基于光学成像技术的高通量植物表型分析装置和方法

技术领域

本发明涉及植物表型分析设备，特别涉及基于光学成像技术的高通量 植物表型分析装置和方法。

背景技术

植物表型研究是植物学和生物学领域的一个重要课题，主要通过对植 株的各种特征和性状即表型的鉴别和分析，以及对复杂的植物生长环境的 监测和控制来深入阐明基因组和环境因素对植物表型的复杂作用，植物表 型与其产量、生理状态之间的相互关系，以及不同的环境条件对植物生长 状况、产量、质量等的影响。

目前，在遗传育种、作物品种资源鉴定、栽培生理、植物生物学等方 面的研究都需要测定大量植株的不同层次表型特征及性状，如植物的形态 学参数(结构、密度、叶面积、叶长、叶宽、种子颜色等)和生理生化参 数(养分分析、水分分布、水分胁迫、蒸腾作用、光合生理状态、病虫害 等)。对植物多表型信息的完整获取和分析，已成为了植物表型组学的一 个重要研究方向。

传统的表型分析检测技术存在规模小、效率低、误差大、破坏性等问 题，已成为植物生物学研究的主要限制因素。近几年来，国内外科研机构 和大型企业已开始了高通量植物表型检测平台的研究与开发，包括 LemnaTec公司、PSI公司的植物表型系统，LENMATEC公司、PSI公司 系统可实现批量植物扫描，但是仅对植物采集有限的图像，装置控制复杂， 数据处理算法老化，无法得到完整的高精度的表型数据，且成套系统价格 昂贵。

又例如专利申请号为201520299589.X的专利文献公开了一种植物表 型扫描装置包括：成像装置，用于对植物图像和/或视频进行采集；框架， 包含成像装置移动接件，所述成像装置移动接件用于驱动所述成像装置移 动；旋转台，用于转动植物；控制器，用于控制成像装置的采集、移动， 控制旋转台的转动；该植物表型扫描装置实现了对植物多角度、多位置成 像，以进行三维重建和数据提取。

上述植物表型扫描装置仅用于植物的三维重建，精度无法满足实际应 用的要求，而目前基于多成像传感技术的高通量植物表型分析方法和装置 鲜有报道，该技术的应用对全面高效获取植物表征特征和性状具有重要意 义。

发明内容

本发明公开了一种基于光学成像技术的高通量植物表型分析装置，可 获取植物的叶绿素荧光图像、近红外多光谱图像、红外热图像、植物三维 形态建模，实现植物形态结构、光合生理状况、植物胁迫生理等多表型的 高通量解析，使用方便，测试得到的数据准确度高。

一种基于光学成像技术的高通量植物表型分析装置，包括：

避光罩；为了提高避光效果，所述避光罩内壁设有吸光涂层。

底座，安装在避光罩内，底座中间设有工作位；

顶架，安装在避光罩内固定在底座正上方；

物料载台，安装在底座的工作位上；

传感器平板，通过平移机构安装在顶架上；

叶绿素荧光成像仪，安装在传感器平板上；

近红外多光谱面型成像仪，安装在传感器平板上；

红外热成像仪，安装在传感器平板上；

三维重构成像仪，安装在传感器平板上；

光源组，安装在传感器平板上为叶绿素荧光成像仪、近红外多光谱面 型成像仪和三维重构成像仪提供激发光和照明光。

本发明装置将叶绿素荧光成像、近红外多光谱面型成像、红外热成像 以及三维重构成像技术集成在一套装置中，通过平移机构移动传感器平板 来将各成像仪移动到适合的位置进行工作，使待测植物可以在相同的位置 进行多种成像测试，实现植物形态结构、光合生理状况、植物胁迫生理等 多表型的准确解析。

为了便于控制、提高移动精度和稳定性，优选的，所述平移机构包括： 固定在顶架上的第一轨道以及移动安装在第一轨道上且与第一轨道垂直 的第二轨道，所述传感器平板移动安装在第二轨道上，所述第一轨道和第 二轨道分别带有驱动机构。

为了方便制造、安装和使用，优选的，所述驱动机构为滚珠丝杠副。 滚珠丝杠副传动稳定且移动精度高。

为了方便加载待测植物，优选的，所述避光罩上开设有进料口和开关 门，所述避光罩外设有物料安装位，所述物料安装位和工作位之间设有穿 过进料口的传送机构，所述物料载台安装在传送机构的传送座上。在物料 安装位设置在避光罩外，便于安装待测植物。

为了提高测试效果，优选的，在所述工作位设有位于所述物料载台下 方的升降旋转机构，所述升降旋转机构包括：升降机构和旋转机构，所述 旋转机构安装在升降机构的升降台上，所述旋转机构的动力输出端设有与 物料载台底部卡合以带动物料载水平转动的限位件。升降旋转机构可以对 物料载台进行升降和旋转，从而使待测植物位于最适合的工作位。限位件 可以是凸块、凸条，为了提高稳定性，还可以是十字型的插块，只要可以 水平限位物料载台即可。由于物料载台是安装在传送带的传送座上的，此 时可以直接卡合连接传送座。

为了方便制造、安装和使用，优选的，所述升降机构采用滚珠丝杠副。

为了方便制造、安装和使用，优选的，所述旋转机构采用旋转电机。

为了提高光照强度以及光照的均匀性，优选的，所述光源组包括:

多个LED灯，作为叶绿素荧光的激发光源均匀分布于传感器平板上；

多个红外LED灯，作为近红外多光谱面型成像仪光源均匀分布于传 感器平板上，所述红外LED灯包括至少两种波长的红外光。例如所述红 外LED灯包括10个830nm红外LED灯和10个890nm红外LED灯。

为了提高三维重构成像的效果，优选的，三维重构成像仪包括布置在 中间的RGB相机以及围绕RGB相机周向布置的4个成像镜头。

本发明还公开了一种基于光学成像技术的高通量植物表型分析方法， 使用上述的基于光学成像技术的高通量植物表型分析装置，包括以下步 骤：

(1)将待测植物放在物料载台上；

(2)平移机构驱动传感器平板，使叶绿素荧光成像仪位于物料载台 正上方，光源组提供激发光，叶绿素荧光成像仪采用高分辨率相机结合滤 光轮采集叶绿素荧光成像，得到叶绿素荧光参数；

(3)平移机构驱动传感器平板，使近红外多光谱面型成像仪位于物 料载台正上方，光源组提供红外光，近红外多光谱面型成像仪获取植物叶 片、冠层的生化指标和水分状况参数；

(4)平移机构驱动传感器平板，使红外热成像仪位于物料载台正上 方，红外热成像仪分析作物干旱胁迫、光照强度分布参数。

(5)平移机构驱动传感器平板，使三维重构成像仪位于物料载台正 上方，光源组提供照明光，三维重构成像仪拍摄多个角度的植物图像，进 行植物三维重构，获取植物全方位结构形态表型。

本发明的有益效果：

本发明的装置和方法可用来获取植物的叶绿素荧光图像、近红外多光 谱图像、红外热图像、植物三维形态建模，实现植物形态结构、光合生理 状况、植物胁迫生理等多表型的高通量解析，使用方便，可以获取完整的 植物表型数据，测试结果准确。

附图说明

图1为本发明装置的内部立体结构示意图。

图2为本发明装置另一个角度的内部立体结构示意图。

图3为本发明装置的立体结构示意图。

图4为本发明装置的传感器平板的平面结构示意图。

图5为本发明装置的升降旋转机构的结构示意图。

具体实施方式

如图1～5所示，本实施例的基于光学成像技术的高通量植物表型分析 装置包括：避光罩1、底座2、顶架3、物料载台4、传感器平板5、叶绿 素荧光成像仪、近红外多光谱面型成像仪、红外热成像仪和三维重构成像 仪和光源组。

底座2安装在避光罩1内，底座2中间设有工作位201；顶架3安装 在避光罩内固定在底座2正上方。

物料载台4安装在工作位201上，避光罩1上开设有进料口101和开 关门102，避光罩1外设有物料安装位202，物料安装位202和工作位201 之间设有穿过进料口101的传送带203，物料载台4安装在传送带203的 传送座204上。传送座204活动安装在传送带203上。为方便位置检测， 实现不同次待研究对象在同样位置，底座2上设置有接近开关，接近开关 为NPN常闭，当物料载台4运动，达到指定位置(工作位201)后，触发 接近开关，停止传送带203的伺服电机工作，使得待研究对象停止在指定 位置(工作位201)。接近开关相应迅速，保证重复精度在1mm之内。当 物料载台4及研究对象进入的时候开启开关门102然后关闭，保证内部光 照条件完全由光源组提供，当物料载台4送出的时候开启开关门102将物 料载台4及研究对象送出。

传感器平板5通过平移机构安装在顶架上，平移机构包括：固定在顶 架3上的第一轨道301以及移动安装在第一轨道301上且与第一轨道301 垂直的第二轨道302，传感器平板5移动安装在第二轨道302上，第一轨 道301和第二轨道302分别带有驱动机构，第一轨道301和第二轨道302 分别为X向和Y向的滚珠丝杠副。两滚珠丝杠副通过悬垂装在避光罩1 内部上端，与避光罩1顶端有10cm差距。X轴定义为与传送带203传送 方向相同的直线导轨运动方向，与之垂直的Y向定义为与传送带203相垂 直的2个滚珠丝杠副，X方向和Y方向都设置有接近快关，实现传感器平 板5在X与Y方向的基准点标定，Y向直线导轨直接与避光罩1的骨架 103焊接在一起，所有数据线、电源线、控制线组成集束接入控制柜中， 为避免线材因为移动产生损耗，将做成类似于坦克链的集束方式，X向滚 珠丝杠副则横在Y向之间构成如图所示“H”型。

三维重构成像仪包括5个RGB相机10，其中一个位于传感器平板5 中间，其余四个布置在中间RGB相机的周向，从而拍摄五个角度的RGB 图像，进行植物三维重构，获取植物全方位结构形态表型。

叶绿素荧光成像仪、近红外多光谱面型成像仪、红外热成像仪和三维 重构成像仪的成像镜头以及光源组安装在传感器平板5上，光源组包括:36 个白色LED灯做成LED光源板，作为叶绿素荧光的激发光源；10个830 nm红外LED灯和10个890nm红外LED灯做成的光源板作为近红外多 光谱成像的光源，所有LED灯均匀铺设在传感器平板5上。

平移机构根据需要将各成像仪移动到工作位201的正上方，光源组为 叶绿素荧光成像仪、近红外多光谱面型成像仪和三维重构成像仪提供激发 光和照明光。

在工作位201设有位于物料载台4下方的升降旋转机构11，升降旋转 机构11包括：升降机构1101和旋转机构1102，旋转机构1102安装在升 降机构1101的升降台上，旋转机构的动力输出端设有与物料载台卡合的 限位件。升降机构1102采用滚珠丝杠副，旋转机构1102采用旋转伺服电 机。当物料载台4达到工作位201，触发接近开关之后，物料载台4和传 送座204将被升降机构1101顶起，依据不同植株高度，顶起到满足表型 检测需要的位置，如培养皿植株将被顶到最高处，完成包括三维重构、成 分检测在内的表型数据采集。升降机构1101通过滚珠丝杠副执行，滚珠 丝杠副将搭载在其上的旋转伺服电机提升到与物料载台4配合卡牢以及到 所需的高度，然后旋转伺服电机将实现对物料载台4的旋转。

叶绿素荧光成像仪采用高分辨率相机结合滤光轮采集叶绿素荧光成 像，得到叶绿素荧光参数，分析植物生理、病害胁迫等；近红外多光谱面 型成像8仪利用近红外多光谱面型成像仪获取植物叶片、冠层的生化指标 和水分状况等。红外热成像仪采用红外热成像仪分析作物干旱胁迫、光照 强度分布等。

本实施例的装置还包括：机械传动与光源控制系统，用于对整个机械 系统进行控制，叶绿素荧光成像前的光适应控制和不同传感器的光源切 换；集成系统控制和数据处理分析软件，用于图像采集、数据处理分析。

机械传动与光源控制系统，用于实现整套机械除表型传感器之外的机 械传动控制、接近开关检测、LED灯开关和类型的控制等功能。其中控制 系统采用单片机为主控芯片，与伺服驱动器(包括各滚珠丝杠副、电动缸 和旋转伺服电机)、接近开关、LED灯、光照温度传感器、重力传感器相 连，能够实时采集传感器数据并且叶绿素荧光成像前的光适应控制和不同 传感器的光源切换。

集成系统控制和数据处理分析软件，用于图像采集、数据处理分析。 表型数据链路数据通量较大，需要专门设置数据通路，传感器平板采集的 数据首先汇集到数据采集卡上，该数据采集卡与表型数据分析平台电脑相 连，分别接收不同数据源的图像数据和波谱数据。在数据处理软件中，分 别对图像和波谱数据进行处理，并对植株三维数据进行重建，同时该软件 包含了机械传动与光源控制系统的上位机控制部分，植株三维重构采用运 动恢复结构方法进行。

本实施例装置的具体工作过程如下：

在避光罩1的外部物料安装位202，将物料，如培养皿和盆栽植株6 移运到物料载台4上，完成装载之后，传送带203将通过伺服驱动系统前 进，在到达工作位201之后，触发接近开关，停止运动。物料载台4通过 四根光轴与传送座204相连成为一体，可更换不同的物料载台4，分别针 对幼苗期培育在托盘内植株，和培育的盆栽植株，其中传送座204与传送 带在垂直方向活动安装，即传送座204可垂直脱离传送带203。传送带203 为循环往复运动，通过底座2中的伺服电机带动传动带203实现传动。接 近开关为NPN常闭开关，当传送带203的物料载台4以匀速行进到接近 开关上部时，将产生脉冲信号被机械传动控制系统的单片机CPU，并执行 相应动作，停止水平进料方向的伺服电机，使得物料载台4停在工作位 201。

接着升降旋转机构11将物料载台4提升到满足表型数据检测需要的 高度。同时为满足采集植株不同角度的RGB、多光谱图像等数据获取的 需要，升降旋转机构11还可控制物料载台4旋转，从而实现物料载台4 及其承载物料的旋转。传感器平板5中间放置的是多光谱相机8、热红外 相机9、荧光成像相机7和位于中间的RGB相机10，在传感器平板5的 四个边线中点处分别放置了1个RGB相机，在传感器平板5其余空白部 分均匀布满LED灯(包括白色LED灯和红外LED灯)。

当物料载台4托起到指定位置之后，X向和Y向的滚珠丝杠副301 和302将按照所需采集方式，分别在X向和Y向移动，将传感器平板5 分别对准物料载台4上培养皿或者植株进行采集，比如物料载台4上放置 的是一托盘培养皿，由于传感器视场角所限，以及不同源数据为方便匹配， 最好在同一位置进行采集，因此在采集完某一源数据之后，移动传感器平 板5，即调整各成像仪的位置，实现其他源数据的采集。在完成该对象的 数据采集之后，将传感器平板5移动到下一处，以采集下一处的数据。当 需要旋转物料载台4以转换检测平面的时候，通过上位机软件控制底部旋 转方向的旋转伺服电机，转过相应角度，完成数据采集。

当采集对象为植株的时候：

首先在无光的情况下采集室内温湿度数据和热红外成像数据；

接着上位机软件通过串口发送控制指令给机械传动与光源控制系统， 控制白色LED灯发射蓝紫光，光源被反射被荧光成像相机获得，通过USB 数据线送入数据采集卡；

再接下来是打开全光谱LED，执行多光谱相机采集图像，在这之后被 通过USB送入数据采集卡；

最后是基于机器视觉的植株的三维成像；针对不同的植株，基线距离 不同，通过移动X向和Y向的滚珠丝杠副实现全方位均匀覆盖。多角度 三维重建采用运动恢复结构算法进行，所得RGB图像在上位机软件中进 行。

当完成数据采集之后，旋转物料载台4回到初始位置，这通过底部旋 转方向的旋转伺服电机实现，该电机有可以自检测零位。旋转方向归于零 位之后通过Z向的升降机构1101控制下移到物料载台4处与伺服电机 1102的动力输出端脱离，重新和传送带203连接，传动带203启动，开关 门102打开，将培养皿或植株送出去。