一种基于外置可变光源的根系土壤原位成像装置及方法

技术特征：
1.一种基于外置可变光源的根系土壤原位成像装置，其特征是：包括微根窗、可变光源和控制装置；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；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；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。2.根据权利要求1所述的一种基于外置可变光源的根系土壤原位成像装置，其特征是：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。3.根据权利要求1所述的一种基于外置可变光源的根系土壤原位成像装置，其特征是：所述微根窗管的玻璃管能够透过不同波段的光。4.根据权利要求1所述的一种基于外置可变光源的根系土壤原位成像装置，其特征是：所述微型相机能够在不同波段光的照射下进行成像。5.根据权利要求1所述的一种基于外置可变光源的根系土壤原位成像装置，其特征是：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。6.根据权利要求1所述的一种基于外置可变光源的根系土壤原位成像装置，其特征是：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。7.根据权利要求6所述的一种基于外置可变光源的根系土壤原位成像装置，其特征是：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。8.根据权利要求1所述的一种基于外置可变光源的根系土壤原位成像装置，其特征是：所述可变光源与控制装置集成为一体。9.一种基于外置可变光源的根系土壤原位成像方法，其特征是：其方法的步骤如下：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。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；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；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；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；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；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；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；9)计算所有位置多波段成像图的反射率数据，如下式：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
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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
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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
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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；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。10.根据权利要求9所述的一种基于外置可变光源的根系土壤原位成像方法，其特征是：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。

技术总结
本发明公开了一种基于外置可变光源的根系土壤原位成像装置及方法，包括微根窗、可变光源和控制装置；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。该成像装置，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。有效降低了成本。有效降低了成本。


技术研发人员：杨增玲 史卓林 任朝霞 韩鲁佳 梁浩 葛辰俊
受保护的技术使用者：中国农业大学
技术研发日：2022.09.09
技术公布日：2022/12/5