一种高通量水培作物3D时序成像系统及应用方法

本发明属于农业自动化装备技术、计算机视觉技术和生物特征识别，具体涉及一种高通量水培作物3d时序成像系统及应用方法。

背景技术：

1、随着现代农业技术的快速发展，提高作物产量、优化种植管理以及精准育种已成为农业研究的重要方向。其中，高通量作物表型分析技术在作物遗传改良、生长环境适应性研究及产量预估等方面发挥着关键作用。然而，传统的作物表型分析方法往往依赖于人工测量，不仅费时费力，且难以实现对作物生长过程的连续、无损监测。因此，开发一种能够高效、准确地获取作物三维形态结构及其动态变化的高通量成像装置及其应用方法显得尤为重要。

2、近年来，围绕3d的图像处理技术和计算机视觉在农业领域的应用日益广泛。三维重建技术能够基于多个视角的图像信息，重建出作物的三维模型，从而实现对作物形态结构的精确描述。图像处理技术和计算机视觉则能够进一步分析作物三维模型，提取出作物的三维表型特征，如株高、叶面积、茎粗、根长、根系分散程度等关键参数；同时还能基于关键的表型参数建立数学模型，实现作物的可视化生长预测。这些技术的结合为作物生长过程的可视化、生长趋势的预测以及遗传改良的精准决策提供了有力支持。

3、然而，现有的高通量作物成像装置及其分析方法仍存在一些不足。一方面，传统的成像装置往往无法同时满足高通量、包括地上和地下部分整株作物的三维分析需求，限制了其在大规模田间试验中的应用。如公开号cn115239882a提出了一种基于弱光图像的作物三维重建方法，实现弱光场景下的作物表型分析，但该方法在图像采集时效率较低，难以应用于高通量场景，且未考虑作物地下部分的根系结构。公开号cn111165228a提出了一种用于培养作物的环境可控装置，实现对包括地上和地下部分的整株作物表型与环境因素之间关系的分析，但该方法相较于传统方法，无法实现三维表型分析，且较难实现高通量，低成本的要求。另一方面，现有的三维重建和表型提取方法大多局限于二维空间，缺乏对不同作物种类、不同生长环境以及不同生长阶段的通用性和适应性。如公开号cn111165228a提出了一种用于作物表型提取与分析的移动舱，实现对包括根系在内的植株进行表型提取，并结合环境信息进行分析，但该方法仅能实现二维表型的提取，对作物形态分析存在一定的局限性。在作物三维重建方法上，公开号cn115564109a提出了一种基于改进卷积神经网络的果树生长预测方法，但该方法对难以拓展到其它作物品种上，存在一定的局限性，且难以满足高通量的需求。

4、针对上述问题，本发明提出了一种高通量水培作物3d时序成像系统以及包括根系在内的整株作物的三维重建、表型提取和可视化生长预测方法，旨在解决现有作物成像、三维表型提取及分析方法的不足。该系统利用水培技术为作物提供稳定的生长环境，结合三维成像技术，实现对作物生长过程的连续、无损监测。同时，通过先进的图像处理算法和计算机视觉技术，对获取的三维图像进行分析，提取出作物的表型特征，并基于这些特征对作物进行生长趋势的预测和可视化展示。该发明具有广泛的应用前景，可应用于农业科研、农业生产及农业自动化等领域，推动现代农业的快速发展。

技术实现思路

1、在作物表型研究中，由于土壤环境的不透光性，现有方法大多难以对根系表型进行分析；由于三维重建技术对多视角的依赖性，对作物栽培方式和成像装置的设计带来更多挑战；由于作物表型分析往往借助特定装置，导致难以实现高通量场景下的表型分析；同时随着作物生长监测及精准育种的不断发展，现有的可视化技术难以实现对作物三维形态生长预测的直观展示，限制了其在农业科研和生产中的应用。

2、为解决上述问题，本发明提供了如下技术方案，提供了一种高通量水培作物3d时序成像系统及应用方法，具体如下。

3、一种高通量水培作物3d时序成像系统，其特征在于，该装置包括悬架导轨（1）、悬架（2）、成像装置（3）、水培装置（4）和换液装置（5）；

4、悬架导轨（1）包括2条相互平行的纵向导轨，水平放置于平面；

5、悬架（2）包括2根支撑杆和1根横向导轨，所述2根支撑杆分别竖直安装于所述悬架导轨之上，所述横向导轨安装在2根支撑杆的上端，横跨在所述悬架导轨的2条纵向导轨之间；所述悬架可沿纵向导轨进行灵活移动；

6、成像装置（3）包括悬架连接件（6）、内伸缩臂（7）、外伸缩臂（8）、环型导轨（9）、相机（10）和背景板（11）；所述成像装置通过所述悬架连接件（6）与所述悬架（2）连接并位于悬架下方，可沿悬架上的横向导轨进行灵活移动；所述内伸缩臂（7）和外伸缩臂（8）的上端与悬架连接件（6）连接；所述外伸缩臂（8）的下端连接所述环型导轨（9）；所述相机（10）和背景板（11）安装于环型导轨（9）上，相机和背景板正对安装，二者的中心与环形导轨的圆心位于同一直线，二者可沿环型导轨绕水培装置（4）的中心轴线以相同速度同步匀速旋转，获取作物图像；

7、水培装置（4）位于所述悬架导轨（1）的2条纵向导轨之间的区域，包含阵列式排布的若干个水培装置单元；每个水培装置单元包括植物样本（12）、透明圆筒生长罐（13）、平板（14）、海绵（15）、营养液（16）、遮光罩（17）和放置台（18）；每两个水培装置单元在横向与纵向均相隔一定距离，方便所述成像装置（3）进行成像作业操作；

8、换液装置（5）包括虹吸管（20）、盛有新营养液的容器（21）和收集旧营养液的容器（22），用于定期更换水培装置（4）的营养液（16）。

9、更具体地，所述成像装置的悬架连接件（6）用于带动成像装置（3）沿悬架（2）横向移动；内伸缩臂（7）的下端用于拆卸及安装所述水培装置的遮光罩（17）；外伸缩臂（8）用于带动环型导轨（9）上下移动；环型导轨（9）以水培装置（4）为中心，使得相机和作物之间的距离保持不变；相机（10）采用手动对焦、以视频拍摄方式获取整株作物图像；背景板（11）内侧涂黑，便于整株作物图像获取。

10、更具体地，所述水培装置（4）中，所述平板（14）采用正方形设计，其外侧通过与透明圆筒生长罐（13）内壁过盈配合与透明圆筒生长罐（13）固定连接；所述平板（14）设置有上下贯穿的固定孔（19）；所述海绵（15）通过与固定孔（19）内壁过盈配合与平板（14）固定连接；所述海绵（15）位于平板（14）的正方形中心位置；所述营养液（16）的液位与平板（14）平齐；所述透明圆筒生长罐（13）用于盛放构件并提供植物生长空间；所述平板（14）用于将植物固定于水培装置（4）中心；所述海绵（15）用于在植物种子幼根萌发期为其提供水分，并在后期固定植物根系基部；所述遮光罩（17）以可拆卸的方式包裹在所述透明圆筒生长罐（13）的外周，用于避免外界光照对根系造成影响，在作物成像时卸下；所述平板（14）、海绵（15）和遮光罩（17）采用黑色材料。

11、更具体地，所述换液装置（5）中，盛有新营养液的容器（21）的液位高于水培装置（4）中营养液（16）的液位；水培装置（4）中营养液（16）的液位高于收集旧营养液的容器（22）的液位。

12、更具体地，所述换液装置（5）的虹吸管（20）包括2根，其中1根虹吸管连通所述水培装置（4）的顶部和所述盛有新营养液的容器（21），用于将新营养液虹吸输入所述水培装置（4）中，另1根虹吸管连通所述水培装置（4）的底部和所述收集旧营养液的容器（22），用于将所述水培装置（4）中的旧营养液虹吸输出到所述收集旧营养液的容器（22）中；2根虹吸管的虹吸功率相同，可在输入新营养液的同时排出旧营养液，保证换水期间所述水培装置（4）中营养液（16）的液位不变，使得根系构型不因换液发生变化。

13、本发明还涉及一种高通量水培作物3d时序成像系统的应用方法，采用前述的高通量水培作物3d时序成像系统进行成像，再进行作物3d重建、表型提取及作物生长可视化预测。

14、其中，成像步骤具体为：

15、步骤s11，悬架（2）沿悬架导轨（1）运动至水培装置阵列的第1行，悬架中心轴与第1行的水培装置单元的中心在同一垂直平面上；

16、步骤s12，成像装置（3）沿悬架（2）运动至第1个水培装置单元正上方，成像装置中心与第1个水培装置单元的中心位于同一垂直线上；

17、步骤s13，内伸缩臂（7）将其正下方水培装置单元的遮光罩（17）自动拆卸并短暂移开；

18、步骤s14，外伸缩臂（8）将环型导轨（9）下放移动至与水培装置单元中心平齐；

19、步骤s15，相机（10）和背景板（11）沿环型导轨（9）绕水培装置（4）的中心轴线以相同速度匀速旋转，环绕采集整株作物图像；

20、步骤s16，外伸缩臂（8）将环型导轨（9）向上移动复位；

21、步骤s17，内伸缩臂（7）将遮光罩（17）装配回水培装置；

22、步骤s18，沿纵向导轨和横向导轨移动悬架（2）和成像装置（3）至下一个水培装置单元，重复步骤s13-s17，采集所有水培装置单元的整株作物图像。

23、更具体地，所述的高通量水培作物3d时序成像系统的应用方法，其特征在于，作物3d重建的步骤具体为：

24、步骤s21，对采集图像进行预处理，获得仅包含作物的图像；

25、步骤s22，将步骤s21获得的整株作物图像进行畸变矫正，消除相机成像和介质折射导致的图像畸变；

26、步骤s23，整理步骤s22获得的矫正图像，将同一株植物在同一时间采集的图像作为一组；

27、步骤s24，对每一组图像进行位姿估计，获得位姿信息，即图像采集时相机在三维空间中的位置和朝向；

28、步骤s25，结合步骤s22获得的矫正图像和步骤s24获得的位姿信息，使用神经辐射场对每一组图像进行三维重建，获得整株作物三维辐射场；

29、步骤s26，将步骤s25获得的整株作物三维辐射场转换为整株作物三维点云；

30、步骤s27，对步骤s26获得的整株作物三维点云进行分析，提取整株作物三维表型信息。

31、更具体地，所述的高通量水培作物3d时序成像系统的应用方法，其特征在于，表型提取的步骤具体为：

32、步骤s31，对获得的整株作物三维点云进行预处理；

33、步骤s32，使用几何计算方法，提取整株作物三维点云的关键点，通过计算三维空间中关键点的相对位置获得包括株高、株宽、根长和根角度等表型；

34、步骤s33，使用体素化或三角网格方法计算包括作物水上部分表面积、作物水上部分体积、根系表面积、根系体积和根系最小包围凸壳体积等表型；

35、步骤s34，计算根系最小包围凸壳体积与根系体积的比值，获得根系分散程度表型信息。

36、更具体地，所述的高通量水培作物3d时序成像系统的应用方法，其特征在于，作物生长可视化预测的步骤具体为：

37、步骤s41，基于提取得到的整株作物三维表型信息，结合时序信息、品种信息和环境信息，建立生长预测模型；

38、步骤s42，基于步骤s41获得的生长预测模型，通过当前特定品种整株作物三维表型信息、品种信息和环境信息，预测未来该整株作物的三维表型信息；

39、步骤s43，使用三维几何建模技术，将步骤s42获得的未来整株作物的三维表型信息转化为空间几何信息，实现对未来整株作物形态结构的三维表征；

40、步骤s44，使用纹理模型、光照模型和颜色渲染方法，对步骤s43获得的三维表征结果进行整合，获得未来整株作物的三维可视化生长预测结果。

41、相对于现有技术而言，本发明具备显著积极的技术效果，具体表现在如下部分。

42、（1）现有基于水培环境的根系表型分析技术，大多在更换营养液时直接完全排出旧营养液，并诸如新营养液，这种换液方式会影响根系原本构型及位置，为后续根系时序表型分析带来误差。本发明设计的基于虹吸原理的换液装置，可以以相同效率同时进行营养液的排出与注入，实现水培场景下换液时的液面保持不变，从而保证水培装置中的作物根系构型不变，使时序成像结果能够直观展示根系的生长变化，便于根系时序表型的分析。

43、（2）现有传统土培环境下作物表型分析装置，大多局限于二维层面，且很少同时考虑地上和地下部分，对作物的表型分析不够完整。而现有水培环境下的作物表型系统大多仅是对单株作物进行表型分析，现有高通量水培系统不能较好地进行表型分析，难以结合其它技术实现多视角成像及三维重建。本发明设计的作物水培装置及配套的可移动式、自动采集的成像装置，其中透明培养介质实现了包括地上和地下部分在内的整株作物的图像采集和表型分析，水培装置阵列配合换液装置实现了作物高通量水培种植，自动化成像装置可以高效地实现水培环境下环绕一周的多视角成像，便于后续三维建模及三维表型分析，因此该装置同时具备了整株表型、三维分析、高通量、自动化的优势，实现了对包括地上和地下部分的整株作物的高通量、高效三维表型分析。

44、（3）现有传统作物表型方法往往局限于二维平面的表型提取与分析，难以全面、精准地反映作物的三维形态及动态生长过程，导致信息获取片面，缺乏直观且深入的洞察。本发明设计了一种基于多视角作物图像的作物3d重建、表型提取及作物未来生长趋势可视化预测的技术流程，该技术实现了作物表型从二维到三维的提升，使表型分析更加精准，同时该技术还整合了作物时序生长信息和环境信息，建立作物生长模型，能够以三维形式对作物未来一段时间内的生长趋势及可能达到的形态进行可视化展示，丰富了作物表型研究的手段，提升了研究效率与深度，为作物遗传育种工作提供精准指导，为生长监测和田间管理提供技术支撑。