【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于农业自动化装备技术、计算机视觉技术和生物特征识别，具体涉及一种高通量水培作物3d时序成像系统及应用方法。
技术介绍
1、随着现代农业技术的快速发展，提高作物产量、优化种植管理以及精准育种已成为农业研究的重要方向。其中，高通量作物表型分析技术在作物遗传改良、生长环境适应性研究及产量预估等方面发挥着关键作用。然而，传统的作物表型分析方法往往依赖于人工测量，不仅费时费力，且难以实现对作物生长过程的连续、无损监测。因此，开发一种能够高效、准确地获取作物三维形态结构及其动态变化的高通量成像装置及其应用方法显得尤为重要。
2、近年来，围绕3d的图像处理技术和计算机视觉在农业领域的应用日益广泛。三维重建技术能够基于多个视角的图像信息，重建出作物的三维模型，从而实现对作物形态结构的精确描述。图像处理技术和计算机视觉则能够进一步分析作物三维模型，提取出作物的三维表型特征，如株高、叶面积、茎粗、根长、根系分散程度等关键参数；同时还能基于关键的表型参数建立数学模型，实现作物的可视化生长预测。这些技术的结合为作物生长过程的可视化、生长趋势的预测以及遗传改良的精准决策提供了有力支持。
3、然而，现有的高通量作物成像装置及其分析方法仍存在一些不足。一方面，传统的成像装置往往无法同时满足高通量、包括地上和地下部分整株作物的三维分析需求，限制了其在大规模田间试验中的应用。如公开号cn115239882a提出了一种基于弱光图像的作物三维重建方法，实现弱光场景下的作物表型分析，但该方法在图像采集时效率较低，难以应用于高通量场景
4、针对上述问题，本专利技术提出了一种高通量水培作物3d时序成像系统以及包括根系在内的整株作物的三维重建、表型提取和可视化生长预测方法，旨在解决现有作物成像、三维表型提取及分析方法的不足。该系统利用水培技术为作物提供稳定的生长环境，结合三维成像技术，实现对作物生长过程的连续、无损监测。同时，通过先进的图像处理算法和计算机视觉技术，对获取的三维图像进行分析，提取出作物的表型特征，并基于这些特征对作物进行生长趋势的预测和可视化展示。该专利技术具有广泛的应用前景，可应用于农业科研、农业生产及农业自动化等领域，推动现代农业的快速发展。
技术实现思路
1、在作物表型研究中，由于土壤环境的不透光性，现有方法大多难以对根系表型进行分析；由于三维重建技术对多视角的依赖性，对作物栽培方式和成像装置的设计带来更多挑战；由于作物表型分析往往借助特定装置，导致难以实现高通量场景下的表型分析；同时随着作物生长监测及精准育种的不断发展，现有的可视化技术难以实现对作物三维形态生长预测的直观展示，限制了其在农业科研和生产中的应用。
2、为解决上述问题，本专利技术提供了如下技术方案，提供了一种高通量水培作物3d时序成像系统及应用方法，具体如下。
3、一种高通量水培作物3d时序成像系统，其特征在于，该装置包括悬架导轨（1）、悬架（2）、成像装置（3）、水培装置（4）和换液装置（5）；
4、悬架导轨（1）包括2条相互平行的纵向导轨，水平放置于平面；
5、悬架（2）包括2根支撑杆和1根横向导轨，所述2根支撑杆分别竖直安装于所述悬架导轨之上，所述横向导轨安装在2根支撑杆的上端，横跨在所述悬架导轨的2条纵向导轨之间；所述悬架可沿纵向导轨进行灵活移动；
6、成像装置（3）包括悬架连接件（6）、内伸缩臂（7）、外伸缩臂（8）、环型导轨（9）、相机（10）和背景板（11）；所述成像装置通过所述悬架连接件（6）与所述悬架（2）连接并位于悬架下方，可沿悬架上的横向导轨进行灵活移动；所述内伸缩臂（7）和外伸缩臂（8）的上端与悬架连接件（6）连接；所述外伸缩臂（8）的下端连接所述环型导轨（9）；所述相机（10）和背景板（11）安装于环型导轨（9）上，相机和背景板正对安装，二者的中心与环形导轨的圆心位于同一直线，二者可沿环型导轨绕水培装置（4）的中心轴线以相同速度同步匀速旋转，获取作物图像；
7、水培装置（4）位于所述悬架导轨（1）的2条纵向导轨之间的区域，包含阵列式排布的若干个水培装置单元；每个水培装置单元包括植物样本（12）、透明圆筒生长罐（13）、平板（14）、海绵（15）、营养液（16）、遮光罩（17）和放置台（18）；每两个水培装置单元在横向与纵向均相隔一定距离，方便所述成像装置（3）进行成像作业操作；
8、换液装置（5）包括虹吸管（20）、盛有新营养液的容器（21）和收集旧营养液的容器（22），用于定期更换水培装置（4）的营养液（16）。
9、更具体地，所述成像装置的悬架连接件（6）用于带动成像装置（3）沿悬架（2）横向移动；内伸缩臂（7）的下端用于拆卸及安装所述水培装置的遮光罩（17）；外伸缩臂（8）用于带动环型导轨（9）上下移动；环型导轨（9）以水培装置（4）为中心，使得相机和作物之间的距离保持不变；相机（10）采用手动对焦、以视频拍摄方式获取整株作物图像；背景板（11）内侧涂黑，便于整株作物图像获取。
10、更具体地，所述水培装置（4）中，所述平板（14）采用正方形设计，其外侧通过与透明圆筒生长罐（13）内壁过盈配合与透明圆筒生长罐（13）固定连接；所述平板（14）设置有上下贯穿的固定孔（19）；所述海绵（15）通过与固定孔（19）内壁过盈配合与平板（14）固定连接；所述海绵（15）位于平板（14）的正方形中心位置；所述营养液（16）的液位与平板（14）平齐；所述透明圆筒生长罐（13）用于盛放构件并提供植物生长空间；所述平板（14）用于将植物固定于水培装置（4）中心；所述海绵（15）用于在植物种子幼根萌发期为其提供水分，并在后期固定植物根系基部；所述遮光罩（17）以可拆卸的方式包裹在所述透明圆筒生长罐（13）的外周，用于避免外界光照对根系造成影响，在作物成像时卸下；所述平板（14）、海绵（15）和遮光罩（17）采用黑色材料。
11、更具体地，所述换液装置（5）中，盛有新营养液的容器（21）的液位高于水培装置（4）中营养液（16）的液位；水培装置（4）中营养液（16）的液位高于收本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种高通量水培作物3D时序成像系统，其特征在于，包括悬架导轨（1）、悬架（2）、成像装置（3）、水培装置（4）和换液装置（5）：
2.根据权利要求1所述的高通量水培作物3D时序成像系统，其特征在于，所述成像装置的悬架连接件（6）用于带动成像装置（3）沿悬架（2）横向移动；内伸缩臂（7）的下端用于拆卸及安装所述水培装置的遮光罩（17）；外伸缩臂（8）用于带动环型导轨（9）上下移动；环型导轨（9）以水培装置（4）为中心，使得相机和作物之间的距离保持不变；相机（10）采用手动对焦、以视频拍摄方式获取整株作物图像；背景板（11）内侧涂黑，便于整株作物图像获取。
3.根据权利要求1所述的高通量水培作物3D时序成像系统，其特征在于，所述水培装置（4）中，所述平板（14）采用正方形设计，其外侧通过与透明圆筒生长罐（13）内壁过盈配合与透明圆筒生长罐（13）固定连接；所述平板（14）设置有上下贯穿的固定孔（19）；所述海绵（15）通过与固定孔（19）内壁过盈配合与平板（14）固定连接；所述海绵（15）位于平板（14）的正方形中心位置；所述营养液（16）的液位与平板（1
4.根据权利要求1所述的高通量水培作物3D时序成像系统，其特征在于，所述换液装置（5）中，盛有新营养液的容器（21）的液位高于水培装置（4）中营养液（16）的液位；水培装置（4）中营养液（16）的液位高于收集旧营养液的容器（22）的液位。
5.根据权利要求1所述的高通量水培作物3D时序成像系统，其特征在于，所述换液装置（5）的虹吸管（20）包括2根，其中1根虹吸管连通所述水培装置（4）的顶部和所述盛有新营养液的容器（21），用于将新营养液虹吸输入所述水培装置（4）中，另1根虹吸管连通所述水培装置（4）的底部和所述收集旧营养液的容器（22），用于将所述水培装置（4）中的旧营养液虹吸输出到所述收集旧营养液的容器（22）中；2根虹吸管的虹吸功率相同，可在输入新营养液的同时排出旧营养液，保证换水期间所述水培装置（4）中营养液（16）的液位不变。
6.一种高通量水培作物3D时序成像系统的应用方法，其特征在于，采用权利要求1-5中任意一项所述的高通量水培作物3D时序成像系统进行成像，再进行作物3D重建、表型提取及作物生长可视化预测；
7.根据权利要求6所述的高通量水培作物3D时序成像系统的应用方法，其特征在于；作物3D重建的步骤具体为：
8.根据权利要求7所述的高通量水培作物3D时序成像系统的应用方法，其特征在于；表型提取的步骤具体为：
9.根据权利要求8所述的高通量水培作物3D时序成像系统的应用方法，其特征在于；作物生长可视化预测的步骤具体为：
...【技术特征摘要】
1.一种高通量水培作物3d时序成像系统，其特征在于，包括悬架导轨（1）、悬架（2）、成像装置（3）、水培装置（4）和换液装置（5）：
2.根据权利要求1所述的高通量水培作物3d时序成像系统，其特征在于，所述成像装置的悬架连接件（6）用于带动成像装置（3）沿悬架（2）横向移动；内伸缩臂（7）的下端用于拆卸及安装所述水培装置的遮光罩（17）；外伸缩臂（8）用于带动环型导轨（9）上下移动；环型导轨（9）以水培装置（4）为中心，使得相机和作物之间的距离保持不变；相机（10）采用手动对焦、以视频拍摄方式获取整株作物图像；背景板（11）内侧涂黑，便于整株作物图像获取。
3.根据权利要求1所述的高通量水培作物3d时序成像系统，其特征在于，所述水培装置（4）中，所述平板（14）采用正方形设计，其外侧通过与透明圆筒生长罐（13）内壁过盈配合与透明圆筒生长罐（13）固定连接；所述平板（14）设置有上下贯穿的固定孔（19）；所述海绵（15）通过与固定孔（19）内壁过盈配合与平板（14）固定连接；所述海绵（15）位于平板（14）的正方形中心位置；所述营养液（16）的液位与平板（14）平齐；所述透明圆筒生长罐（13）用于盛放构件并提供植物生长空间；所述平板（14）用于将植物固定于水培装置（4）中心；所述海绵（15）用于在植物种子幼根萌发期为其提供水分，并在后期固定植物根系基部；所述遮光罩（17）以可拆卸的方式包裹在所述透明圆筒生长罐（13）的外周，用于避免外界光照对根系造成影响，在作物成像时卸下；所述平板（14）、海绵（15）和遮光...
【专利技术属性】
技术研发人员：杨万能，段凌凤，王新轶，宋鹏，魏函志，翟瑞芳，柳仕龙，王应华，
申请(专利权)人：华中农业大学，
类型：发明
国别省市：
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