一种原位作物根系监测装置及根系表型参数分析系统

本发明属于作物表型监测及农业信息化，具体涉及作物根系原位图像采集技术、机电自动化控制技术及计算机视觉图像处理技术的交叉应用领域，尤其涉及一种通过预埋式微根管与微型根毛观察管协同采集根系及根毛图像，并利用图像拼接算法、深度学习分割模型及表型参数自动计算模型实现根系表型高通量原位监测的系统。

背景技术：

1、根系作为作物吸收水分和矿质营养、固定植株以及进行根际物质交换的重要器官，其形态结构和空间分布特征直接影响作物对土壤资源的利用效率。根系的整体空间构型、总根长、根面积以及在不同深度土层中的分布比例，能够在较大程度上反映作物对土壤水分和养分的获取潜力，而根毛作为根系吸收界面的关键组成部分，其长度、密度和面积等微观表型则直接影响根系与土壤颗粒的接触效率及养分吸收速率。因此，在不破坏植株正常生长状态和土壤原有结构的前提下，对同一植株的根系及根毛进行连续的原位观测，获取其可视化图像并进一步量化相关表型参数，对于作物栽培管理措施的优化、抗旱耐瘠品种的筛选、根系生长发育规律的研究以及水肥精准调控策略的制定均具有重要的理论意义和应用价值。

2、目前用于根系研究的常用方法主要包括挖掘法、土钻取样法、洗根扫描分析法、透明根箱观察法以及微根管成像法。挖掘法和土钻取样法通常需要将根系从土壤中取出，这一过程不可避免地破坏根系原有的空间分布位置和构型特征，且对同一植株无法实施重复观测。洗根扫描法虽然能够获取较为清晰的根系图像并测量根长、根直径等参数，但同样存在破坏性取样的根本缺陷，难以反映根系在自然土壤环境中的真实生长动态。透明根箱法将作物种植于装有土壤的透明容器中，通过容器壁面观察根系的生长发育过程，但受限于容器空间的边界效应以及土壤紧实度、通气状况与自然条件下的差异，观测结果往往与田间实际情况存在一定偏差。

3、微根管成像法通过在目标根区土壤中预埋透明管体，将图像采集装置伸入管内对贴附于管壁外侧的根系进行拍摄，能够在不破坏土壤结构和不损伤植株的前提下实现对同一根系长期、连续的重复观测，是目前公认较为可靠的原位根系监测手段。然而，目前常规的微根管根系观测装置主要用于采集较大尺度范围内的根系分布图像，其观测对象通常为主根、侧根以及根系的整体空间构型，受限于摄像头分辨率和成像景深，难以对根毛这一微观尺度结构进行清晰成像，而根毛恰恰是根系与土壤养分界面接触最为密切的部位，其生长发育信息在原位条件下获取难度较大。此外，现有微根管装置在图像采集过程中普遍存在一些技术不足，例如采集组件在管内的旋转定位和轴向移动稳定性欠佳，相邻采集位置之间的图像重叠比例不易控制，补光方式不当容易导致局部过曝或反光，影响图像质量和后续拼接效果。虽然市场上已有一些进口微根管监测设备能够实现较为全面的根系图像采集和初步分析功能，但这类设备成本较高，在实际应用中通常只能配置少量监测点，难以满足对不同基因型品种、不同处理条件下多植株同步监测的育种和栽培研究需求，导致根系表型数据的获取通量和效率受到较大制约。

4、针对上述情况，有必要设计一种兼具较大尺度根系分布观测能力和微观根毛高清成像能力的原位监测方案，并配套相应的图像自动分析流程，将局部根系图像的拼接、目标分割、整体根系参数计算以及根毛参数的自动提取整合于同一系统中，以减少人工处理的工作量，提高数据处理的效率和标准化程度，从而更好地服务于作物根系相关研究工作。

技术实现思路

1、解决的技术问题：为解决现有微根管监测装置难以同步获取根系整体分布与对应深度根毛微观图像、采集过程中旋转定位不稳及补光易过曝导致拼接困难、进口设备成本高难以批量监测，且图像分析和表型参数提取依赖人工处理的问题，本发明提供一种原位作物根系监测装置及根系表型参数分析系统，通过预埋式微根管与微型根毛观察管协同采集、机电联动控制及图像自动拼接分割与参数计算，能够实现从根系及根毛图像采集到表型参数输出的全流程高通量自动分析。

2、技术方案：一种原位作物根系监测装置，包括微根管、微型根毛观察管、滑台和控制单元，所述微根管和所述微型根毛观察管于作物栽植前以与水平面呈设定倾角预先倾斜埋设于栽培基质中，所述滑台可拆卸地装入所述微根管内部，所述滑台上安装有图像采集模块、补光模块和旋转步进电机，所述图像采集模块和所述补光模块通过连接固定模块与所述旋转步进电机的输出端固定连接，所述旋转步进电机驱动所述图像采集模块和所述补光模块在每一轴向位置旋转一周以采集环向序列图像，所述滑台通过三孔法兰式圆螺母与传动模块的丝杠螺纹配合，所述微型根毛观察管设有透明观察板，所述微型根毛观察管内设有用于卡接高清摄像头的限位部，所述限位部使所述高清摄像头的镜头与所述透明观察板之间保持固定距离，所述控制单元分别与所述传动模块、所述旋转步进电机、所述图像采集模块、所述补光模块和所述高清摄像头电连接。

3、上述滑台外周设置滚动支承组件，所述滚动支承组件与所述微根管的内壁滚动接触。

4、上述图像采集模块包括至少一个摄像头，所述摄像头与所述旋转步进电机通过所述连接固定模块连接。

5、上述补光模块包括四个led发光元件，四个所述led发光元件对称分布于所述图像采集模块两侧，所述led发光元件采用背向照明方式设置。

6、上述图像采集模块和所述补光模块通过螺丝螺母固定在所述连接固定模块上，所述连接固定模块与所述旋转步进电机的输出端固定连接。

7、上述旋转步进电机固定安装于所述滑台上，所述三孔法兰式圆螺母固定于所述滑台上，所述三孔法兰式圆螺母与所述传动模块的丝杠螺纹配合。

8、上述传动模块包括丝杠和用于驱动所述丝杠旋转的丝杠步进电机，所述丝杠步进电机与所述控制单元电连接。

9、一种根系表型参数分析系统，应用于与所述原位作物根系监测装置的控制单元通信连接的pc端，其特征在于，包括：图像接收模块，用于接收由所述控制单元传输的根系图像信息，以及导入本地存储的根系图像；根系图像拼接模块，用于对由微根管获取的按序列排列的局部根系图像进行拼接，得到整体根系图像；模型分割模块，用于对所述整体根系图像进行根系目标分割，生成对应的二值根系图像；根系拼接图像参数提取模块，用于对所述二值根系图像进行骨架提取和深度分层处理，获得根系拼接图像的总根长、总根面积、分层根长和分层根面积中的至少一种整体根系参数；根毛图像参数提取模块，用于对根毛二值图像进行根轴与根毛分离、骨骼线提取和根毛参数计算，获得根轴长度、根毛面积、根毛长度和根毛数量中的至少一种根毛参数；结果输出模块，用于将所述整体根系参数和所述根毛参数以及处理过程中的图像导出并保存。

10、上述模型分割模块包括滑窗切块单元和预测融合单元，所述滑窗切块单元用于将原始根系图像划分为多个相互重叠的图像切块，所述预测融合单元用于对各图像切块的预测结果进行重叠区域融合，获得与原始根系图像尺寸对应的预测概率图。

11、一种电子设备，包括处理器、存储器以及存储在所述存储器中并可由所述处理器执行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述根系表型参数分析系统的功能。

12、有益效果：本发明中微根管与微型根毛观察管采用预埋方式，需要采集时再将采集组件装入管内，相比传统后安装方式，这种设计显著降低了安装过程对作物根区和土壤结构的扰动，使得同一植株根系能够在不被破坏的前提下接受长期连续的重复观测。微根管采集组件和微型根毛观察管相互配合，前者用于获取较大尺度范围内根系主根和侧根的整体分布图像，后者用于对贴附于透明观察板表面的根毛进行高清成像，两者协同工作使得本发明能够在同一套系统内同时兼顾根系宏观空间构型与根毛微观发育状态两类信息的原位获取，克服了常规微根管装置难以对根毛清晰成像的局限。滑台外周设置的滚动支承组件使得采集模块在管内的移动阻力显著降低，既减轻了管壁划伤也减小了运动过程中的图像抖动，同时连接固定模块将摄像头和补光元件与旋转电机稳定连接，有效防止了旋转过程中相对滑动造成的相邻图像重叠比例偏移，为后续拼接提供了质量保障。补光模块采用背向或间接照明方式，避免了传统正向补光导致的光斑和过曝区域，有利于提升序列图像间的亮度均匀性和拼接融合效果。微型根毛观察管通过限位结构将高清摄像头与透明观察板之间的距离保持固定，保证了不同管位和不同时间采集的根毛图像在尺度和焦距上的一致性，使后续根毛参数的比较具有良好可比性。整套系统从采集端到分析端形成完整的自动化链条，采集过程中控制单元按设定的轴向步距和旋转角度有序触发拍照并按序号保存，pc端接收后在同一界面内完成图像拼接、模型分割、根系整体参数计算和根毛参数计算，大幅减少了人工干预环节，同时一个采集组件和控制箱可配套多个预埋管使用，有效降低了批量监测的单位成本，为解决高通量原位根系表型监测提供了可行的技术路径。