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申请/专利权人：南京农业大学

摘要：本发明涉及一种基于扁平栽培容器的植物根系自动化成像系统，包括栽培容器区：用于存放一个以上的待成像的扁平栽培容器；成像区：使用单反相机成像为待观察的扁平栽培容器中的根系进行正反面拍摄成像；运移装置：用于完成扁平栽培容器在栽培容器区和成像区之间的运移，本发明的有益效果是：系统整体结构简洁，可观察的植株数量大，通过单个相机和多排扁平栽培容器间的运动，实现对每个扁平栽培容器中植株植物根系正反面的成像，数据采集量大且效率高，可对作物植物根系无损伤、高通量（每小时可分析300株植物）、全自动植物根系表型分析，测量分析参数包括根冠结构（包括根深、冠幅等）、根冠面积、根长等，适合新时代对植物表型的科研仪器要求，值得广泛推广。

主权项：1.一种基于扁平栽培容器的植物根系自动化成像系统，其特征在于：包括栽培容器区：用于存放一个以上的待成像的扁平栽培容器；成像区：使用单反相机为待观察的扁平栽培容器中的根系进行正反面拍摄成像；运移装置：用于完成扁平栽培容器在栽培容器区和成像区之间的运移；运移装置将栽培容器区内存放的扁平栽培容器依次运移到成像区完成扁平栽培容器的正反面成像；还包括栽培容器备用区，用于存放一个以上成像结束后的扁平栽培容器；所述扁平栽培容器包括两片透明板、间隔条以及遮光板，所述间隔条夹放在两片透明板之间，间隔条包括两根垂直间隔条和一根水平间隔条，垂直间隔条位于透明板的两侧，水平间隔条位于透明板的底部，间隔条和透明板组成中空的栽培容器，垂直间隔条的外侧边还设置有一个以上的挂槽，挂槽位于中空容器外部；所述遮光板位于透明板顶部，遮光板中部开设有遮光板槽，遮光板槽的形状与容器顶部开口处的形状相同且位置对应，遮光板的面积大于容器顶部面积；所述透明板为钢化玻璃。

全文数据：一种基于扁平栽培容器的植物根系自动化成像系统技术领域本发明涉及一种科研仪器设备，尤其涉及一种基于扁平栽培容器的植物根系自动化成像系统。背景技术作物表型组学是一个跨学科的新领域，植物的基因组是内因，植物生长过程中的外部环境是外因，内外因互作共同决定了植物的表型，也就是我们看到的植物外观形态。对植物表型的研究，是最新兴起的多学科交叉研究领域，是加速农作物种质资源创制的“新武器”。目前国内外关于植物地上部表型的检测仪器较多，但是关于植物根系的栽培容器和自动成像的仪器则相当缺乏，国内尚无完善的设备。法国农科院的学者在德国LemanTec公司的高通量传送带平台的基础上增加了栽培容器rhizotube和旋转成像系统。该平台的特点是成像室固定，只有rhizotube在移动。德国尤里希研究所的GrowScreen-Rhizo的成像室位于两排根盒的中间，通过成像室内部的机械装置将根盒拉入成像室进行拍照。该平台的特点是成像室做线性运动，根盒也可被左右拉动。瑞典的RADIX是一个半自动化的植物根系成像平台.该平台在成像时需要将Rhizoslide拉入成像箱的缝隙中进行拍照，同时植株可以进行180度旋转，以拍照另一面。该平台的特点是成像室做线性运动，根盒可被左右拉动，在成像室中根盒可以旋转。美国的卡内基研究所的GIA-Root平台则是通过将扁形根盒进行垂直吊挂搬运来实现对每一个植株的单独成像，但是该方法不适合植株角度的植株，因为在扁型容器的吊挂过程中，叶片会互相干涉而受损。以上平台对于植物根系栽培容器、自动化搬运和图像采集方法上均有各种限制，导致其在通量上、植株栽培时长、搬运效率、可扩展程度和成像效率均有一定的局限。尚不能满足要求。因此需要开发一种高通量、高可扩展性的植株搬运和根系成像，同时考虑根系的遮光栽培和成像环境的系统将能大大提高根系表型鉴定的效率，加速育种进程。发明内容针对背景技术中的问题，本发明旨在提供一种基于扁平栽培容器的植物根系自动化成像系统。本发明提供了一种基于扁平栽培容器的植物根系自动化成像系统，包括栽培容器区：用于存放一个以上的待成像的扁平栽培容器；成像区：使用单反相机为待观察的扁平栽培容器中的根系进行正反面拍摄成像；运移装置：用于完成扁平栽培容器在栽培容器区和成像区之间的运移；运移装置将栽培容器区内存放的扁平栽培容器依次运移到成像区完成扁平栽培容器的正反面成像；单反相机优选安装两台，位于成像区两侧，确保图片像素符合植物根系表型观察的要求并拍摄根系前后的生长情况；还包括栽培容器备用区，用于存放一个以上成像结束后的扁平栽培容器。进一步优选的方案，所述扁平栽培容器包括两片透明板、间隔条以及遮光板；所述间隔条夹放在两片透明板之间，间隔条包括两根垂直间隔条和一根水平间隔条，垂直间隔条位于玻璃的两侧，水平间隔条位于透明板的底部，间隔条和透明板组成中空的栽培容器，垂直间隔条的外侧边还设置有一个以上的挂槽，挂槽位于中空容器外部；所述遮光板位于透明板的顶部，遮光板中部开设有遮光板槽，遮光板槽的形状与容器顶部开口处的形状相同且位置对应，遮光板的面积大于容器顶部面积。进一步优选的方案，所述挂槽的槽口向下，形成倒“V”型，有利于于勾住扁平栽培容器。进一步优选的方案，所述透明板采用钢化玻璃，是为了防止由于植物根系的生长从而造成扁平栽培容器产生形变，导致扁平栽培容器损坏的问题。进一步优选的方案，所述运移装置包括：龙门架移动轨道：其一端延伸至栽培容器区，另一端延伸至成像区；龙门架：沿龙门架移动轨道往复运动；栽培容器吊挂架：顶部吊接在龙门架上，下部吊接扁平栽培容器；运移装置通过栽培容器吊挂架吊起扁平栽培容器，再通过龙门架的往复运动实现扁平栽培容器在栽培容器区和成像区之间的运移。进一步优选的方案，所述栽培容器吊挂架包括移动单元和吊挂单元，所述移动单元包括滑台，滑台固定座，横板以及电机，滑台固定在横板的一侧，电机驱动滑台沿着滑台固定座的长度方向往复移动，横板另一侧连接吊挂单元，所述吊挂单元包括U型吊挂组件，U型吊挂组件包括两侧的吊柱以及吊柱之间的横梁，横梁位于U型的闭口端，U型的开口端连接横板，两侧的吊柱上均安装一个以上的挂钩，挂钩与挂钩之间位置平行，且每一根吊柱上由上至下设有一个以上的挂钩，所述挂钩与垂直间隔条的挂槽形状匹配。吊柱采用多孔钢，方便调节挂钩的位置，在确定了挂钩的位置后，吊挂起扁平栽培容器，通过滑台的上下移动实现对扁平栽培容器吊起和放下的动作，此外轨道连接单元适用于大型高通量植物表型观察系统，配合PLC控制系统，对扁平栽培容器从存取到成像进行自动化控制，满足高通量表型观察的需求；优选每一根吊柱上安装两个挂钩，可以更好的防止扁平栽培容器摆动。进一步优选的方案，所述栽培容器区和栽培容器备用区内设置有一个以上的容置框，每个容置框内放置一个以上的扁平栽培容器，扁平栽培容器顺次垂直排列在根盒框中；所述容置框包括底板、遮光前壁、后壁以及两个侧壁，顶部开口，形成内部空腔，底板下安装四个支腿，两个侧壁的上下端均安装卡槽，所述卡槽放置方向平行于两个侧壁，卡槽为长条型齿状，齿与齿之间设有槽口，槽口的朝向均朝向其相对的侧壁方向。四周封闭起到遮光效果，上部开口用于扁平栽培容器从上往下摆放至容置框内，扁平栽培容器与扁平栽培容器之间互相遮挡光线，加上扁平栽培容器顶部的遮光板，可以在容置框中形成全暗的植物根系培养环境。进一步优选的方案，所述遮光前壁可被前述吊挂单元吊起，前壁外侧安装凸出的把手，把手的位置与形状与前述吊柱上挂钩的位置和形状相匹配。进一步优选的方案，所述成像区内设有直线轨道，轨道上安装有成像架，扁平栽培容器放置在成像架上，成像架沿着直线轨道往复移动，起到调焦变焦的作用，有利于拍摄的照片更加清晰。本发明的工作过程如下：首先进行植物根系培养，将待观察的植株种子播撒在扁平栽培容器内，通过遮光板槽口将培养土填入栽培容器内，因为植物根系生长实际在土壤中生长，为了模拟实际植物根系生长情况，所以扁平栽培容器培养环境需要实现全暗，故而设置了间隔条以及遮光板，来实现容器内部遮光，此外，容置框中放置多个培养中的扁平栽培容器，扁平栽培容器与扁平栽培容器之间依次排列，辅以遮光前壁，容置框中的扁平栽培容器实现全方位互相遮光，达到全暗的效果。待容置框中的植物培养完成后，通过AGV将容置框运送至栽培容器区，栽培容器吊挂架先将遮光前壁吊起，移送至容置框内预留的位置，然后依次将框中的扁平栽培容器吊至成像区的成像架上放置，成像架两侧的单反相机对扁平栽培容器中的植物根系进行拍照成像，安装在成像区内的直线轨道可以使扁平栽培容器靠近或者远离单反相机，有利于使拍摄的照片更加清晰；成像结束后，栽培容器吊挂架再将扁平栽培容器转移至栽培容器备用区的容置框内。当所有扁平栽培容器成像完成后，再通过AGV将栽培容器备用区中的容置框转移至栽培温室中，以此类推，进行下一个容置框中扁平栽培容器植物根系的成像。本发明的有益效果是：系统整体结构简洁，可观察的植株数量大，通过单个相机和多排扁平栽培容器间的运动，实现对每个扁平栽培容器中植株植物根系正反面的成像，数据采集量大且效率高，可对作物植物根系无损伤、高通量（每小时可分析300株植物）、全自动植物根系表型分析，测量分析参数包括根冠结构（包括根深、冠幅等）、根冠面积、根长等，适合新时代对植物表型的科研仪器要求，值得广泛推广。附图说明图1为本发明的结构示意图；图2为成像区的结构示意图图3为扁平栽培容器的结构示意图；图4为遮光板的结构示意图；图5为容置框结构示意图；图6为扁平栽培容器卡槽结构示意图；图7为扁平栽培容器卡槽平面示意图；图8为栽培容器吊挂架结构示意图；图9为龙门架的结构示意图。具体实施方式如图1-2所示，一种基于扁平栽培容器的植物根系自动化成像系统，包括栽培容器区1、成像区2、栽培容器备用区3、运移装置4、容置框5、一个以上的扁平栽培容器6以及主台架7；所述栽培容器栽培容器区1、成像区2以及栽培容器备用区3顺次排布，栽培容器区1和栽培容器备用区3均设置两列容置框5，每一列容置框5内均由前向后叠放有多个扁平栽培容器6，且扁平栽培容器6顺次垂直排列在容置框5中；成像区2内设置单反相机2-1，可以采用尼康、佳能等品牌的相机，以确保拍照之后的图片像素符合植物根系表型观察的要求；所述运移装置4包括龙门架4-1、龙门架移动轨道4-2以及栽培容器吊挂架4-3；龙门架移动轨道4-2一端延伸至栽培容器区1，另一端延伸至栽培容器备用区3，龙门架4-1上设有吊挂架轨道4-31，栽培容器吊挂架4-3顶部吊接在龙门架4-1上并沿着吊挂架轨道4-31往复运动，下部用于吊接栽培容器区1内的扁平栽培容器6；所述栽培容器区1和栽培容器备用区3各设置一个龙门架4-1以及吊接在龙门架4-1上的栽培容器吊挂架4-3，栽培容器区1的龙门架4-1和栽培容器吊挂架4-3负责吊起容置框5中的扁平栽培容器6运输到成像区2成像，栽培容器备用区3的龙门架4-1和栽培容器吊挂架4-3负责将成像区2中完成成像的扁平栽培容器6运输至栽培容器备用区3；成像区2内安装直线轨道2-3，直线轨道2-3上安装有成像架2-2，扁平栽培容器6放置在成像架2-2上，成像架2-2沿着直线轨道2-3往复移动；上述系统安装在在主台架7上，主台架7设有导向轮7-1，主台架7可以根据需求，移动到不同的实验场所中；科研机构或者大专院校只需采购一套自动化成像系统和多个扁平栽培容器6以及与之配套的容置框5即可完成植物根系观察成像的实验，实现一对多实验教学，降低了科研成本，也可以让更多的植物表型学者以及爱好者体验根系成像的过程。如图3-4所示，所述的扁平栽培容器6包括两片钢化玻璃6-1、间隔条6-2以及遮光板6-3；所述间隔条6-2夹放在两片钢化玻璃6-1之间，间隔条6-2包括两根垂直间隔条6-21和一根水平间隔条6-22，垂直间隔条6-21位于钢化玻璃6-1的两侧，水平间隔条6-22位于钢化玻璃6-1的底部，间隔条6-2和钢化玻璃6-1组成中空的容器6-4，中空的容器6-4中填充培养土，植物根系在容器6-4内生长；钢化玻璃6-1的两侧以及底部均匀开设有螺栓孔6-5，两片钢化玻璃6-1之间通过螺栓加以固定，垂直间隔条6-21的外侧边还设置有一个以上的挂槽6-6，挂槽6-6位于中空容器6-4外部；挂槽6-6的槽口向下，形成倒“V”型，便于勾住扁平栽培容器6；遮光板6-3位于钢化玻璃6-1的顶部，开设两个间隔条孔6-34，垂直间隔条6-21穿过并伸出间隔条孔6-34，遮光板卡片6-32与的垂直间隔条6-21的端部的形状相匹配，此外，为了让遮光板6-3安装更加稳定，两根垂直间隔条6-21上还分别安装有遮光板卡片6-32和弹簧6-33，遮光板卡片6-32卡入垂直间隔条6-21的端部，旋转90°后完成对遮光板6-3的固定，弹簧6-33位于二者中间，起到减震缓冲作用；遮光板6-3的中部开设有遮光板槽6-31，遮光板槽6-31的位置与形状与扁平栽培容器6的顶部开口处对应设置，便于填土，遮光板6-3的面积大于扁平栽培容器6顶部的面积，遮光板6-3剖面为阶梯型，便于搭放在容置框5中，有利于扁平栽培容器6之间的互相遮叠。如图5-7所示，所述容置框5包括底板5-1、两个遮光前壁5-2、两个后壁5-3以及两个侧壁5-4，顶部开口，形成两个内部空腔，底板5-1下安装四个支腿5-5，两个侧壁5-4的上下端均安装相对应的卡槽5-6，所述卡槽5-6放置方向平行于两个侧壁5-4，卡槽5-6为长条型齿状，齿与齿之间设有槽口5-7，槽口5-7的朝向均朝向其相对的侧壁5-4方向；卡槽5-6用于卡放扁平栽培容器6，一个卡槽5-6上设置若干槽口5-7，可以同时卡放多个扁平栽培容器6，扁平栽培容器6之间互相重叠遮挡光线，加之内部空腔中四周封闭不透光，形成全暗的根系培养环境，为观察的根系生长数据的准确性提供了可靠的支持。卡槽5-6截面为梯形，为了更容易将扁平栽培容器卡放其中不窜动。所述遮光前壁5-2外侧安装把手5-8；把手5-8的形状与挂槽6-6相同，遮光前壁5-2可以被吊起，遮光前壁5-2下方还设有防撞条5-9。如图8-9所示，所述栽培容器吊挂架4-3由上至下包括轨道连接单元4-31、移动单元4-32以及吊挂单元4-33，所述移动单元4-32包括滑台4-321，滑台固定座4-322，横板4-323以及滑台电机4-324，滑台4-321固定在横板4-323的一侧，滑台电机4-324驱动滑台4-321沿着滑台固定座4-322的长度方向往复移动，横板4-323另一侧连接吊挂单元4-33；所述轨道连接单元4-31包括竖版4-311，磁铁4-312、磁铁固定板4-313以及轨道电机4-314，竖版4-311一侧与滑台固定座4-322连接，另一侧连接磁铁固定板4-313，磁铁4-312固定在磁铁固定板4-313上，用于连接上述龙门架4-1上的直线轨道4-12，轨道电机4-314驱动轨道连接单元4-31沿着直线轨道4-12往复运动；所述吊挂单元4-33包括U型吊挂组件，U型吊挂组件包括两侧的吊柱4-331和吊柱4-331之间的横梁4-332，吊柱4-331采用多孔钢，横梁4-332位于U型的闭口端，U型的开口端连接横板4-323，两侧的吊柱4-331上均安装一个以上的挂钩4-333，挂钩4-333与挂钩4-333之间位置平行，且每一根吊柱4-331上由上至下设有两个的挂钩4-333，所述挂钩4-333与前述的挂槽6-6以及把手5-8的形状匹配，呈“V”型，龙门架4-1顶部的横梁4-11上设置有两条直线轨道4-12，用于带动栽培容器吊挂架4-3沿其往复运动，横梁4-11两侧设置两根竖梁4-13，竖梁4-13上设置驱动电机4-14，竖梁4-13底端设置与龙门架移动轨道4-2相配合的滑块4-15，驱动电机4-14驱动龙门架4-1，通过滑块4-15实现在龙门架移动轨道4-2上往复运动。本发明的工作过程如下：首先进行植物根系培养，将待观察的植物种子播撒在扁平栽培容器6内，通过遮光板槽6-31口将培养土填入栽培容器6内，因为植物根系生长实际在土壤中生长，为了贴近实际植物根系生长环境，所以扁平栽培容器6培养环境需要实现全暗，故而设置了间隔条6-2以及遮光板6-3，来实现容器内部遮光，此外，容置框5中放置多个培养中的扁平栽培容器6，扁平栽培容器6与扁平栽培容器6之间依次排列，辅以遮光前壁5-2，容置框5中的扁平栽培容器6实现全方位互相遮光，达到全暗的效果。待容置框5中的植物培养完成后，通过AGV将容置框5运送至栽培容器区1，栽培容器吊挂架4-3先将遮光前壁5-2吊起，移送至容置框5内预留的位置，然后依次将框中的扁平栽培容器6吊至成像区2的成像架2-2上放置，成像架2-2两侧的单反相机2-1对扁平栽培容器6中的植物根系进行拍照成像，安装在成像区2内的直线轨道2-3可以使扁平栽培容器6靠近或者远离单反相机2-1，起到调焦变焦的作用，有利于拍摄的照片更加清晰；成像结束后，栽培容器吊挂架4-3再将扁平栽培容器6转移至栽培容器备用区的容置框5内。当所有扁平栽培容器6成像完成后，再通过AGV将栽培容器备用区中的容置框转移至温室栽培区，以此类推，进行下一个容置框中扁平栽培容器植物根系的成像本发明的有益效果是：系统整体结构简洁，可观察的植株数量大，通过单个相机和多排扁平栽培容器间的运动，实现对每个扁平栽培容器中植株植物根系正反面的成像，数据采集量大且效率高，可对作物植物根系无损伤、高通量（每小时可分析300株植物）、全自动植物根系表型分析，测量分析参数包括根冠结构（包括根深、冠幅等）、根冠面积、根长等，适合新时代对植物表型的科研仪器要求，值得广泛推广。

权利要求：1.一种基于扁平栽培容器的植物根系自动化成像系统，其特征在于：包括栽培容器区：用于存放一个以上的待成像的扁平栽培容器；成像区：使用单反相机为待观察的扁平栽培容器中的根系进行正反面拍摄成像；运移装置：用于完成扁平栽培容器在栽培容器区和成像区之间的运移；运移装置将栽培容器区内存放的扁平栽培容器依次运移到成像区完成扁平栽培容器的正反面成像。2.根据权利要求1所述的一种基于扁平栽培容器的植物根系自动化成像系统，其特征在于：还包括栽培容器备用区，用于存放一个以上成像结束后的扁平栽培容器。3.根据权利要求1所述的一种基于扁平栽培容器的植物根系自动化成像系统，其特征在于：所述扁平栽培容器包括两片透明板、间隔条以及遮光板，所述间隔条夹放在两片透明板之间，间隔条包括两根垂直间隔条和一根水平间隔条，垂直间隔条位于透明板的两侧，水平间隔条位于透明板的底部，间隔条和透明板组成中空的栽培容器，垂直间隔条的外侧边还设置有一个以上的挂槽，挂槽位于中空容器外部；所述遮光板位于透明板顶部，遮光板中部开设有遮光板槽，遮光板槽的形状与容器顶部开口处的形状相同且位置对应，遮光板的面积大于容器顶部面积。4.根据权利要求3所述的一种基于扁平栽培容器的植物根系自动化成像系统，其特征在于：所述挂槽的槽口向下，形成倒“V”型。5.根据权利要求3所述的一种基于扁平栽培容器的植物根系自动化成像系统，其特征在于：所述透明板为钢化玻璃。6.根据权利要求1所述的一种基于扁平栽培容器的植物根系自动化成像系统，其特征在于：所述运移装置包括：龙门架移动轨道：其一端延伸至栽培容器区，另一端延伸至成像区；龙门架：沿龙门架移动轨道往复运动；栽培容器吊挂架：顶部吊接在龙门架上，下部吊接扁平栽培容器；运移装置通过栽培容器吊挂架吊起扁平栽培容器，再通过龙门架的往复运动实现扁平栽培容器在栽培容器区和成像区之间的运移。7.根据权利要求6所述的一种基于扁平栽培容器的植物根系自动化成像系统，其特征在于：所述栽培容器吊挂架由上至下包括轨道连接单元、移动单元以及吊挂单元，所述轨道连接单元包括竖版、磁铁以及磁铁固定板；竖版一侧与滑台固定座连接，另一侧连接磁铁固定板，磁铁固定在磁铁固定板上；所述移动单元包括滑台、滑台固定座、横板以及电机，滑台固定在横板的一侧，电机驱动滑台沿着滑台固定座的长度方向往复移动，横板另一侧连接吊挂单元；所述吊挂单元包括U型吊挂组件，U型吊挂组件包括两侧的吊柱和吊柱之间的横梁，横梁位于U型的闭口端，U型的开口端连接横板，两侧的吊柱上均安装一个以上的挂钩，挂钩与挂钩之间位置平行，且每一根吊柱上由上至下设有一个以上的挂钩，所述挂钩与前述垂直间隔条两侧的挂槽形状匹配。8.根据权利要求1或2所述的一种基于扁平栽培容器的植物根系自动化成像系统，其特征在于：所述栽培容器区和栽培容器备用区内设置有一个以上的容置框，每个容置框内放置一个以上的扁平栽培容器，扁平栽培容器顺次垂直排列在容置框中；所述容置框包括底板、遮光前壁、后壁以及两个侧壁，顶部开口，形成内部空腔，底板下安装四个支腿，两个侧壁的上下端均安装卡槽，所述卡槽放置方向平行于两个侧壁，卡槽为长条型齿状，齿与齿之间设有槽口，槽口的朝向均朝向其相对的侧壁方向。9.根据权利要求8所述的一种基于扁平栽培容器的植物根系自动化成像系统，其特征在于：所述遮光前壁可被前述栽培容器吊挂架吊起，遮光前壁外侧安装凸出的把手，把手的位置与形状与前述吊柱上挂钩的位置和形状相匹配。10.根据权利要求1所述的一种基于扁平栽培容器的植物根系自动化成像系统，其特征在于：所述成像区内设有直线轨道，轨道上安装有成像架，扁平栽培容器垂直放置在成像架上，成像架沿着直线轨道往复移动。

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