植物根系测定方法及植物根系测定装置与流程

本发明涉及测量技术领域，尤其涉及一种植物根系测定方法及植物根系测定装置。

背景技术：

根系是维持植物生长的主要器官，它具有巨大的根表面积，是植被－土壤共同体进行水分和养分传递的中转站，为充分发挥根系功能，促进植物生长，提高其在生态系统以及全球碳平衡中的重要作用，相关研究者认为有必要开展根系数量、形态、以及空间分布格局等方面的系统研究。

植物根系包括粗根及细根。粗根通常直径≥5mm，具有固定和支撑地上部分、传输水分、贮藏光合产物等功能，而细根木质化程度低，具有较强吸收土壤水分和营养能力。作为根系空间分布格局研究的重要组成部分，调查不同土层中粗根、细根在垂直剖面上的数量。的计算不同土层的出现频率与密度，不仅可间接反映出土壤营养的差异，还能了解到根系对土壤环境的适应与改变，可为养护管理提供重要参考。

为获取到植物根系，目前常用根钻法、网袋法、挖掘法3种方式进行，其中，根钻法与网袋法虽然对植物根系破坏较小且比较省力，但通常土壤的水热条件不均，根系分布受其影响，导致取样存在一定的随机误差。挖掘法则是将土壤移走，仅保留植物根系，虽然工作量比较大，但却能够准确测量整个粗根、细根数量与形态特征。

挖掘法为全面了解垂直土壤剖面上根系出现频率与面积，首先需要通过挖掘获取到完整的根系，在此基础上，传统的方法是通过素描纸覆盖在根系上，然后用记号笔勾绘出根系轮廓，从而确定粗根、细根在空间的分布位置和面积，但该方法需要多人配合操作，且素描纸的透明度不高，也不易固定，导致勾绘出的根系位置与根系截面面积会出现较大误差。

技术实现要素：

本发明提供一种植物根系测定方法及植物根系测定装置，用以解决现有技术中根系测定操作困难的缺陷，实现对植物根系的测定的简化与精度提升。

本发明提供一种植物根系的测定方法，包括以下步骤：

提供植物根系，所述植物根系为圆周体，所述植物根系的轴线方向与所述植物根系的生长方向相同，所述植物根系的轴线通过所述植物根系的根部；

图像拍摄，将所述植物根系的外周面以所述植物根系的轴线为中心，分为n个拍摄区域，分别对每个所述拍摄区域沿垂直于所述植物根系轴线的方向进行拍摄，得到每个所述拍摄区域的根系图像；

图像分析，对每个所述根系图像内的根系轮廓采用计算机软件进行识别，得到根系图斑，所述根系图斑总体占用所述根系图像的像素与植物根系总体占用根系图像像素之比为根系出现频率。

根据本发明提供的植物根系测定方法，“图像分析”步骤中，沿所述植物根系的生长方向将所述植物根系依次划分为m个统计层，统计每个统计层内的根系图斑占用像素，得到每个统计层内的根系出现频率。

根据本发明提供的植物根系测定方法，m个统计层依次等分设置。

根据本发明提供的植物根系测定方法，“图像拍摄”步骤中，分别对每个所述拍摄区域拍摄时还放置有参照物，所述参照物放置在拍摄范围内，所述参照物在所述根系图像所在的平面上的尺寸为已知。

根据本发明提供的植物根系测定方法，“图像分析”步骤中，根据根系出现频率及所述参照物在所述根系图像所在的平面上的尺寸得到根系图斑的尺寸。

根据本发明提供的植物根系测定方法，“图像拍摄”步骤中，将所述植物根系以所述植物根系的轴线为中心，等分为n个所述拍摄区域。

根据本发明提供的植物根系测定方法，“图像拍摄”步骤中，将所述植物根系绕所述植物根系的轴线进行转动，依次对每个所述拍摄区域进行拍摄。

根据本发明提供的植物根系测定方法，“图像拍摄”前对所述植物根系进行修剪，使所述植物根系成半球形或圆柱形。

本发明还提供一种植物根系测定装置，实施上述的植物根系测定方法，包括拍摄单元及拍摄框，所述拍摄框设置在所述拍摄单元的拍摄范围内，所述拍摄框包括两根互相平行设置的定位框杆，两根所述定位框杆所在的平面与所述拍摄单元的拍摄方向垂直。

根据本发明提供的植物根系测定装置，所述定位框杆与植物根系的轴线方向平行，所述植物根系的外周面部分容纳在两根所述定位框杆之间，两条所述定位框杆之间的所述植物根系的外周面为拍摄区域。

根据本发明提供的植物根系的测定装置，所述拍摄框还包括支撑框杆，所述定位框杆滑动设置在所述支撑框杆上，所述支撑框杆的延伸方向与所述定位框杆的延伸方向相交，两根所述定位框杆分别在所述支撑框杆上沿所述支撑框杆的延伸方向滑动。

根据本发明提供的植物根系的测定装置，所述支撑框杆为两根，两根所述支撑框杆平行设置，所述定位框杆的两端分别滑动设置在两根所述支撑框杆上，所述支撑框杆的延伸方向与所述定位框杆的延伸方向垂直，所述定位框杆与所述支撑框架之间互相滑动连接，所述定位框杆与所述支撑框杆之间设置有用于约束所述定位框杆与所述支撑框杆之间位置的锁紧器。

根据本发明提供的植物根系的测定装置，包括用于悬挂植物根系的悬挂支撑架，所述拍摄单元、所述拍摄框、所述悬挂支撑架依次顺序设置，所述悬挂支撑架设置在所述拍摄框与所述拍摄单元之间的连线方向上。

根据本发明提供的植物根系的测定装置，所述悬挂支撑架上设置有转动轴承及用于连接植物根系的悬挂绳，植物根系通过悬挂绳及转动轴承转动悬挂在所述悬挂支撑架上。

根据本发明提供的植物根系的测定装置，还包括底座，所述悬挂支撑架、所述拍摄框、所述拍摄单元设置在所述底座上。

根据本发明提供的植物根系的测定装置，所述底座上设置有滑轨，所述滑轨沿所述拍摄框及所述拍摄单元之间的连线方向设置，所述悬挂支撑架、所述拍摄单元、所述拍摄框滑动设置在所述滑轨上。

根据本发明提供的植物根系的测定装置，还包括遮光网，所述遮光网环绕所述拍摄框及所述拍摄单元设置。

根据本发明提供的植物根系的测定装置，还包括背景墙和/或号码牌，所述背景墙设置在植物根系远离所述拍摄框的一侧，所述背景墙所在的平面与所述拍摄单元的拍摄方向垂直；

所述号码牌设置在所述拍摄单元拍摄范围内，所述号码牌依次显示若干编号。

根据本发明提供植物根系测定装置，还包括号码牌，所述号码牌设置在所述拍摄单元的拍摄范围内，所述号码牌依次显示若干编号。

本发明提供的一种植物根系的测定方法及装置，通过对植物根系进行分区拍摄，并对拍摄后的图像采用计算机软件对根系图斑进行识别，无需人工进行描绘，识别精度高，大幅度减轻了工作人员的工作量，提高了检测效率。同时，拍摄框能够对拍摄区域进行限定，防止拍摄区域重复，保证根系图斑的测定精度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明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，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，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，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明提供的植物根系测定方法的植物根系修剪示意图；

图2是本发明提供的植物根系测定装置的正视使用示意图；

图3是本发明提供的植物根系测定装置的俯视使用示意图。

附图标记：

1：植物根系；2：拍摄框；3：拍摄单元；

4：参照物；5：悬挂支撑架；6：底座；

7：转动轴承；8：悬挂绳；9：号码牌；

10：背景墙；11：植物根部；12：遮光网；

13：支撑框杆；14：定位框杆。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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作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。

以下结合图1至图3，对本发明的实施例进行描述。应当理解的是，以下仅是本发明的示意性实施方式，并不对本发明构成限定。

如图1所示，提供植物根系1，植物根系1为圆周体。实际测定时，样本选用正常生长的植物，植物的根系沿重力方向生长，植物根系1的轴线方向与植物根系1的生长方向相同，植物根系1的轴线通过植物根系的根部。

优选地，对植物根系1进行修剪，使植物根系1成以植物根部11为球心的半球形，或使植物根系1成圆柱形，植物根系11的轴线通过植物根部11。

植物根系1的测定方法，包括以下步骤：

s1、图像拍摄，图像拍摄，将植物根系1的外周面以植物根系1的轴线为中心，分为n个拍摄区域，分别对每个拍摄区域沿垂直于植物根系1轴线的方向进行拍摄，得到每个拍摄区域的根系图像；

s2、图像分析，对每个根系图像内的根系轮廓采用计算机软件进行识别，得到根系图斑，根系图斑总体占用根系图像的像素与植物根系1总体占用根系图像像素之比为根系出现频率。

s2步骤中，沿植物根系1的生长方向将植物根系1依次划分为m个统计层，统计每个统计层内的根系图斑占用像素，得到每个统计层内的根系出现频率，从而可以对在植物生长方向上，对每个统计层内的植物根系11生长情况进行统计分析。本实施例中，m个统计层依次等分设置，各个统计层中根系的出现频率之比更加直观，便于理解及分析。

s1步骤中，分别对每个拍摄区域拍摄时还放置有参照物，参照物放置在拍摄范围内，参照物在根系图像所在的平面上的尺寸为已知。由于参照物44与拍摄框22均在根系平面上，因此参照物44的尺寸与所占像素的比值与拍摄框22内根系图斑与所占像素的比值相同。同时参照物在根系图像所在的平面上的尺寸为已知，

根据根系出现频率及参照物在根系图像所在的平面上的尺寸得到根系图斑的尺寸，通过计算即可得到根系图斑的面积。

s1步骤中，步骤中，将植物根系1以植物根系1的轴线为中心，等分为n个拍摄区域。将植物根系1绕植物根系1的轴线进行转动，依次对每个拍摄区域进行拍摄。拍摄区域等分，每次转动角度相同，因此转动更加方便，转动角度的精度也更高，测定数据也更加准确。

本发明还提供一种植物根系1测定装置，用于实施上述测定方法。如图2及图3所示，测定装置包括拍摄单元3及拍摄框2，拍摄框2设置在拍摄单元3的拍摄范围内，拍摄框2包括两根互相平行设置的定位框杆，两根定位框杆所在的平面与拍摄单元3的拍摄方向垂直。

优选地，定位框杆与植物根系1的轴线方向平行，植物根系1的外周面部分容纳在两根定位框杆之间，两条定位框杆之间的植物根系1的外周面为拍摄区域。

本实施例中，拍摄框2为矩形，拍摄框2还包括两条支撑框杆13，支撑框杆13对定位框杆14起到支撑作用。两条定位框杆14通过两条支撑框杆13连接。

定位框杆14与支撑框杆13之间互相滑动垂直连接。定位框杆14与支撑框杆13之间设置有用于约束相邻框杆之间相对位置的锁紧器。定位框杆14与支撑框杆13之间滑动连接，从而可以调节两条定位框杆14之间及两条支撑框杆13之间的间距，从而调节拍摄框2的大小，进一步可获得不同大小的拍摄区域，适应不同尺寸的植物根系1。支撑框杆13之间也可以调节间距，适应不同尺寸的植物根系，拍摄过程中防止遮挡植物根系1。

测定装置还可以包括用于悬挂植物根系1的悬挂支撑架5，能够无需人工对植物根系进行长时间悬挂支撑，减轻工作人员的体力负担。本实施例中，悬挂支撑架5包括两根立柱及一根横梁，转动轴承7设置在横梁上，结构简单，造价低廉。悬挂支撑架5也可以为三角式支撑架，三角式支撑架结构简单，易于收纳携带，能够在植物根系1挖掘现场进行布置。

悬挂支撑架5上设置有转动轴承7及的悬挂绳8。转动轴承7为径向轴承，转动轴承7的一端直接固定在悬挂支撑架5上。悬挂绳8连接在转动轴承7的另一端上。植物根系1通过悬挂绳8悬挂在转动轴承7上。转动轴承7能够在拍摄过程中减少植物根系1的转动阻力。

转动轴承7所在的重垂线方向与拍摄单元3的拍摄方向相交，从而保证植物根系1在拍摄时处于拍摄单元3视野的中间位置。转动轴承7上还可以设置定滑轮或滑轮组，悬挂绳8绕过定滑轮或滑轮组后连接在转动轴承7上，滑轮组能够省力，特别适合悬挂直径较大，从而质量较大的植物根系1。

测定装置还可以包括底座6。悬挂支撑架5、拍摄框2、拍摄单元3依次共线设置在底座6上，使悬挂支撑架5、拍摄框2、拍摄单元3之间位置保持相对固定。

优选地，底座6上还可以设置滑轨，滑轨沿拍摄框2及拍摄单元3之间的连线方向设置，悬挂支撑架5、拍摄单元3、拍摄框2分别滑动设置在滑轨上。滑轨能够调节悬挂支撑架5、拍摄单元3、拍摄框2三者之间的相对位置，以适应不同直径的植物根系1，获得更好的拍摄效果。

优选地，测定装置还可以包括遮光网12，遮光网12环绕拍摄框2及拍摄单元3设置。遮光网12可以直接设置在底座6上，也可以单独设置。在室外环境等光线较为强烈时，遮光网12能够减少光照强度，保证拍摄单元3的拍摄效果。具体实施时，遮光网12包括网本体及支撑杆，支撑杆固定设置在网本体上，对网本体进行支撑。底座6上可以绕拍摄框2及拍摄单元3依次设置若干固定孔。将支撑杆依次插入固定孔中，即可完成遮光网12的安设。支撑杆的底部也可以直接设置配重座，支撑杆通过配重座放置在地面上，从而实现遮光网12的放置。

本实施例中，测定装置还包括背景墙10，背景墙10设置在植物根系1远离拍摄框2的一侧，背景墙10所在的平面与拍摄单元3的拍摄方向垂直。背景墙10在拍摄方向上的投影面积大于植物根系1在拍摄方向上的投影面积。背景墙10的颜色可以为与泥土及根系颜色差异明显的颜色，如红色、橘红色、绿色等，以便于在识别时与根系图斑区别。本实施例中，背景墙10为红色。

测定装置还包括参照物4，与拍摄框2所在的平面共面设置。参照物4沿拍摄方向在拍摄框2所在的平面上的投影的尺寸可以直接测定或直接读取，成为已知尺寸。同时，参照物4上的已知尺寸放置在拍摄框2所在的平面上，参照物4上已知尺寸距离拍摄单元的距离与植物根系1上拍摄区域与拍摄单元之间的距离相同，尺寸比例相同，在获取植物根系图斑的尺寸时无需再按与拍摄单元的距离进行比例换算。本实施例中，参照物4为塔尺。塔尺能够直接放置并读取尺寸，使用简单方便。

测定装置还包括号码牌9，号码牌9设置在拍摄单元3的拍摄范围内，号码牌9依次显示若干编号。实际对每个拍摄区域进行拍摄时，号码牌9显示不同编号，防止图像分析时重复。

实际使用测定装置对植物根系1进行测定过程中，实际包括以下步骤：

(1)通过挖掘获取到完整的植物根系1，然后以根部为中心，按一定的直径垂直修剪根系，形成一个如图1所示半径为2m的半球体。

(2)将植物根系1通过悬挂绳8悬挂起来，悬挂时，悬挂绳8的延伸方向与植物根系1的轴线方向共线。构建拍摄框2，拍摄框2所在的平面与植物根系1的轴线方向平行，拍摄框2所在的平面与拍摄单元3的拍摄方向垂直。拍摄框2的材料为铁条等易获取材料，拍摄框2包括两根延伸方向与植物根系1轴线方向相同的定位框杆14。调整两根定位框杆14之间的间距，使两根定位框杆14之间的间距刚好可以容纳植物根系1外周面的1/8。在拍摄框2所在的平面上放置测高塔作为参照物4。本实施例中，拍摄区域为8个。构建拍摄框2拍摄区域越多，则最后的测定结果精度越高。但是由于实际条件的限制，拍摄区域越多，则单个拍摄区域的面积也越小，拍摄更加困难。因此拍摄区域一般为6～12个。

本实施例中，在室外对植物根系1进行测定。由于室外的光线强烈，在拍摄单元3及拍摄框2周围设置遮阳网和红色背景布墙，从而在拍摄时更好突出植物根系1。

(3)在植物根系1及拍摄框2之间的连线方向上水平架设拍摄单元3，拍摄单元3距离拍摄框2具有一定距离，如30cm。拍摄单元3可以为手机或照相机，拍摄单元3的分辨率不低于1000万像素。优选地，拍摄单元采用移轴摄影镜头，对拍摄区域进行移轴摄影，当由于空间限制，拍摄单元3与拍摄区域距离较近时，移轴摄影能够减少拍摄区域的透视变形，提高根系图像中更新图像的尺寸精度。确定植物根系1的旋转起点，按相同方向，以植物根部11为中心，依次转动1/8角度植物根系1，使拍摄框2被植物根系1充满，拍摄框2内的植物根系1即为一个拍摄范围，一旦覆盖范围适合，则停止旋转，保持植物根系1静止。通过蓝牙或遥控器控制拍摄单元3，拍摄位于拍摄框2内的根植物系，可以减少拍摄单元3拍摄过程中的震动，提高根系图像的品质。

重复上述步骤，直到整株植物根系1的外周面均被拍摄。

(4)在图像处理软件中，依次导入拍摄单元3拍摄的根系图片，并对根系图片沿植物根系1的轴线方向依次进行分层，例如分成0-20cm、20cm-40cm、>40cm的三层，然后分别对各层内的根系轮廓勾绘出面状图斑，然后统计图斑数量，分析垂直剖面上根系出现频率，还可以根据参照物4所占用的像素与勾绘面积占用的像素的关系,进而推算出各层的勾绘面积。

最后应说明的是：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。