專利名稱：盆栽水稻表型參數(shù)的全自動無損測量系統(tǒng)及測量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及屬于機器視覺檢測技術(shù)，尤其涉及到一種盆栽水稻表型參數(shù)的測量系統(tǒng)及測量方法。
背景技術(shù)：
當(dāng)今農(nóng)業(yè)工程學(xué)科中，農(nóng)作物育種是熱點研究領(lǐng)域之一，而研究農(nóng)作物的育種離不開對農(nóng)作物全生育期各種表型參數(shù)的測量和分析。在對表型分析的同時，聯(lián)系植物的生長發(fā)育、遺傳變異、環(huán)境等各方面情況，可以對農(nóng)作物的育種提供有價值的信息，同時為促進改良株型和改善管理提供強大的工具。水稻是世界主要糧食作物之一，據(jù)2009年世界糧食峰會關(guān)于食品安全的報告，到 2050年，需要增長70%的糧食以滿足人口的增長。中國是世界上最大的水稻消費國，對水稻的需求顯得尤為重要。研究水稻的生長信息時，表型數(shù)據(jù)是極為重要的。水稻的生長發(fā)育、生理變化、遺傳變異等過程都會引起表型性狀的改變。水稻的表型性狀很大程度上決定了品種的地區(qū)和季節(jié)適應(yīng)性，是篩選和培育新品種的重要參考標(biāo)準(zhǔn)。水稻表型數(shù)據(jù)的數(shù)字化自動測量系統(tǒng)可以高通量提取水稻的表型參數(shù)數(shù)據(jù)，從而快速篩選出有價值的基因，進而加快遺傳改良鑒定的速度，這將極大的促進水稻功能基因組學(xué)的發(fā)展。因此，在水稻的遺傳育種研究中，獲取和分析表型性狀參數(shù)是不可或缺的，如何準(zhǔn)確、快速、無損的獲取這些表型參數(shù)一直是農(nóng)業(yè)研究中的一個難題。目前，這些表型參數(shù)的獲取主要依靠人工測量，測量效率低、可重復(fù)性差、主觀誤差大，數(shù)據(jù)質(zhì)量參差不齊，以致對后續(xù)分析產(chǎn)生影響。人工測量的這些缺點使得測量性狀參數(shù)時只能采取抽樣的方式，無法實現(xiàn)大批量的測量，因此也就無法對單株水稻樣本進行連續(xù)跟蹤觀測，遠不能滿足現(xiàn)代育種的要求。開展盆栽水稻表型參數(shù)的自動化獲取和分析平臺，可降低現(xiàn)代育種成本，減少育種周期，在水稻育種研究領(lǐng)域有極大的應(yīng)用前景和經(jīng)濟效益。在此背景前提下，國外已經(jīng)有一些比較成熟的產(chǎn)品，如德國的Lemnatec公司設(shè)計了一套玉米表型參數(shù)測量系統(tǒng)，而國內(nèi)尚未發(fā)現(xiàn)此類產(chǎn)品。為了給國內(nèi)甚至世界水稻育種平臺提供快速檢測手段，本發(fā)明設(shè)計和制作一個全自動高通量無損檢測盆栽水稻表型參數(shù)的系統(tǒng)。從系統(tǒng)的美觀和穩(wěn)定性考慮，本系統(tǒng)輸送線設(shè)計由不銹鋼構(gòu)成，控制部分使用可編程邏輯控制器件，測量部分使用可見光成像系統(tǒng)和X-射線成像系統(tǒng)構(gòu)成。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種盆栽水稻表型參數(shù)的全自動無損測量系統(tǒng)及其測量方法，該系統(tǒng)能夠自動測量盆栽水稻的表型參數(shù)，包括株高、分蘗和生物量。本發(fā)明提供的一種盆栽水稻表型參數(shù)的全自動無損測量系統(tǒng)，其特征在于，包括 X射線源、X射線探測器、頂視相機、側(cè)視相機、光源、輸入端接近開關(guān)、檢測區(qū)對射式光電開關(guān)、檢測區(qū)接近開關(guān)，旋轉(zhuǎn)臺、盆栽水稻小車、輸入端電動門、輸出端電動門、輸入端輸送線、檢測區(qū)輸送線、輸出端輸送線、鉛房、可編程控制器和工作站；所述X射線源與所述X射線探測器分別安裝于檢測區(qū)輸送線的兩側(cè)，所述頂視相機固定在所述鉛房頂部，所述測試相機固定安裝于檢測區(qū)輸送線一側(cè)，所述旋轉(zhuǎn)臺安裝在檢測區(qū)輸送線上，所述輸入端電動門和輸出端電動門安裝在鉛房兩側(cè)，所述工作站分別與 X射線探測器、頂視相機、側(cè)視相機和可編程控制器相連，所述可編程控制器分別與X射線源、光源、輸入端接近開關(guān)、檢測區(qū)對射式光電開關(guān)、檢測區(qū)接近開關(guān)、旋轉(zhuǎn)臺、輸入端電動門、輸出端電動門、輸入端輸送線、檢測區(qū)輸送線、和輸出端輸送線相連；所述盆栽水稻小車用于固定盆栽水稻使其在輸入端輸送線、檢測區(qū)輸送線、輸出端輸送線上運行平穩(wěn)，所述光源用于為成像提供充足的照明。所述檢測區(qū)輸送線上還安裝升降臺，所述旋轉(zhuǎn)臺安裝在升降臺上，所述升降臺用于將盆栽水稻和電動旋轉(zhuǎn)臺頂升至上位，便于所述X射線源、側(cè)視相機的掃描、拍攝，所述可編程控制器相連所述升降臺。所述盆栽水稻表型參數(shù)的全自動無損測量系統(tǒng)的測量方法，其特征在于，包括以下步驟步驟i、打開工作站和可編程控制器；步驟ii、所述輸入端輸送線輸送帶小車的盆栽水稻，所述輸入端接近開關(guān)檢測到小車，所述輸入端電動門打開；步驟iii、盆栽水稻通過所述輸入端電動門，經(jīng)檢測區(qū)輸送線輸送，所述檢測區(qū)對射式光電開關(guān)檢測到水稻花盆，檢測區(qū)接近開關(guān)感應(yīng)到小車，所述輸入端電動門關(guān)閉，所述輸入端輸送線停止，所述檢測區(qū)輸送線停止，所述小車落在所述旋轉(zhuǎn)臺上；步驟iv、所述旋轉(zhuǎn)臺帶動盆栽水稻旋轉(zhuǎn)，同時，頂視相機拍攝盆栽水稻的頂視圖片，側(cè)視相機每隔一定角度拍一張圖片，得到若干張側(cè)視圖像；X射線成像系統(tǒng)對水稻進行斷層掃描，每隔一定角度獲取該方向的投影值，共得到若干個方向的投影正弦圖；步驟V、拍攝完之后，所述旋轉(zhuǎn)臺停止旋轉(zhuǎn)，所述輸出端電動門打開，所述輸入端輸送線和所述檢測區(qū)輸送線啟動送走盆栽水稻并將下一盆水稻植株送到檢測區(qū)，延時一段時間后所述輸出端電動門關(guān)閉；步驟vi、所述工作站接收到數(shù)據(jù)，進行數(shù)字圖像處理和分析后，得到水稻的表型參數(shù)包括株高、分蘗和生物量。所述步驟iv中，在旋轉(zhuǎn)臺開始旋轉(zhuǎn)之前，由升降臺頂升盆栽水稻至上位；所述步驟iv中，所述旋轉(zhuǎn)臺停止旋轉(zhuǎn)后，所述升降臺下降。所述步驟iv的數(shù)字圖像處理和分析株高，包括以下步驟(5_a)中值濾波將植株圖像進行中值濾波去除噪聲；(5-b) 二值化將中值濾波后的圖像轉(zhuǎn)化為二值圖，這一步驟將綠色部分提取出來，判斷條件是RG兩色分量的相對大小，R偏大為黃色，G偏大為綠色；(5-c)去除小區(qū)域設(shè)定面積閾值，去掉連通區(qū)域面積在閾值以下的小區(qū)域；(5-d)搜索葉尖點對二值圖進行逐像素掃描，按一定的準(zhǔn)則搜索所有葉尖點；(5-e)提取輪廓為每一個葉尖點搜索輪廓，從其附近的背景點開始搜索輪廓，直到找不到下一個輪廓點為止； (5-f)計算葉尖點高度從葉尖點開始搜索葉片外圍輪廓，計算每個葉尖點高度，將所有葉尖點高度中的最大值作為該角度下的水稻株高值。(5-g)比較所有角度下得到的水稻株高值，取最大值作為當(dāng)前水稻的株高。
所述步驟iv的數(shù)字圖像處理和分析生物量，包括以下步驟(6_a)目標(biāo)物體分割； (5-b)面積統(tǒng)計對經(jīng)過上述處理后的圖像，進行面積統(tǒng)計，得到植株一個角度下的投影面積；(5-c)對所有頂視圖像和側(cè)視圖像進行分割后，采用側(cè)視平均綠葉像素面積和頂視綠
葉像素面積雙變量的二元回歸法計算生物量像素值，即評=」Aside m_2xAtop，In(Fff)=
aln(PV) +b, PV :植株體積，F(xiàn)ff :植株鮮重，即文中的生物量，實驗證明系統(tǒng)用此方法提取生物量參數(shù)較Lemnatec的方法具有更高的相關(guān)性。所述步驟iv的數(shù)字圖像處理和分析分蘗數(shù)，包括以下步驟(7_a)卷積濾波逆投影，將得到的各個方向的投影正弦圖，以投影正弦圖為起點，直接在空域中進行修正，即將投影正弦圖與一個事先設(shè)計好的卷積函數(shù)進行卷積運算，然后將卷積結(jié)果作反投影，得到分蘗斷層重建圖；(7-b)中值濾波對重建出的圖像進行中值濾波去除噪聲；(7-c)最大熵自動閾值二值化將中值濾波后的圖像轉(zhuǎn)化為二值圖；(7-d)腐蝕將粘連在一起的區(qū)域分開；(7-e)填充填充區(qū)域內(nèi)的小孔；(7-f)去除小區(qū)域設(shè)定面積閾值，去掉聯(lián)通區(qū)域面積在閾值以下的小區(qū)域；(7-g)區(qū)域計數(shù)對經(jīng)過上述處理后的圖像，進行連通區(qū)域的計數(shù)， 最終得到分蘗數(shù)。本發(fā)明由預(yù)設(shè)的可編程控制器和計算機程序控制，采用X射線成像系統(tǒng)拍攝水稻的斷層圖像，通過數(shù)字圖像處理和分析技術(shù)得到分蘗數(shù)；可見光成像系統(tǒng)拍攝可見光圖像， 通過數(shù)字圖像處理和分析技術(shù)得到株高及生物量。本發(fā)明在利用工業(yè)控制技術(shù)的基礎(chǔ)上整合三維可見光成像，X射線斷層掃描成像， 國際上首次實現(xiàn)基于X射線斷層掃描技術(shù)的分蘗數(shù)在體無損提取，且將提取各個參數(shù)集成到一套系統(tǒng)中，成功建立第一套全自動、高通量、多參數(shù)、無損和高精度的盆栽水稻表型參數(shù)自動提取系統(tǒng)。


下面結(jié)合附圖和具體實施方式
對本發(fā)明的技術(shù)方案作進一步具體說明。
圖I為本發(fā)明盆栽水稻表型參數(shù)自動測量系統(tǒng)的側(cè)視示意圖。
圖2為本發(fā)明盆栽水稻表型參數(shù)自動測量系統(tǒng)的頂視示意圖。
圖3為本發(fā)明盆栽水稻表型參數(shù)自動測量系統(tǒng)的工作流程圖。
圖4為目標(biāo)物體分割程序框圖。
圖5為株高測量的程序框圖。
圖6為生物量測量的示意圖。
圖7為分蘗測量的程序框圖。
圖8為株高系統(tǒng)測量值(X)與人工測量值(Y)散點圖。
圖9為生物量系統(tǒng)兩次重復(fù)測量結(jié)果散點圖。
圖10為分蘗數(shù)系統(tǒng)測量值(X)與人工測量值(Y)散點圖。
具體實施例方式本發(fā)明提供的盆栽水稻表型參數(shù)全自動高通量的測量系統(tǒng)，包括X射線源I、X射線源支架2、X射線探測器3、X射線探測器支架4、頂視相機5、側(cè)視相機6、側(cè)視相機支架7、光源8、輸入端接近開關(guān)9、檢測區(qū)對射式光電開關(guān)10、檢測區(qū)接近開關(guān)11，電動旋轉(zhuǎn)臺12、 電動升降臺13、盆栽水稻小車14、輸入端電動門15、輸出端電動門16、輸入端輸送線17、檢測區(qū)輸送線18、輸出端輸送線19、鉛房20、可編程控制器21和工作站22。X射線源I固定在X射線源支架2上，X射線探測器3固定在X射線探測器支架4上，頂視相機固定在鉛房 20頂部測試相機6固定在測試相機支架上7，電動旋轉(zhuǎn)臺12安裝在電動升降臺13上，輸入端電動門15和輸出端電動門16安裝在鉛房20兩側(cè)，電動門是盆栽水稻進出鉛房20的通道，鉛房20和電動門的主要作用是防止輻射，形成暗室，排除環(huán)境光的干擾，形成一個穩(wěn)定的光照環(huán)境，工作站22分別與X射線探測器3、頂視相機5、側(cè)視相機6、和控制器21相連， 控制器21分別與X射線源I、光源8、輸入端接近開關(guān)9、檢測區(qū)對射式光電開關(guān)10、檢測區(qū)接近開關(guān)11電動旋轉(zhuǎn)臺12、電動升降臺14、輸入端電動門15、輸出端電動門16、輸入端輸送線17、檢測區(qū)輸送線18、和輸出端輸送線19相連。小車14用于固定盆栽水稻使其在輸送線上運行平穩(wěn)，電動升降臺13用于將盆栽水稻和電動旋轉(zhuǎn)臺12頂升置上位，電動旋轉(zhuǎn)臺 12用來帶動盆栽水稻旋轉(zhuǎn)，盆栽水稻由輸入端輸送線17通過檢測區(qū)輸送線18送至檢測區(qū)域(電動旋轉(zhuǎn)臺所在位置)，檢測完之后再由檢測區(qū)輸送線18送至輸出端輸送線19，頂視相機5置于檢測區(qū)域正上方，側(cè)視相機6和X射線源I置于檢測區(qū)域一側(cè)的不同高度，X射線探測器2置于檢測區(qū)域稻另一側(cè)，光源8置于檢測區(qū)域兩側(cè)，以便為成像提供充足的照明。檢測模塊包括兩套成像系統(tǒng)可見光成像系統(tǒng)及X射線成像系統(tǒng)。其中，可見光成像系統(tǒng)主要包括頂視相機5、側(cè)視相機6、光源8，用于測量株高及生物量；X射線成像系統(tǒng)主要包括X射線源I及X射線探測器3，用于測量分蘗。其中，包括輸入端輸送線17、檢測區(qū)輸送線18、輸出端輸送線19、電動旋轉(zhuǎn)臺12和電動升降臺13構(gòu)成輸送線運輸系統(tǒng)，為定做的，輸送線采用不銹鋼，防腐蝕且耐用。輸入端電動門15、輸出端電動門16和鉛房20構(gòu)成一個暗室,該暗室提供了一個安全而穩(wěn)定的成像環(huán)境。X射線源I和X射線探測器3構(gòu)成X射線成像系統(tǒng)，該成像系統(tǒng)采用扇束X射線源， 發(fā)出扇形X射線束，與之相對應(yīng)的X射線探測器也是采用線陣列，X射線成像系統(tǒng)采用線掃描的方式成像。頂視相機5、側(cè)視相機6、光源8構(gòu)成可見光成像系統(tǒng)。此外本發(fā)明中小車14用來固定盆栽水稻讓其在輸送線上平穩(wěn)運行，也為訂做。通過接近開關(guān)來判斷小車的位置從而確定盆栽水稻的位置，可以避免水稻葉片的干擾，同時檢測區(qū)對射式光電開關(guān)10可以用于判斷操作人員是否將盆栽水稻放入了小車中，若沒有放入則不進行檢測，保證了系統(tǒng)高效穩(wěn)定的運行。水稻表型參數(shù)全自動無損高通量測量系統(tǒng)的測量方法，按以下步驟進行(I)打開工作站和控制器；(2)輸入端輸送線輸送帶小車的盆栽水稻，輸入端接近開關(guān)檢測到小車，輸入端電動門打開。(3)盆栽水稻通過輸入端電動門，經(jīng)檢測區(qū)輸送線輸送，檢測區(qū)對射式光電開關(guān)檢測到水稻花盆，檢測區(qū)接近開關(guān)感應(yīng)到小車，輸入端電動門關(guān)閉，輸入端輸送線停止，檢測區(qū)輸送線停止。(4)電動升降臺上升達到上位后，電動旋轉(zhuǎn)臺開始旋轉(zhuǎn)，總共轉(zhuǎn)360°，此間，頂視相機拍攝一張頂視圖片，側(cè)視相機每隔12°拍一張圖片，共30張側(cè)視圖像，同時，X射線成像系統(tǒng)對水稻進行斷層掃描，每隔O. 84°獲取該方向的投影值，總共取282.24°，共得到336個方向的投影正弦圖。(5)拍攝完之后，電動升降臺下降，輸出端電動門打開，輸入端輸送線和檢測區(qū)輸送線啟動送走盆栽水稻并將下一盆水稻植株送到檢測區(qū)，延時一段時間后輸出端電動門關(guān)閉；(3)工作站接收到數(shù)據(jù)，進行數(shù)字圖像處理和分析后，得到水稻的表型參數(shù)包括株高、分蘗和生物量。數(shù)字圖像處理和分析包括以下幾個方面(I)株高測量。株高通過分析30張不同角度下拍攝的側(cè)視圖像得到。對于每一張側(cè)視圖，圖像處理算法主要包括目標(biāo)物體分割和輪廓跟蹤兩部分。目標(biāo)物體分割程序框圖如圖4所示，具體步驟如下(a)中值濾波將植株圖像進行中值濾波去除噪聲；(b) 二值化將中值濾波后的圖像轉(zhuǎn)化為二值圖，這一步驟將綠色部分提取出來，判斷條件是RG兩色分量的相對大小，R偏大為黃色，G偏大為綠色；(c) 去除小區(qū)域設(shè)定面積閾值，去掉連通區(qū)域面積在閾值以下的小區(qū)域。輪廓跟蹤程序框圖如圖4所示，具體步驟如下(a)搜索葉尖點對二值圖進行逐像素掃描，按一定的準(zhǔn)則搜索所有葉尖點；(b)提取輪廓為每一個葉尖點搜索輪廓，從其附近的背景點開始搜索輪廓，直到找不到下一個輪廓點為止；(c)計算葉尖點高度從葉尖點開始搜索葉片外圍輪廓，計算每個葉尖點高度，將所有葉尖點高度中的最大值作為該角度下的水稻株高值。最后，比較30 個角度下得到的水稻株高值，取最大值作為當(dāng)前水稻的株高。(2)生物量測量。測量算法分為圖像處理和建模兩部分，圖像處理按照以下步驟進行；(a)目標(biāo)物體分割；(b)面積統(tǒng)計對經(jīng)過上述處理后的圖像，進行面積統(tǒng)計，得到植株一個角度下的投影面積。計算部分對I張頂視圖像和30張側(cè)視圖像進行分割后， 采用側(cè)視平均綠葉像素面積和頂視綠葉像素面積雙變量的二元回歸法計算生物量像素值
(PV = ^Aside_mean2 XAtop，In (Fff) = aln (PV) +b，PV :植株體積，F(xiàn)ff :植株鮮重，即文中的生物
量)，實驗證明系統(tǒng)用此方法提取生物量參數(shù)較Lemnatec的方法具有更高的相關(guān)性，計算示意如圖5所示。(3)分蘗數(shù)測量，程序框圖見圖7，具體提取步驟如下(a)卷積濾波逆投影將得到的336個方向的投影正弦圖，以投影正弦圖為起點，直接在空域中進行修正，即將投影正弦圖與一個事先設(shè)計好的卷積函數(shù)進行卷積運算，然后將卷積結(jié)果作反投影，得到分蘗斷層重建圖；(b)中值濾波對重建出的圖像進行中值濾波去除噪聲；(c)最大熵自動閾值二值化將中值濾波后的圖像轉(zhuǎn)化為二值圖；(d)腐蝕將粘連在一起的區(qū)域分開；(e)填充 填充區(qū)域內(nèi)的小孔；(f)去除小區(qū)域設(shè)定面積閾值，去掉聯(lián)通區(qū)域面積在閾值以下的小區(qū)域；(g)區(qū)域計數(shù)對經(jīng)過上述處理后的圖像，進行連通區(qū)域的計數(shù)，最終得到分蘗數(shù)。整個過程中，輸送線運輸系統(tǒng)、X射線成像系統(tǒng)和可見光成像系統(tǒng)都是連續(xù)工作。實例I、實驗標(biāo)準(zhǔn)材料處于灌漿時期的盆栽水稻，樣品總數(shù)2830份人工方法測量方法人工測量株高的方法是手工收攏葉片、拉直測高，分蘗數(shù)的測量方法是分開稻株、逐一計數(shù)，十人配合測量，每天工作8小時，一天可以測量280盆左右。 結(jié)果見圖8、圖9和圖10。將盆栽水稻放在輸入端輸送線的小車上，沿圖2中大箭頭方向運行，按上述方法進行操作。最后得到總的運行時間16小時(每天工作8小時，耗時兩天)，平均20s/株，人工和系統(tǒng)測量株高的平均絕對誤差為19mm，相對誤差為2. 4%，人工測量值與系統(tǒng)測量值的相關(guān)系數(shù)O. 99 ;生物量兩次重復(fù)測量的相關(guān)系數(shù)O. 98 ;分蘗數(shù)的絕對誤差±1.3蘗，分蘗數(shù)人工測量結(jié)果及系統(tǒng)測量結(jié)果的相關(guān)系數(shù)為O. 99。
2、實驗標(biāo)準(zhǔn)材料199份處于分蘗時期和198份處于抽穗時期的盆栽水稻。人工測量生物量方法在盆沿處剪下水稻，放在電子天平上稱重。將盆栽水稻放在輸入端輸送線的小車上，沿圖2中大箭頭方向運行，按上述方法進行操作。最后得到生物量的平均絕對誤差分別為8. 39g和8. 62g，相對誤差為13. 21%和
8.25%，相關(guān)系數(shù)分別為O. 94和O. 98。最后所應(yīng)說明的是，以上具體實施方式
僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案而非限制， 盡管參照較佳實施例對本發(fā)明進行了詳細說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，可以對本發(fā)明的技術(shù)方案進行修改或者等同替換，而不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的精神和范圍，其均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的權(quán)利要求范圍當(dāng)中。
權(quán)利要求
1.一種盆栽水稻表型參數(shù)的全自動無損測量系統(tǒng)，其特征在于，包括X射線源、X射線探測器、頂視相機、側(cè)視相機、光源、輸入端接近開關(guān)、檢測區(qū)對射式光電開關(guān)、檢測區(qū)接近開關(guān)，旋轉(zhuǎn)臺、盆栽水稻小車、輸入端電動門、輸出端電動門、輸入端輸送線、檢測區(qū)輸送線、 輸出端輸送線、鉛房、可編程控制器和工作站；所述X射線源與所述X射線探測器分別安裝于檢測區(qū)輸送線的兩側(cè)，所述頂視相機固定在所述鉛房頂部，所述測試相機固定安裝于檢測區(qū)輸送線一側(cè)，所述旋轉(zhuǎn)臺安裝在檢測區(qū)輸送線上，所述輸入端電動門和輸出端電動門安裝在鉛房兩側(cè)，所述工作站分別與X射線探測器、頂視相機、側(cè)視相機和可編程控制器相連，所述可編程控制器分別與X射線源、 光源、輸入端接近開關(guān)、檢測區(qū)對射式光電開關(guān)、檢測區(qū)接近開關(guān)、旋轉(zhuǎn)臺、輸入端電動門、 輸出端電動門、輸入端輸送線、檢測區(qū)輸送線、和輸出端輸送線相連；所述盆栽水稻小車用于固定盆栽水稻使其在輸入端輸送線、檢測區(qū)輸送線、輸出端輸送線上運行平穩(wěn)，所述光源用于為成像提供充足的照明。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的盆栽水稻表型參數(shù)的全自動無損測量系統(tǒng)，其特征在于，所述檢測區(qū)輸送線上還安裝升降臺，所述旋轉(zhuǎn)臺安裝在升降臺上，所述升降臺用于將盆栽水稻和電動旋轉(zhuǎn)臺頂升至上位，便于所述X射線源、側(cè)視相機的掃描、拍攝，所述可編程控制器相連所述升降臺。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述盆栽水稻表型參數(shù)的全自動無損測量系統(tǒng)的測量方法，其特征在于，包括以下步驟步驟i、打開工作站和可編程控制器；步驟ii、所述輸入端輸送線輸送帶小車的盆栽水稻，所述輸入端接近開關(guān)檢測到小車， 所述輸入端電動門打開；步驟i i i、盆栽水稻通過所述輸入端電動門，經(jīng)檢測區(qū)輸送線輸送，所述檢測區(qū)對射式光電開關(guān)檢測到水稻花盆，檢測區(qū)接近開關(guān)感應(yīng)到小車，所述輸入端電動門關(guān)閉，所述輸入端輸送線停止，所述檢測區(qū)輸送線停止，所述小車落在所述旋轉(zhuǎn)臺上；步驟iv、所述旋轉(zhuǎn)臺帶動盆栽水稻旋轉(zhuǎn)，同時，頂視相機拍攝盆栽水稻的頂視圖片，側(cè)視相機每隔一定角度拍一張圖片，得到若干張側(cè)視圖像；X射線成像系統(tǒng)對水稻進行斷層掃描，每隔一定角度獲取該方向的投影值，共得到若干個方向的投影正弦圖；步驟V、拍攝完之后，所述旋轉(zhuǎn)臺停止旋轉(zhuǎn)，所述輸出端電動門打開，所述輸入端輸送線和所述檢測區(qū)輸送線啟動送走盆栽水稻并將下一盆水稻植株送到檢測區(qū)，延時一段時間后所述輸出端電動門關(guān)閉；步驟Vi、所述工作站接收到數(shù)據(jù)，進行數(shù)字圖像處理和分析后，得到水稻的表型參數(shù)包括株聞、分蘗和生物量。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述盆栽水稻表型參數(shù)的全自動無損測量系統(tǒng)的測量方法，其特征在于，所述步驟iv中，在旋轉(zhuǎn)臺開始旋轉(zhuǎn)之前，由升降臺頂升盆栽水稻至上位；所述步驟iv 中，所述旋轉(zhuǎn)臺停止旋轉(zhuǎn)后，所述升降臺下降。
5.根據(jù)權(quán)利要求3或4所述盆栽水稻表型參數(shù)的全自動無損測量系統(tǒng)的測量方法， 其特征在于，所述步驟iv的數(shù)字圖像處理和分析株高，包括以下步驟(5-a)中值濾波將植株圖像進行中值濾波去除噪聲；(5_b) 二值化將中值濾波后的圖像轉(zhuǎn)化為二值圖，這一步驟將綠色部分提取出來，判斷條件是RG兩色分量的相對大小，R偏大為黃色，G偏大為綠色；(5-c)去除小區(qū)域設(shè)定面積閾值，去掉連通區(qū)域面積在閾值以下的小區(qū)域；(5-d)搜索葉尖點對二值圖進行逐像素掃描，按一定的準(zhǔn)則搜索所有葉尖點；(5_e)提取輪廓 為每一個葉尖點搜索輪廓，從其附近的背景點開始搜索輪廓，直到找不到下一個輪廓點為止; (5_f)計算葉尖點高度從葉尖點開始搜索葉片外圍輪廓，計算每個葉尖點高度，將所有葉尖點高度中的最大值作為該角度下的水稻株高值。(5-g)比較所有角度下得到的水稻株高值，取最大值作為當(dāng)前水稻的株高。
6.根據(jù)權(quán)利要求3或4所述盆栽水稻表型參數(shù)的全自動無損測量系統(tǒng)的測量方法，其特征在于，所述步驟iv的數(shù)字圖像處理和分析生物量，包括以下步驟(6_a)目標(biāo)物體分割；(5_b)面積統(tǒng)計對經(jīng)過上述處理后的圖像，進行面積統(tǒng)計，得到植株一個角度下的投影面積；(5-c)對所有頂視圖像和側(cè)視圖像進行分割后，采用側(cè)視平均綠葉像素面積和頂視綠葉像素面積雙變量的二元回歸法計算生物量像素值，即評=」A.-—m_2xAtop，In(Fff)=aln(PV) +b, PV :植株體積，F(xiàn)ff :植株鮮重，即文中的生物量。
7.根據(jù)權(quán)利要求3或4所述盆栽水稻表型參數(shù)的全自動無損測量系統(tǒng)的測量方法，其特征在于，所述步驟iv的數(shù)字圖像處理和分析分蘗數(shù)，包括以下步驟(7-a)卷積濾波逆投影，將得到的各個方向的投影正弦圖，以投影正弦圖為起點，直接在空域中進行修正，即將投影正弦圖與一個事先設(shè)計好的卷積函數(shù)進行卷積運算，然后將卷積結(jié)果作反投影，得到分蘗斷層重建圖；(7_b)中值濾波對重建出的圖像進行中值濾波去除噪聲；(7-c)最大熵自動閾值二值化將中值濾波后的圖像轉(zhuǎn)化為二值圖；(7-d)腐蝕將粘連在一起的區(qū)域分開；(7-e)填充填充區(qū)域內(nèi)的小孔；(7-f)去除小區(qū)域設(shè)定面積閾值，去掉聯(lián)通區(qū)域面積在閾值以下的小區(qū)域；(7-g)區(qū)域計數(shù)對經(jīng)過上述處理后的圖像，進行連通區(qū)域的計數(shù)， 最終得到分蘗數(shù)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種盆栽水稻表型參數(shù)全自動無損高通量的測量系統(tǒng)及測量方法，本發(fā)明由可編程控制器控制，輸送線輸送盆栽水稻，采用X射線成像系統(tǒng)拍攝水稻斷層圖像，三維可見光成像系統(tǒng)拍攝可見光圖像，由工作站對所得圖像進行處理，得到水稻各項參數(shù)。本發(fā)明首次提出并實現(xiàn)X射線斷層掃描成像測定水稻分蘗數(shù)的新方法，將提取各個參數(shù)集成到一套系統(tǒng)中，成功建立第一套全自動、高通量、多參數(shù)和高精度的盆栽水稻表型參數(shù)自動提取系統(tǒng)。
文檔編號G01N21/84GK102589441SQ20121000692
公開日2012年7月18日 申請日期2012年1月11日 優(yōu)先權(quán)日2012年1月11日
發(fā)明者馮慧, 劉謙, 方偉, 楊萬能, 段凌鳳, 蔣霓, 駱清銘, 黃成龍 申請人:華中科技大學(xué)