一种基于外置可变光源的根系土壤原位成像装置及方法

1.本发明属于根系土壤表型研究的技术领域，具体涉及一种基于外置可变光源的根系土壤原位成像装置及方法。


背景技术：

2.土壤是植物获取养分和物理支撑的依靠，根系是植物与土壤相互作用的主要器官，统筹研究根系土壤是植物营养学的重要内容。大多根系土壤研究依赖破坏性采样，将植物连根带土取出，手工分离根系和土壤，分别检测分析，这种方法无法连续监测同一植物根系土壤，只能获取总体的信息，无法获得关注指标在根系土壤中的原位分布。微根窗技术的出现让非破坏性、原位研究根系土壤变成了可能，有研究使用多光谱相机或窄波段led光源结合微根窗技术进行根系土壤多波段成像。但借助不同波段led作为光源实现多波段成像的方案存在波段选择范围小、单波段范围较宽、波段总数少的问题；借助多光谱微型相机实现多波段成像的方案存在设备成本高，图像空间分辨率较低的问题。
3.综上，现有装置和方法存在成本高、波段选择范围小、单波段范围较宽、波段总数少等问题，这些问题制约了根系土壤原位研究领域的进一步发展，丰富波段信息并降低设备成本对根系土壤原位表型研究具有重要意义。


技术实现要素：

4.本发明的目的是设计一种基于外置可变光源的根系土壤原位成像装置及方法，利用滤光片分光，实现可变光源，增加根系土壤原位成像的波段数量与波段选择范围，收窄每个波段的光谱范围，提高数据质量，降低成本。
5.本发明的技术方案是一种基于外置可变光源的根系土壤原位成像装置，包括微根窗、可变光源和控制装置；
6.所述微根窗包括微根窗管、微型相机、成像平台、导向杆、丝杠、电机ⅰ、底盖及上盖；所述微根窗管为一段玻璃管，其下端设置有底盖，其上端设置有上盖，在底盖与上盖之间设置有导向杆和丝杠，电机ⅰ设置在上盖中，电机ⅰ带动丝杠转动，成像平台设置在导向杆和丝杠上，并通过螺母与丝杠连接，微型相机设置在成像平台上；
7.所述可变光源包括外壳、滤光片轮、滤光片、卤素灯、轴ⅰ、电机ⅱ和光纤束；所述滤光片轮的圆周上设置有均布的若干个通孔，每个通孔中设置有滤光片，滤光片轮通过轴ⅰ与电机ⅱ连接，并安装在外壳中，在滤光片轮的靠近电机ⅱ一侧的下方设置有卤素灯，卤素灯的中心对正滤光片轮的通孔中心，在滤光片轮另一侧与通孔中心对正的外壳壁上设置有出光孔，出光孔上连接有光纤束，光纤束的另一端穿过微根窗的上盖固定在成像平台上，朝向成像目标方向；
8.所述控制装置通过可变光源控制电缆与可变光源电连接；通过电机控制电缆与微根窗的电机ⅰ电连接；通过图像数据采集控制传输电缆与微型相机电连接。
9.所述滤光片为滤光片组，滤光片组中的每个滤光片的过滤波段不同，滤光片轮上
的每个通孔中设置的滤光片的过滤波段不同，使复合光源透过不同滤光片实现不同波段光的输出。
10.所述微根窗管的玻璃管能够透过不同波段的光。
11.所述微型相机能够在不同波段光的照射下进行成像。
12.还包括反射镜；所述微型相机的镜头朝向下方或朝向上方，反射镜安装在成像平台上，并位于微型相机的下方或上方，借助反射镜将成像目标反射到微型相机的镜头中。
13.所述可变光源中还包括led光源轮、轴ⅱ、电机ⅲ和led灯；所述led光源轮的圆周上设置有均布的若干个通孔，每个通孔中设置有led灯，led光源轮通过轴ⅱ与电机ⅲ连接，并安装在外壳中靠近电机ⅱ一侧的下方，替换卤素灯，使led光源轮上的通孔中心对正滤光片轮的通孔中心。
14.所述led灯为led灯组，led灯组中的每个led灯的输出光的波段不同，led光源轮上的每个通孔中设置的led灯的输出光波段不同。
15.所述可变光源与控制装置集成为一体。
16.一种基于外置可变光源的根系土壤原位成像方法，其方法的步骤如下：
17.1)根据研究需要，确定所需照射光的波段及满足照射光波段要求的微根窗管、滤光片组、卤素灯、光纤束和微型相机；将微根窗埋入需要研究的根系土壤原位表征的对应位置，微根窗管的顶端不没入土壤。
18.2)按成像装置的光路、电路的连接要求正确连接光纤束、可变光源控制电缆、电机控制电缆和图像数据采集控制传输电缆；
19.3)启动成像装置，成像平台处在微根窗的顶部初始位置，开启卤素灯进行预热，保证微根窗管未没入土壤部分的洁净；
20.4)将与微根窗管直径匹配的弧形已知反射率的白板黑板组完全贴合在微根窗管未没入土壤部分，且不能透入产生干扰的外界光，启动微型相机扫描，获取全白景与全黑景；
21.5)滤光片轮转动一周，每当滤光片中心与光纤束中心对齐时微型相机获取图像数据；
22.6)成像平台下降至下一位置，重复第5步获取图像数据动作；
23.7)不断重复第6步，直至所述成像平台到达微根窗的底部；期间，位置间隔需满足照片间50％重叠率的需求；
24.8)完成数据获取，收纳除微根窗外的所有设备，微根窗上端进行保护，以防尘土进入影响下次数据采集；
25.9)计算所有位置多波段成像图的反射率数据，如下式：
[0026][0027]
式中，r
ijk
为该位置第i行j列像素第k个波段的反射率，d
ijk
为该位置第i行j列像素第k个波段的原始数字信号值，w
ijk
为全白景第i行j列像素第k个波段的原始数字信号值，b
ijk
为全黑景第i行j列像素第k个波段的原始数字信号值，ref为白板的反射率；
[0028]
10)借助图片拼接软件，按对齐照片、建立密集点云、生成网格、生成纹理、生成正射图和畸变修正步骤，将所有位置多光谱成像图拼接为完整的根系土壤原位成像图。
[0029]
使用led灯替换卤素灯，led光源轮与滤光片轮同时转动，每当滤光片中心、对应led灯中心与光纤束中心对齐时微型相机获取图像数据。
[0030]
本发明所提供的一种基于外置可变光源的根系土壤原位成像装置及方法具有以下优点：
[0031]
1.本发明所提供的一种基于外置可变光源的根系土壤原位成像装置，通过外置可变光源，利用滤光片分光，将光源通过光纤束引入微根窗管中作为成像光源，极大地丰富了根系土壤原位成像的波段数量与波段选择范围，收窄了每个波段的光谱范围，提高了数据质量，有效降低了成本。
[0032]
相比于传统实验室检测方法，本发明避免了采样、制样等测试前繁琐的准备工作，且快速、同步地获得多种根系土壤指标，相比于不同指标需根据不同实验测定的传统检测，检测效率显著提升；本发明属原位检测设备，避免了异位检测造成的扰动及时间变异性造成的数据失真；本发明的多波段成像表征方法可得到各指标在图像中的分布情况，还可连续观测同一位置的根系土壤，极大丰富了研究内容。
[0033]
2.本发明结构灵活，能在较低成本下获取根系土壤原位高质量多波段成像数据，适用于根系土壤原位表型研究。
[0034]
3.本发明所提供的一种基于外置可变光源的根系土壤原位成像装置除适用于根系土壤的原位多波段成像，还可应用于其他贯入式原位多波段成像场景。
附图说明
[0035]
图1为一种基于外置可变光源的根系土壤原位成像装置的整体结构示意图。
[0036]
图2为微根窗的结构示意图(微根窗管剖开一半)。
[0037]
图3为使用卤素灯的可变光源的结构示意图。
[0038]
图4为使用led灯的可变光源的结构示意图。
[0039]
图5为另一种使用反射镜的微根窗的结构示意图(微根窗管剖开一半)。
[0040]
附图中的标号说明：
[0041]
1.微根窗、2.可变光源、3.控制装置；
[0042]
101.微根窗管、102.微型相机、103.成像平台、104.导向杆、105.丝杠、106.底盖、107.上盖、108.反射镜；
[0043]
201.外壳、202.滤光片轮、203.滤光片、204.卤素灯、205.轴ⅰ、206.电机ⅱ、207.光纤束、208.led光源轮、209.led灯、210.轴ⅱ、211.电机ⅲ；
具体实施方式
[0044]
为使本发明实施的目的、技术方案和优点更加清楚，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更加详细的描述。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。
[0045]
实施例
[0046]
本实施例所述的一种基于外置可变光源的根系土壤原位成像装置见图1到图5所示。
[0047]
如图1所示，本实施例所述的一种基于外置可变光源的根系土壤原位成像装置，包
括微根窗1、可变光源2和控制装置3；
[0048]
如图2所示，所述微根窗1包括微根窗管101、微型相机102、成像平台103、导向杆104、丝杠105、电机ⅰ、底盖106及上盖107；所述微根窗管101为一段玻璃管，其下端设置有底盖106，其上端设置有上盖107，在底盖106与上盖107之间设置有导向杆104和丝杠105，电机ⅰ设置在上盖107中，电机ⅰ带动丝杠105转动，成像平台103设置在导向杆104和丝杠105上，并通过螺母与丝杠105连接，微型相机102设置在成像平台103上；
[0049]
如图3所示，所述可变光源2包括外壳201、滤光片轮202、滤光片203、卤素灯204、轴ⅰ205、电机ⅱ206和光纤束207；所述滤光片轮202的圆周上设置有均布的若干个通孔，每个通孔中设置有滤光片203，滤光片轮202通过轴ⅰ205与电机ⅱ206连接，并安装在外壳201中，在滤光片轮202的靠近电机ⅱ206一侧的下方设置有卤素灯204，卤素灯204的中心对正滤光片轮202的通孔中心，在滤光片轮202另一侧与通孔中心对正的外壳壁上设置有出光孔，出光孔上连接有光纤束207，光纤束207的另一端穿过微根窗1的上盖107固定在成像平台103上，朝向微型相机102的拍摄成像方向；
[0050]
所述控制装置3通过可变光源控制电缆与可变光源2电连接；通过电机控制电缆与微根窗的电机ⅰ电连接；通过图像数据采集控制传输电缆与微型相机102电连接。
[0051]
本实施例所述的滤光片203为滤光片组，滤光片组中的每个滤光片203的过滤波段不同，滤光片轮202上的每个通孔中设置的滤光片203的过滤波段不同，使卤素灯204的复合光源透过不同滤光片203实现不同波段光的输出。
[0052]
本实施例所述的微根窗管101的玻璃管能够透过不同波段的光。
[0053]
本实施例所述的微型相机102能够在不同波段光的照射下进行成像。
[0054]
如图5所示，本实施例还可以采用另一种包括反射镜108的微根窗管101；所述微型相机102的镜头朝向下方或朝向上方，反射镜108安装在成像平台103上，并位于微型相机102的下方或上方，借助反射镜108将成像目标反射到微型相机102的镜头中。本实施例中的微型相机102的镜头朝向下方，反射镜108安装在微型相机102的下方。
[0055]
如图4所示，本实施例所述的可变光源2中还可以采用包括led光源轮208、led灯209、轴ⅱ210和电机ⅲ211的可变光源2；所述led光源轮208的圆周上设置有均布的若干个通孔，每个通孔中设置有led灯209，led光源轮208通过轴ⅱ210与电机ⅲ211连接，并安装在外壳201中靠近电机ⅱ206一侧的下方，替换卤素灯204，使led光源轮208上的通孔中心对正滤光片轮202的通孔中心；控制装置3通过可变光源控制电缆与电机ⅲ211电连接。
[0056]
本实施例所述的led灯209为led灯组，led灯组中的每个led灯209的输出光的波段不同，led光源轮208上的每个通孔中设置的led灯209的输出光波段不同。
[0057]
使用led灯组能够增加光源波段的数量，在所述可变光源2中，滤光片轮202在电机ⅱ206驱动下转动时，led光源轮208在电机ⅲ211驱动下转动，使对应波段led灯209的光透过对应滤光片203实现比卤素灯204更多不同波段光源的输出。滤光片轮202和led光源轮208配合能够满足关注波段数量需求，且顺序数量对应一致；电机ⅱ206和电机ⅲ211满足精准控制滤光片轮202和led光源轮208位置的需求。光纤束207连接在外壳201的出光孔处，将分光后的光源导出到微根窗1；可变光源2通过可变光源控制电缆与控制装置3电连接。
[0058]
本实施例所述的可变光源2与控制装置3集成为一体，便于携带使用。
[0059]
控制装置3通过控制可变光源2中的电机ⅱ206使滤光片轮202转动，让不同波段光
通过光纤束207作为微型相机202的光源，实现多波段成像；进一步地，在可变光源2中用led灯209替换卤素灯204，利用多种波段发光的led灯209与多种波段滤光的滤光片203组合，能够实现更多波段成像，扩大成像装置的使用范围；通过控制微根窗1的电机ⅰ驱动丝杠105旋转带动微型相机202竖向移动，实现根系土壤纵深完整原位成像。本发明通过外置可变光源2，满足不同根系土壤研究内容对光源的各式需求。
[0060]
一种基于外置可变光源的根系土壤原位成像方法，其方法的步骤如下：
[0061]
1)根据研究需要，确定所需照射光的波段及满足照射光波段要求的微根窗管、滤光片组、卤素灯、光纤束和微型相机；将微根窗埋入需要研究的根系土壤原位表征的对应位置，微根窗管的顶端不没入土壤。
[0062]
2)按成像装置的光路、电路的连接要求正确连接光纤束、可变光源控制电缆、电机控制电缆和图像数据采集控制传输电缆；
[0063]
3)启动成像装置，成像平台处在微根窗的顶部初始位置，开启卤素灯进行预热，保证微根窗管未没入土壤部分的洁净；
[0064]
4)将与微根窗管直径匹配的弧形已知反射率的白板黑板组完全贴合在微根窗管未没入土壤部分，且不能透入产生干扰的外界光，启动微型相机扫描，获取全白景与全黑景；
[0065]
5)滤光片轮转动一周，每当滤光片中心与光纤束中心对齐时微型相机获取图像数据；
[0066]
6)成像平台下降至下一位置，重复第5步获取图像数据动作；
[0067]
7)不断重复第6步，直至所述成像平台到达微根窗的底部；期间，位置间隔需满足照片间50％重叠率的需求；
[0068]
8)完成数据获取，收纳除微根窗外的所有设备，微根窗上端进行保护，以防尘土进入影响下次数据采集；
[0069]
9)计算所有位置多波段成像图的反射率数据，如下式：
[0070][0071]
式中，r
ijk
为该位置第i行j列像素第k个波段的反射率，d
ijk
为该位置第i行j列像素第k个波段的原始数字信号值，w
ijk
为全白景第i行j列像素第k个波段的原始数字信号值，b
ijk
为全黑景第i行j列像素第k个波段的原始数字信号值，ref为白板的反射率；
[0072]
10)借助图片拼接软件，按对齐照片、建立密集点云、生成网格、生成纹理、生成正射图和畸变修正步骤，将所有位置多光谱成像图拼接为完整的根系土壤原位成像图。
[0073]
当使用led灯209替换卤素灯204时，步骤5中微型相机202的拍摄条件是led光源轮208与滤光片轮202同时转动，每当滤光片203中心、对应led灯209中心与光纤束207中心对齐时微型相机202获取图像数据。
[0074]
最后需要指出的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制。尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精
神和范围。