基于荧光光谱的植物光合生理信息的实时监测装置及方法与流程

1.本发明涉及植物表型领域，更具体的说是涉及一种基于荧光光谱的植物光合生理信息的实时监测装置及方法。


背景技术：

2.叶绿素荧光，作为光合作用研究的探针，得到了广泛的研究和应用。叶绿素荧光不仅能反映光能吸收、激发能传递和光化学反应等光合作用的原初反应过程，而且与电子传递、质子梯度的建立及atp合成和co2固定等过程有关。几乎所有光合作用过程的变化均可通过叶绿素荧光反映出来，而荧光测定技术不需破碎细胞，不伤害生物体，因此通过研究叶绿素荧光来间接研究光合作用的变化是一种简便、快捷、可靠的方法。叶绿素荧光在光合作用、植物胁迫生理学、水生生物学、海洋学和遥感等方面得到了广泛的应用。
3.为了获得目标对象的荧光图像，需要对宽谱的目标信号进行分光。采用的分光技术和方式对成像系统的结构性能以及重量体积有着直接的影响。从分光原理看，一般分为棱镜色散分光、干涉分光、光栅衍射分光和滤光片分光四种方式。棱镜色散分光、光栅衍射分光和干涉分光能够将目标光分谱得较细，得到高光谱甚至超光谱的目标光谱图像，但这三种分光结构，均包含复杂的光路结构。为了获得整个目标区的图像，棱镜色散分光、光栅衍射分光和干涉分光均需要进行推扫，其中棱镜色散分光和光栅衍射分光需要将整个光路系统(包括镜头在内)进行推扫，这就使系统过于复杂。而通常市面上的产品是采用棱镜色散分光/光栅衍射分光和干涉分光这三种结构。
4.然而现有技术中并不能实时显示叶绿素的浓度，如何是实现对叶绿素浓度的实时显示是本领域技术人员亟需研究的。


技术实现要素：

5.有鉴于此，本发明提供了一种基于荧光光谱的植物光合生理信息的实时监测装置及方法。
6.为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
7.一种基于荧光光谱的植物光合生理信息的实时监测装置，包括主控制器，光电探测器，红外测温仪，par传感器以及温湿度传感器；所述光电探测器，所述红外测温仪，所述par传感器以及所述温湿度传感器均与所述主控制器连接；所述主控制器利用所述光电探测器，所述红外测温仪，所述par传感器以及所述温湿度传感器获取的植物生理信息获取叶绿素浓度分布。
8.可选的，还包括激发光源探测器，所述激发光源探测器与所述主控制器连接。
9.可选的，还包括rgb相机，所述rgb相机与所述主控制器连接。
10.可选的，所述红外测温仪包括光学系统、光电传感器、光电转换电路以及微电脑；光学系统将光信号聚焦到光电传感器上，经过光电转换电路将光信号变成电信号，再经电路放大、采集，并经微电脑处理，最终得到一个温度值，并将温度值传输给主控制器。
11.可选的，还包括上位机，所述主控制器与所述上位机连接，所述上位机用于实时显示植物光合生理信息。
12.一种基于荧光光谱的植物光合生理信息的实时监测方法，包括以下步骤：
13.对叶片指定点进行荧光光谱测量，提取出特征参数；
14.根据荧光光谱测量结果以及特征参数得到指定点对应的叶绿素浓度；
15.对测得的叶绿素浓度以及标准叶绿素浓度做线性回归分析，得到叶绿素浓度与标准叶绿素浓度之间的关系。
16.可选的，还包括结合荧光灰度图像上的r、g、b以及叶绿素浓度与标准叶绿素浓度之间的关系，得到荧光值函数关系，并通过荧光值函数关系将叶片的叶绿素荧光灰度图像显示为彩色三维rgb图像。
17.经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种基于荧光光谱的植物光合生理信息的实时监测装置及方法，满足了空间植物培养装置中的观察成像系统对功耗和体积的要求，同时提出了一种从宏观上获取细胞、叶子或植物荧光的方式，在获取点叶绿素荧光参数的同时也获得了快速、直观和精确的全局图像，具有实时、无损、成本低、可视化等优点。
附图说明
18.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
19.图1为本发明的结构示意图；
20.图2为本发明的工作流程示意图。
具体实施方式
21.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
22.本发明实施例公开了一种基于荧光光谱的植物光合生理信息的实时监测装置，如图1所示，包括主控制器，光电探测器，红外测温仪，par传感器以及温湿度传感器；光电探测器，红外测温仪，par传感器以及温湿度传感器均与主控制器连接；主控制器利用光电探测器，红外测温仪，par传感器以及温湿度传感器获取的植物生理信息获取叶绿素浓度分布。
23.其中，所有物体表面都辐射红外光线，其强度随其温度的改变而改变；红外测温仪是由光学系统、光电传感器、电路、微电脑等组成的温度测量系统，由光学系统将光信号聚焦到红外光电传感器上，经过光电转换将光信号变成电信号，再经电路放大、采集，并经微电脑处理，最终得到一个温度值。
24.par传感器主要用于测量光合有效，采用光量子传感器。光在植物和作物生长中发挥着至关重要的作用。吸收的光(主要由叶绿素)驱动光合作用过程,二氧化碳和水转化为
葡萄糖和氧气。使用光的这个过程称为光合有效辐射(par)。实际响应效果取决于植物或农作物。一个标准化的par在可见光光谱响应范围在400nm和700nm,在这个区域内的光子被等量的吸收。“蓝”光子相对较短的波长(高频率)比
‘
红色’长波长有更多的能量。光合有效的量通常表示为光合光量子通量密度(ppfd)：摩尔/m2·
s。
25.在园艺，比如温室为了优化作物生长的时机和质量，需要控制光的强度。在温室为了实现对自然阳光和人工照明的有效监测，采用par传感器是必需的。在林业，par是一个关键的研究参数，根据植物生理学和叶面积用来测量森林树冠以上，内部，下方的各个有效参数。在农业方面，par的测量有助于预测植物生长率和估算作物产量。
26.rgb相机即普通相机。叶绿素荧光参数以灰度值的形式反映在图像上，因此荧光参数图像为灰度图像。而荧光参数的变化在灰度图上反映并不明显。为了方便观察植物形态使用了可见光rgb彩色图像的假彩色系统，即将一维荧光数值映射为三维rgb值以彩色图像的形式显示。
27.温湿度传感器多以温湿度一体式的探头作为测温元件，将温度和湿度信号采集出来，经过稳压滤波、运算放大、非线性校正、v/i转换、恒流及反向保护等电路处理后，转换成与温度和湿度成线性关系的电流信号或电压信号输出。
28.在本实施例中，还包括激发光源探测器，激发光源探测器与主控制器连接；还包括rgb相机，rgb相机与主控制器连接；红外测温仪包括光学系统、光电传感器、光电转换电路以及微电脑；光学系统将光信号聚焦到光电传感器上，经过光电转换电路将光信号变成电信号，再经电路放大、采集，并经微电脑处理，最终得到一个温度值，并将温度值传输给主控制器；还包括上位机，主控制器与上位机连接，上位机用于实时显示植物光合生理信息。
29.一种基于荧光光谱的植物光合生理信息的实时监测方法，如图2所示，包括以下步骤：
30.对叶片指定点进行荧光光谱测量，提取出特征参数；
31.根据荧光光谱测量结果以及特征参数得到指定点对应的叶绿素浓度；
32.对测得的叶绿素浓度以及标准叶绿素浓度做线性回归分析，得到叶绿素浓度与标准叶绿素浓度之间的关系。
33.其中，还包括结合荧光灰度图像上的r、g、b以及叶绿素浓度与标准叶绿素浓度之间的关系，得到荧光值函数关系，并通过荧光值函数关系将叶片的叶绿素荧光灰度图像显示为彩色三维rgb图像。
34.在另一实施例中，一种基于荧光光谱的植物光合作用生理信息的实时预测装置，装置包含激发光源/光电探测器、红外测温仪、par传感器、温湿度传感器、rgb相机、控制器等模块，具有软件控制和数据记录功能。
35.使用光纤光谱仪对叶片上指定的点进行荧光光谱测量，提取出特征参数；测出该点对应的标准浓度，通过线性回归分析得出两者之间的关系。验证了600nm-800nm光谱通道值可以用来定量地表征叶绿素的浓度。使用搭建的荧光光谱成像系统对叶片进行了成像实验，获取了600nm-800nm光谱通道的荧光图像，结合得到的荧光灰度图像上的r、g、b、及gray归一化后与相应荧光参数的荧光值的函数关系，将叶片的叶绿素荧光灰度图像显示为彩色三维rgb颜色描述符，这样更加直观地表示叶片叶绿素浓度分布。
36.本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他
实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
37.对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。