须根植物深浅根的分区引导环状排列和光电检测计数系统

技术领域

本发明涉及植物表型鉴定系统技术领域，尤其涉及一种须根植物深浅根的分区引导环状排列和光电检测计数系统。

背景技术

植物根系承担固定和支撑植株、吸收水分和矿物营养等功能。根系构型是根系在土壤或其他基质中的三维空间结构和分布情况，其特征与根系的功能相关，并进而影响植株地上部的生长发育；其中，根系能够达到的最大深度以及在深浅土层中垂直分布特征，对植株能否充分吸收利用不同土层中非均匀分布的水分和养分起到决定性作用。对于农作物而言，根系构型特征与抗倒性、抗旱性、耐贫瘠、抗早衰以及最终产量等重要性状相关。比如，根系发达、能够达到更大深度、深层土壤中根量占比较大的作物种类或者品种的抗旱能力更强。

作为植物根系构型的重要特征之一，有更多或者更高比例的根系朝着垂直方向生长，即根系与水平面夹角较大，在根系总量不变的情况下更多的根能够到达较深的土层之中，则该植物具有更好的“深根性”。除了对浅层和深层土壤中的根量进行实际测量之外，测量根系生长角度也能较好的反映植物的“深根性”，一种较为通行的方法是设定一个根系与水平面角度分界值，测量小于或大于该角度的根系数量，分别计为浅根数和深根数，以两者比值或以深根数占总根数的比例为表征参数，称之为“深根比”。

禾本科等植物，其中包括了水稻、小麦、大麦、玉米、高粱等禾谷类作物，具有冠状根系，即从植株基部节位发生的须状根向四周倾斜生长，每条根的倾斜角度或根系平均倾斜角度，常常以根的生长方向与植株基部中心点水平面或者垂直线的角度表示，被称为“根角度”(本说明书以根系与水平面夹角作为根角度)。但是，由于向地性累积效应，冠状须根伸长过程中逐渐趋向于更为垂直的姿态，根角度从根基部到根尖方向逐渐增大。因此，在每条根的相同长度处测量根角度才是合理的方法。从三维空间来看，应以植株基部中心点为球心，在某个指定半径的下半球面处测量根角度。这样，根系到达“检测半球面”时所处“纬度”的高低，就代表了其生长角度的大小。因此，可以把检测半球面分成若干个“纬度带”作为深浅根的分区，统计不同分区中根系的数量，就可以估算出浅层、中层、深层等根系占比指标。在水稻“篮子法”测量深根比的现有技术中，塑料篮子底面半径与深度比例约为0.84，底面边线上各点与篮子上口中心点连线与水平方向的夹角约为50度，从篮子侧面伸出的根系被认定为浅根，而从篮子底面伸出的根系被看作深根(Kato Y etal.2006,Plant Soil；Uga Y et al.2009,Breed Sci)。这一方法取材较为便利，在采用相近尺寸的塑料篮子时结果具有可比性，但是仅有上下两个分区对深浅根分布的表征可能不够全面、细致，而且把大量长有植株的篮子从水田中挖出，进行人工数根，是一项繁重工作，耗时费力，引入人工计数差错的风险较高。大规模群体的数根任务需要数天甚至数周时间才能完成，期间植物根系特征也已发生变化，影响了测量的准确性和可靠性。与此同时，该方法对植株具有破坏性，只能在试验结束时一次测量深根比，不能实现无损的、多时间点的连续观测。

发明内容

针对上述现有技术中的不足，本发明提供一种须根植物深浅根的分区引导环状排列和光电检测计数系统，可通过采用光电检测技术对各分区根系数量进行检测计数，实现植物深根性的无损、自动化检测分析。

为了实现上述目的，本发明提供一种须根植物深浅根的分区引导环状排列和光电检测计数系统，包括一植物生长盆、一光电检测部件、一检测台和一数据分析单元；

所述植物生长盆包括一顶面、多个筒壁、多个导向槽、多个分隔面和多个环形隔板；所述筒壁沿纵向排布且自上而下逐层向内收缩；所述顶面连接于最顶部的所述筒壁上；所述顶面的中心部镂空并向内形成一半球形空间；每一筒壁的底部内侧连接有所述导向槽；所述分隔面呈圆锥筒形，所述分隔面分隔于相邻的两所述筒壁之间，且所述分隔面的外沿连接上一所述筒壁对应的所述导向槽，下一所述筒壁的顶面连接所述分隔面的底面，所述分隔面的内沿延伸至所述半球形空间的球面；所述导向槽的底面内侧向下延伸形成所述环形隔板；所述导向槽的底面密布单圈排列的多个导向孔；所述环形隔板呈黑色或其他深纯色；所述植物生长盆用于在所述半球形空间顶面中心处种植待测植物，所述待测植物的根系沿所述分隔板分隔延伸并自导向孔伸出；

所述光电检测部件包括若干光电传感器探头和一支架；所述光电传感器探头连接于所述支架上；

所述检测台用于悬挂所述植物生长盆并连接所述光电检测部件，提供所述植物生长盆或所述光电检测部件的旋转驱动力，收集、存储和传输所述光电检测部件检测获得的光电检测数据；

所述数据分析单元，用于从所述光电检测部件或所述检测台的存储器读取所述光电检测部件测得的光电信号的时序波动数据，分析识别所述待测植物的根，记录各条根在场景圆周上的位置，统计根的数量；判别根系密接、重叠和交叉事件，优化检测结果。

优选地，所述导向孔垂直向下，所述导向孔的上口呈碗口状；

所述环形隔板向下延伸接近3cm；

所述环形隔板的近末端处具有与环形的根笼适配的套接锁定结构。

优选地，所述待测植物的根系被引导至所述导向孔下方至少2cm高度范围内，实现所述根系在深色背景前的单圈、整齐和垂直排列，以所述导向槽下沿下方1cm以内作为检测场景的优选位置。

优选地，所述植物生长盆的盆口设置有防止盆体变形的支撑结构；

所述植物生长盆的所述顶面的外沿向外延伸形成檐状结构；

所述檐状结构与所述检测台的托架精密适配，并设置有旋转驱动机构的适配接口和方向初始化的定位标记。

优选地，所述光电检测部件的所述光电传感器探头采用反射式微型光电传感器探头；

所述光电传感器探头的光斑直径小于所述待测植物的根系的拟检出最小根直径；

所述支架包括一水平连杆或一底盘，所述支架还包括至少两立杆；所述光电传感器探头通过所述立杆连接于所述水平连杆或所述底盘上；

所述立杆沿水平方向布局于所述植物生长盆中心轴的径向直线上，各所述立杆的高度不同，所述立杆的间隔距离和高度依据所述光电传感器探头与所述植物生长盆的所述检测场景的适配要求确定；

大部分所述光电传感器探头的光路朝向所述植物生长盆的中心轴，仅最内侧的一个所述光电传感器探头的光路由内向外设置。

优选地，所述检测台包括用于悬挂所述植物生长盆的内腔、安装所述光电检测部件的底座、驱动和控制所述植物生长盆匀速旋转的所述旋转驱动机构；

所述检测台还包括光电信号读取、存储和传输部件；

所述检测台还包括保持生长盆中心轴垂直的台面双向水平仪和水平调节脚。

优选地，所述数据分析单元，从所述光电检测部件或所述检测台的所述存储器读取光电信号的时序波动数据，分析提取根与背景的反射信号差异临界值，判别根与间隙交替的边界位置，提取根系计数结果和每条根在圆周上的位置信息和宽度值，

所述数据分析单元，当错位布局两个以上所述光电传感器探头检测同一批根系时，依据光路初始位置角度差和所述植物生长盆旋转角速度对来自不同所述光电传感器探头的时序波动数据进行相位校正，同时通过上下不同高度处检测结果的比较分析，判别相邻根之间是否存在密接、重叠和交叉的事件，参考所述待测植物根系直径分布范围与根系宽度值的数据，优化根系计数结果。

优选地，所述根笼为由两个以上相互分离的塑料网笼或金属网笼构成的环形网笼，所述根笼的上口设置有与所述套接锁定结构适配的套接接口和锁定机构，所述被测植物的根系从所述根笼的上部开口进入所述根笼内；

所述根笼侧壁或底部设置有漏水网孔，所述漏水网孔的孔径小于所述根系的主根和侧根的直径；

采用较大孔径的漏水孔时，开孔处设置所述根系无法穿过的网布；

各所述根笼之间高度不同，安装后保持所述根笼的底部齐平，相邻两所述根笼之间留出一廊道空间，当所述植物生长盆旋转时所述廊道空间供所述光电检测部件通过。

本发明由于采用了以上技术方案，使其具有以下有益效果：

本发明把深根比待测的植物种植于特别设计的植物生长盆上口中心点，以该中心点为球心的下半球检测球面上，达到不同纬度带的根具有不同的根角度，生长盆通过内在圆锥筒形的分隔面形成2个或更多个空间区隔，进入每个空间区隔的根系被引导至环状导向槽及其中的导向孔，使得穿过导向槽和导向孔之后的根系贴近环形挡板呈环状单层排列。

在植物生长期间的不同时间点，植物生长盆被放置于检测台上，传动装置带动其匀速旋转，光电检测部件对环状排列的根系进行扫描检测，依据白色或浅黄色根系与间隙中深色背景之间反射光强度信号的波动情况，识别单条根，并定位其在环状排列中的位置，完成根系数量的检测计数。

本发明通过植物生长盆旋转的自动化控制和光电扫描检测技术，相比人工数根可以大幅度提高检测效率，防范人为错误，与搬运生长盆的自动化装置配合使用，可以实现植物深根性的自动化高通量检测。

在较短时间段完成大规模群体的深根性表型检测，提高表型数据以及利用表型数据解析遗传规律的准确性和可靠性。

本项检测技术对根系和植株其他部位没有直接接触和破坏性，可以实现植株生长期内不同时间点的多次检测，有利于调查了解植物根系构型及深根性的连续变化过程。

附图说明

图1为本发明实施例的须根植物深浅根的分区引导环状排列和光电检测计数系统的植物生长盆的结构示意图；

图2为本发明实施例的光电检测部件的结构示意图。

具体实施方式

下面根据附图图1和图2，给出本发明的较佳实施例，并予以详细描述，使能更好地理解本发明的功能、特点。

请参阅图1和图2，本发明实施例的一种须根植物深浅根的分区引导环状排列和光电检测计数系统，包括一植物生长盆1、一光电检测部件2、一检测台和一数据分析单元；

植物生长盆1包括一顶面11、多个筒壁12、多个导向槽13、多个分隔面14和多个环形隔板15；筒壁12沿纵向排布且自上而下逐层向内收缩；顶面11连接于最顶部的筒壁12上；顶面11的中心部镂空并向内形成一半球形空间；每一筒壁12的底部内侧连接有导向槽13；分隔面14呈圆锥筒形，分隔面14分隔于相邻的两筒壁12之间，且分隔面14的外沿连接上一筒壁12对应的导向槽13，下一筒壁12的顶面11连接分隔面14的底面，分隔面14的内沿延伸至半球形空间的球面处；导向槽13的底面内侧向下延伸形成环形隔板15；导向槽13的底面密布多个单圈排列导向孔16；环形隔板15呈黑色或其他深纯色；植物生长盆1用于在半球形空间种植待测植物，待测植物根系沿分隔板分隔延伸并自导向孔16伸出；

光电检测部件2包括若干光电传感器探头21和相同数量的支架；光电传感器探头21连接于支架上；

检测台用于悬挂植物生长盆1并连接光电检测部件2，提供植物生长盆1或光电检测部件2的旋转驱动力，收集、存储和传输光电检测部件2检测获得的光电检测数据；

数据分析单元，用于从光电检测部件2或检测台的存储器读取光电检测部件2测得的光电信号的时序波动数据，分析识别待测植物的根，记录各条根在场景圆周上的位置，统计根的数量；判别根系密接、重叠和交叉事件，优化检测结果。

导向孔16垂直向下，导向孔16的上口呈碗口状；

环形隔板15向下延伸接近3cm；

环形隔板15的近末端处具有与环形的根笼适配的套接锁定结构。

待测植物的根系被引导至导向孔16下方至少2cm高度范围内，实现根系在深色背景前的单圈、整齐和垂直排列，以导向槽13下沿下方1cm以内作为检测场景的优选位置。

植物生长盆1的盆口设置有防止盆体变形的支撑结构；

植物生长盆1的顶面11的外沿向外延伸形成檐状结构111；

檐状结构111与检测台的托架精密适配，并设置有旋转驱动机构的适配接口和方向初始化的定位标记。

光电检测部件2的光电传感器探头21采用反射式微型光电传感器探头；

光电传感器探头21的光斑直径小于待测植物的根系的拟检出最小根直径；

支架包括一水平连杆23或一底盘，支架还包括至少两立杆22；光电传感器探头21通过立杆22连接于水平连杆23或底盘上；

立杆22沿水平方向布局于植物生长盆1中心轴的径向直线上，各立杆22的高度不同，立杆22的间隔距离和高度依据光电传感器探头21与植物生长盆1的检测场景的适配要求确定；

大部分光电传感器探头21的光路朝向植物生长盆1的中心轴，仅最内侧的一个光电传感器探头21的光路由内向外设置。

检测台包括用于悬挂植物生长盆1的内腔、安装光电检测部件2的底座、驱动和控制植物生长盆1匀速旋转的旋转驱动机构；

检测台还包括光电信号读取、存储和传输部件；

检测台还包括保持生长盆中心轴垂直的台面双向水平仪和水平调节脚。

数据分析单元，从光电检测部件2或检测台的存储器读取光电信号的时序波动数据，分析提取根与背景的反射信号差异临界值，判别根与间隙交替的边界位置，提取根系计数结果和每条根在圆周上的位置信息和宽度值，

数据分析单元，当错位布局两个以上光电传感器探头21检测同一批根系时，依据光路初始位置角度差和植物生长盆1旋转角速度对来自不同光电传感器探头21的时序波动数据进行相位校正，同时通过上下不同高度处检测结果的比较分析，判别相邻根之间是否存在密接、重叠和交叉的事件，参考待测植物根系直径分布范围与根系宽度值的数据，优化根系计数结果。

根笼为由两个以上相互分离的塑料网笼或金属网笼构成的环形网笼，根笼的上口设置有与套接锁定结构适配的套接接口和锁定机构，被测植物的根系从根笼的上部开口进入根笼内；

根笼侧壁或底部设置有漏水网孔，漏水网孔的孔径小于根系的主根和侧根的直径；

漏水网孔的开孔处设置根系无法穿过的网布；

各根笼之间高度不同，安装后保持根笼的底部齐平，相邻两根笼之间留出一廊道空间，当植物生长盆1旋转时廊道空间供光电检测部件2通过。

本发明实施例的一种须根植物深浅根的分区引导环状排列和光电检测计数系统，植物生长盆1为圆筒状，筒壁12从上往下逐级内缩。植物生长盆1装填土壤等基质之后，在盆口近中心点18处种植单株植物。以此为球心、指定半径的下半球面(检测球面19)上，按照与过球心垂直线(或水平面)的夹角大小划分出2个或更多“纬度带”分区(图1中共有4个分区)。采用与水稻“篮子法”深根比测定方法相近的尺寸，本实施例中检测球面19的直径约为7cm，从上到下(低纬度到高纬度)划分4个分区，3条分区边界线上任意一点与球心连线与水平面的夹角依次为30度、50度、70度，进入各个分区的根系的夹角范围依次为0-30度、30-50度、50-70度和70-90度。如果把上两个分区合并、下两个分区合并的话，上半区根角度范围为0-50度，而下半区根角度范围为50-90度，以此划分浅根与深根的测量结果，与水稻“篮子法”鉴定的深根比指标有较好的可比性。

生长盆内部从分区分界线向外有相应层数的圆锥筒形分隔面14，其上部依次形成对应数目的空间区隔110，各个空间区隔110的底部有垂直方向的导向槽13和密布导向孔16，导向槽13向下延伸形成环形挡板16，其下端切削外圈后剩下一半厚度并开有半圆形凹凸定位环，为根笼适配安装处17。

空间区隔110底部导向槽13位置按以下要求排布：从检测球面19各层分界处到导向槽13顶部的距离相近，即导向槽13顶部也位于同心球面上；内外圈导向槽13之间具有垂直落差和水平间距，便于后续伸入光电检测探头并满足其与检测对象间距的最低要求；尽可能使得各层锥面挡板有较大坡度而生长盆的纵向尺寸较为紧凑。

生长盆外部顶部向外延伸形成檐状结构111，作为生长盆人工搬运抓手，带有机械吊装适配接口，也是把生长盆悬置于检测台内腔时的支撑部位，还可以作为接受旋转驱动力的结构；其上有用于方向初始化的定向标记，可以是凹凸或有颜色三角形或箭头状，或者缺刻标记。

图2是本发明的实施例中光电检测部件2的结构示意图。

如图2所示，在本实施例的光电检测部件2包括光电传感器探头21和支架，支架由立杆22和水平连杆23组成。整个检测部件与植物生长盆1保持垂直同轴24，连杆23处于水平径向位置。检测时可以固定检测部件而旋转生长盆，也可以保持生长盆静止而旋转光电检测部件2，后一种方案中水平连杆23作为接受旋转驱动力的结构，采用单周往返旋转，或者采用无线数据传输，避免检测部件与检测台之间的数据连线绕结。

立杆22的数量、径向排布位置、垂直高度与生长盆深浅根分区数量、环状排列根圈径向位置和适宜检测处的高度精准匹配。在检测探头不触碰其外侧盆体和根笼的前提下，立杆22支撑的检测探头尽量靠外侧安装，以在狭窄空间内满足光电检测器最短光路等要求。设置垂直高度使得检测光路处于导向槽13或导向孔16下沿处距离2cm以内，离下沿越近处根系的排列越整齐，相互交叉重叠的可能性越低。

光电传感器检测探头21一般设置成径向向内，即朝向中心轴24(如图2中箭头所示)，由于本实施例中，靠下的2个分区的根系被引导至背靠背的相邻导向槽13中向下伸出，共用一个环形挡板的正反面为检测背景，此时最靠近中心轴的检测探头的朝向改为从里向外，这样可以充分利用空间，避免生长盆下端再一次内缩和下延，生长盆的总高度有所降低之外，最内圈的导向槽13有较大直径，其内可布置较多数量的导向小孔，使得根系分布更为稀疏。

光电传感器检测探头21还可以替换为微型图像扫描仪、摄像头或者3D轮廓传感器，获得的图像经拼接和根系特征识别，提取得到根的数量，还可获得根粗细等其他参数。

光电传感器检测探头21还可以替换为微波传感器，获得根系轮廓检测结果后，通过适当算法提取根系数量和粗细等特征参数。

为了提高对重叠或交叉根系的定位和计数准确度，可以在同一立杆22上安装多个光电探头，使得光路在上下两个或以上位置上同时进行扫描检测，即为“平行检测”，比较分析及综合运算同一批根系的多组检测数据，校正由根系局部密接、重叠、交叉带来的检测差错。

由于空间局限，无法把多个探头上下对齐安装于1根立杆22上，用于上述平行检测的探头之间可以保留预设的角度，通过2组或以上的支架结构，或者把立杆22沿旋转方向(圆周)展宽，顶部安装多个探头，依照检测时旋转角速度和探头间预设角度差对检测结果时序变动曲线进行相位校正。

水平连杆23可以是加宽变形体或者采用整体的圆形底盘，与弧形展宽立杆22一起，有利于提高检测探头的稳定性。

实施例的作用与效果：

根据本实施例所涉及的须根植物深浅根分区引导环状排列与光电检测计数技术，在植物生长盆1中实现检测半球面“纬度带”分区，把与植物基部水平面夹角属于分段范围(如0～30度、30～50度、50～70度、70～90度)的根系限制在各自空间区隔110之内，通过锥形斜面、导向槽13和导向孔16把根系引导至导向槽13或小孔下方处，在深色背景挡板前，呈现环状、单层、整齐排列状态。在根系排列最整齐处布置反射式光电传感器，在匀速、水平旋转生长盆的同时进行光电扫描检测。利用白色或浅黄色根与深色背景反射光电信号的强弱差异，识别根与根间空隙的边界位置，达到对根系数量的检测计数。

在变形例中，植物生长盆1内只设置一层锥形斜面隔板，实现根系与水平面夹角0～50度、50～90度2个分段范围，或者在前述4个分段范围的检测结果中，把0～30度与30～50度范围内的根系数量合并，把50～70度与70～90度范围内的根系数量合并，这样就实现浅根与深根的2项计数，计算深根比结果与现有“篮子法”测定结果具有可比性。

在变形例中，可以保持植物生长盆1静止，通过光电检测部件2的同轴旋转，实现对环状排列根系的扫描检测。

在变形例中，最内测的检测探头与其外的探头处于相同高度并采取面对面的朝向，可以降低生长盆高度，使最内圈导向槽13有较大直径和较多数量的导向小孔，生长盆下方中央处空间较大也便于布置检测探头。

在变形例中，在原来1根立杆22上安装1个光电传感器的位置，安装2个或更多个传感器，光路的高度错开1小段间距，实现对同一排根系不同位置的平行扫描检测，以判别相邻根之间局部密接、重叠和交叉造成计数差错。在这一情形下，应安装多组支架或者把立杆22沿圆弧方向展宽，以留出空间安装多个传感器，同时对不同传感器检测结果做相位校正。

在变形例中，可以采用图像、轮廓传感器、微波传感器等代替光电传感器，结合适当根系特征识别算法，提取根系数量以及粗细等特征参数。必要时，还可以把不同类型传感器混用，以增加对根系识别能力和检测计数准确性。

与现有技术相比，本发明的技术方案具有如下有益效果：

(1)在本发明的植物生长盆1中，植物的根系生长状态和空间分布在检测半球面范围之内与一般盆栽、水稻“篮子法”中植物根系状态相近，与水培、凝胶基质培养或者薄层根盒中根系检测结果相比，本发明获得的深根性检测结果更接近于田间自然条件下植物根系的实际状态。由于在检测半球面处已完成深浅根的分区，而且分区分界线到光电检测处的距离大致相同，有助于降低空间区隔110形状等对深根性检测结果的影响，必要时可以通过实际测量数据的回归模型加以修正。

(2)本发明把不同分区的根系引导至检测场景处，使其沿圆周单层、整齐排列，用反射式光电传感器进行旋转扫描检测，通过光电信号波动统计根数的算法简便，检测过程快速，结果准确。相较于“篮子法”人工清点根系的方法极大地提高了检测效率，杜绝人工数根过程中人为差错的风险；也比根盒观测方法中根系图像识别等算法简单，节省计算时间，降低对算力的要求和资源消耗。

(3)本发明采用可见光光束进行光电检测，相较于CT或核磁共振成像等植物根系检测技术，具有成本低、无电离辐射风险等优越性。

(4)本发明采用统一规格的生长盆培养植株，利用本项技术检测深根性指标的同时，可以对植株地上部进行表型观测。通过适当的传送机构，可以把本发明的生长盆和植株送上自动化植物表型鉴定平台，甚至建立整合的检测装置，在生长盆旋转过程中同时完成根系和地上部的表型检测工作。

以上结合附图实施例对本发明进行了详细说明，本领域中普通技术人员可根据上述说明对本发明做出种种变化例。因而，实施例中的某些细节不应构成对本发明的限定，本发明将以所附权利要求书界定的范围作为本发明的保护范围。