

图3为在线检测方法流程图。

具体实施方式

下面结合实施例和附图来详细说明本发明，但本发明并不仅限于此。

如图1所示，一种光谱成像技术在线监测水培重金属胁迫作物的装置，包括水培培养线、检测系统、分拣系统、控制系统2和机架13；检测系统、分拣系统、分别通过无线传输设备1与控制系统2连接并且依次连接在机架13上。

所述作物培养线，包括培养架4、带有电子编号的作物培养箱5、运输通道14和运输机械臂15；培养架4依序摆放在培养室内，作物培养箱5位于培养架4上，各个培养架4之间有运输通道14，多个运输机械臂15在运输通道14上穿梭于培养架4之间，将待测培养箱5运送至检测系统，将已测的正常培养箱5运回至培养架4；在培养样本开始时就对样本编号，实现样本可追溯性，避免后期复杂的试验操作导致样本混淆；配有人工照明，led光源20补偿功能，使室内光照环境与室外保持一致。

所述检测系统，包括暗处理室3、检测传送带6、高光谱成像系统8有可见近红外(380-1023nm)和近红外(874-1734nm)成像光谱仪(配有两个ccd相机和配套分光模组9及成像镜头)、叶绿素荧光成像光谱仪11、扫码器7和检测龙门架12；龙门架12安装在检测传送带6的中间区域；如图2，各光谱成像系统和扫码器7以及光源10安装在龙门架12上，并且高光谱成像仪8与叶绿素荧光成像光谱仪11沿检测传送带6方向前后配置防止互相干涉，用以对培养箱5内作物的身份识别并且进行光谱扫描，并将检测结果通过无线传输设备1传送到控制系统2。

所述分拣系统，包括移动操作台18、分拣台16、等待区19和移动检测仪17；移动操作台18根据控制系统2发出的指令将异常样本抓取到分拣台16，然后移动检测仪17做进一步的检测和分析分类，然后再由移动操作台18根据控制系统2指令将异常样本按待处理的类别转移到等待区19。

所述控制系统2，是整个检测和分拣部分的控制中心，各部分的检测结果都将无线传输到控制系统2；控制系统2将对图像扫描和检测的结果进行分析，判断每个培养箱5内作物是否合格，再根据分析结果控制分拣系统进行分拣；再通过移动检测仪17获取更多信息，并进行分析，判断进一步需要进行的操作处理并将指令发送到移动操作台18；控制系统2存储每一个水培箱5的历史数据，可为对作物的生长信息分析提供参考。

上述的基于光谱成像技术在线监测水培重金属胁迫作物的系统的检测方法，如图3所示，包括以下步骤：

1)系统初始化；

2)水培培养线上的运输机械臂将水培箱运输到检测传送带，启动控制系统；

3)控制系统启动检测传送带，传送带将水培箱在暗处理室，根据每株植株叶绿素荧光检测时间的长短，设置传送带的长度，使每株植株从进入暗适应室起，至达到叶绿素荧光成像室，暗适应足够时间，然后运送到检测龙门架中心等待检测；

4)扫码器识别水培箱身份编号，检测系统开始检测并将信息传送到控制系统；

5)控制系统处理检测系统传送的扫描结果，判断水培作物的生长状态并进行分类标志；

6)检测传送带将水培箱运输至分拣系统；

7)控制系统将扫描检测分析结果相应的控制命令发送到分拣系统，如果接到异常样本的命令，执行步骤8；如果水培样本正常则执行步骤9；

8)移动操作台将异常样本抓取到分拣台，控制系统控制移动检测仪完成以下步骤：

8-1)移动检测仪做进一步的检测并将结果传送至控制系统，控制系统做进一步的分析分类；

8-2)控制系统将进一步的控制指令传给移动操作台，然后再由移动操作台18根据控制系统指令将目标样本按待处理的类别转移到等待区；

9)移动操作台将样本转移至运输机械臂操作区，由运输机械臂将水培箱样本运送回培养架继续培养。

以上所述仅为本发明的较佳实施举例，并不用于限制本发明，凡在本发明精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。