无损观测植物根系微细结构的装置及方法
无损观测植物根系微细结构的装置及方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及无损观测植物根系微细结构的装置，及其在根系的细微结构如根毛、菌根的无损观测方法，属于植物根系无损观测技术领域。
【背景技术】
[0002]目前，根系观测的主要方法为完全剖挖法，即挖取出根系，并利用相关设备对根系进行观测，这种完全剖挖的方法对根系的破坏性较大，且很难实现根系生命周期的连续观测。根系的原位无损观测方法主要有微根管法，探地雷达无损探测法、X射线扫描法，但该类方法的成像分辨率较差(厘米或毫米级)，只能观测到细根层次，而无法观测到亚毫米级别的根毛，菌根等。由于根毛、菌根对于植物的水分与营养物质的吸收，植物的生长发育等方面都有重要影响，因此无损观测植物根系的微观结构是十分必要的。而目前，并未有可实现原位、无损、方便快捷的观测菌根、根毛的方法。
【发明内容】
[0003]本发明的目的是针对现有观测技术和观测手段存在的问题，提供一种可以实现对根系的微细结构如菌根、根毛进行原位无损观测的装置与方法。本装置可以实现对植物根系的微细结构进行观测，并可以记录根系中的根毛、菌根等信息。
[0004]本发明所述的无损观测植物根系微细结构的装置，主要包括:系统控制与数据处理器1、图像采集系统2、高精度垂直电控升降台3、高精度电控旋转台4和植物生长装置5 ;所述图像采集系统包括支架21、滑动装置22、光路放大系统23和图像采集器A 24，其中光路放大系统23通过滑动装置22与支架21相连接，可发生相对移动，图像采集器A 24与光路放大系统23通过通用接口连接，放置于其后端；所述系统控制与数据处理器I分别图像采集器A、高精度垂直电控升降台、高精度电控旋转台通过线路连接；高精度电控旋转台4放置于高精度垂直电控升降台3上，并用紧固件将两者接触面紧固，防止高精度电控旋转台4和高精度垂直电控升降台3发生相对运动；植物生长装置5放于高精度电控旋转台4上，所述植物生长装置5包括无顶无底的透明圆柱体容器、底端器皿52和两个有缺口的金属圈54，所述透明圆柱体容器由2个或2个以上组件51构成，每个组件包括一个弧形挡壁511和两个挡板512，两个有缺口的金属圈上下交错放置于圆柱体容器外壁，紧固整个圆柱体容器，所述有缺口的金属圈缺口弧形长度大于等于一个组件弧形挡壁的弧形长度，透明圆柱体容器放置于底端器皿52中，所述透明圆柱体容器外壁与底端器皿内壁无缝重合，所述底端器皿中心处有一个凹点53，高精度电控旋转台4中心有一个凸起，与所述凹点53相配合，以使得植物生长装置5轴心与高精度电控旋转台的轴心重合，防止植物生长装置5在旋转过程中，因离心力而发生位置偏移。
[0005]进一步地，所述无损观测植物根系微细结构的装置还包括图像采集器B 25，图像采集器B 25与光路放大系统通过通用接口固定连接，放置于光路放大系统前端，图像采集器B 25还与系统控制与数据处理器I通过线路连接。
[0006]进一步地，所述无损观测植物根系微细结构的装置还包括控制光源26和光纤传光束27，系统控制与数据处理器I还与控制光源26通过线路连接，光纤传光束连接在控制光源上。当根系成像光条件不足时，可开启控制光源26，确保图像采集亮度和清晰度。
[0007]植物生长装置由透明材料制成，可以为玻璃、塑料等透明材料制成的装置，所述植物生长装置底端可套防水袋，防止水分流失。
[0008]所述透明圆柱体容器的每个组件中可放置相同性质的土壤或分别放置不同性质的土壤，如肥沃土壤、贫瘠的土壤等，放置不同性质土壤的，可用来观察同一棵植物在含有不同性质土壤的组件中的根系生长情况。
[0009]一种采用上述无损观测植物根系微细结构的装置进行植物根系无损观测的方法，将高精度电控旋转台4放置于高精度垂直电控升降台3上，并用紧固件将两者接触面紧固，植物生长装置5放于高精度电控旋转台4上，植物生长装置的圆心处凹点与高精度电控旋转台旋转中心凸起的点重合，进行全局扫描，步骤如下:系统控制与数据处理器I控制高精度垂直电控升降台3，将植物生长装置5底部的根系升降至图像采集器A24可采集到的位置，在高精度垂直电控升降台3进行下一次下降时，高精度电控旋转台4将旋转一周，其旋转速度要慢于图像采集器A 24的采集频率，且高精度电控旋转台每次旋转角度的弧度长度小于图像采集器A 24可以采集的图像宽度，当采集完成一周后，再控制高精度垂直电控升降台3进行下降，下降高度小于图像采集器A 24可采集到的实际高度，再控制图像采集器A 24采集一周，直至完成根系全局扫描。这样以免在根系图像采集过程中出现某些区域未采集到图像的情况。对植物根系微细结构进行全局扫描时，既可以按上述方法从下到上扫描，也可以从上到下进行扫描。
[0010]一种采用无损观测植物根系微细结构的装置进行植物根系无损观测的方法，将高精度电控旋转台4放置于高精度垂直电控升降台3上，并用紧固件将两者接触面紧固，植物生长装置5放于高精度电控旋转台4上，植物生长装置的圆心处凹点与高精度电控旋转台旋转中心凸起的点重合，进行根系区域精确扫描，步骤如下:首先通过图像采集器B 25获取待扫描根系的图像，采集到的待扫描根系图像位于图像采集器B 25拍摄图像的中心位置；系统控制与数据处理器I控制高精度电控旋转台4与高精度垂直电控升降台3协同运动，使待扫描根系进入图像采集器A24的采集范围内；调整光路放大系统与观测根系的距离，使得装置能够获取清晰的微观根系图像，图像采集器A 24采集到经过光路放大系统23放大之后的菌根与根毛等显微结构的清晰图像，其采集频率高于协同运动的运动频率，这样使得观测区域不发生图像漏采区域现象，图像采集器A 24按照根系的位置与走向采集待扫描根系微细结构图像。该种方式是按照根系的位置与走向来精确的自动调节旋转台与升降台的运动。
[0011]图像采集器A通过光路放大系统获得的图像最为清晰。光路放大系统可以通过调节不同的物镜与目镜实现不同的放大倍数。
[0012]当需提高显微图像采集清晰度时，可将植物生长装置的弧形挡壁卸下，具体方法如下:
[0013]旋转植物生长装置上的两个金属圈至缺口的位置在垂直方向重合，同时使得需观察部位的挡壁落入金属圈缺口范围内，取下弧形挡壁；调整光路放大系统和观测区域的位置进行全局扫描或根系区域精确扫描。
[0014]相对于现有技术，本发明提供了一种植物生长装置，实现了无损观测根系的相关信息。该装置对同一植物的根系在不同养分水分条件下的根系生长发育的无损观测提供了新方法。同时本装置利用系统控制与数据处理器I可以实现根系图像数据的自动化的记录。本装置利用控制光源和光路放大系统，可以实现根系微观尺度信息的获取，如根系菌根、根毛的无损观测。本发明将对根系的原位无损观测推广到微观尺度，这对于植物根系的生长发育、菌根与根毛在植物生长发育中的作用、植物根系构型、根系与土壤关系等方面都具有较好的使用价值。
【附图说明】
[0015]图1是本发明的装置示意图；
[0016]图2是植物生长装置示意图；
[0017]图3是根系区域精确扫描控制流程图。
[0018]其中的附图标识为:
[0019]1、系统控制与数据处理器；2、图像采集系统；3、高精度垂直电控升降台；4、高精度电控旋转台；5、植物生长装置；6、待测植物；21、支架；22、滑动装置；23、光路放大系统；24、图像采集器A ;25、图像采集器B ;26、控制光源；27、光纤传光束；51、组件；52、底端器皿；53、凹点；54、有缺口的金属圈；511、弧形挡壁；512、挡板。
【具体实施方式】
[0020]下面结合附图，对本发明的【具体实施方式】进行详细说明。
[0021]实施例1
[0022]图1是本发明装置的示意图。本发明装置主要包括系统控制与数据处理器1、图像采集系统2、高精度垂直电控升降台3、高精度电控旋转台4和植物生长装置5 ;所述图像采集系统2包括支架21、滑动装置22、光路放大系统23、图像采集器A 24、图像采集器B 25、控制光源26和光纤传光束27，其中光路放大系统23通过滑动装置22与支架21相连接，可发生相对移动，图像采集器B 25与光路放大系统通过通用接口固定连接，放置于光路放大系统前端，图像采集器A24与光路放大系统通过通用接口连接，放置于其后端；所述系统控制与数据处理器分别与图像采集器A、图像采集器B、控制光源、高精度垂直电控升降台、高精度电控旋转台通过线路连接；
[0023]如图2所示，植物生长装置5包括无顶无底的透明圆柱体容器、底端器皿52和两个有缺口的金属圈54，透明圆柱体容器由6个相同组件51组成，每个组件包括一个弧形挡壁511和两个挡板512;将组件组合形成无顶无底的透明圆柱体容器，两个有缺口的金属圈54上下交错放置于圆柱体容器外壁，实现组件的紧固，金属圈缺口弧形长度均大于等于一个组件弧形挡壁的弧形长度，将透明圆柱体容器放置在一个浅口的底端器皿52中，透明圆柱体容器外壁与底端器皿的内壁可以实现无缝重合，从而防止土壤从组件的下端流失，底端器皿中心处有一个凹点53，高精度电控旋转台4中心有一个凸起，与所述凹点53相配合；
[0024]高精度电控旋转台4放置于高精度垂直电控升降台3上，两者接触面通过螺丝紧固，植物生长装置5放于高精度电控旋转台4上，植物生长装置的圆心处凹点与高精度电控旋转台旋转中心凸起的点重合。
[0025]还可以从底端器皿下方向上套一个可伸缩的袋子，进一步防止水分流失。
[0026]每个组件中放置土壤，以供植物生长。可以选择在每个组件中放置相同土壤，用来观察同一棵植物在土壤中的根系生长情况；也可以选择在各个组件中放置不同的土壤，用来观察同一棵植物在不同的土壤下的根系生长情况。[0027]实施例2
[0028]本实施例为全局采集法，且为从上到下扫描。实施例中图像采集器皆为CCD图像采集器，像素分辨率为:1024 X 768。
[0029]I)将高精度电控旋转台4放置于高精度垂直电控升降台3上，并用螺丝将两者接触面紧固，植物生长装置5放于高精度电控旋转台4上，植物生长装置的圆心处凹点与高精度电控旋转台旋转中心凸起的点重合；
[0030]2)系统控制与数据处理器I控制高精度垂直电控升降台3将植物生长装置5顶部有根系的位置移动至可被图像采集器A 24采集到的位置，将整个采集过程中的图像采集频率设置为每分钟10帧，然后，控制高精度电控旋转台4旋转，高精度电控旋转台4每分钟接收10个脉冲，每次旋转角度为0.00125°，该旋转角度的弧度长度小于图像采集器A 24可以采集的图像宽度，高精度电控旋转台每次旋转所需时间为2.5秒。高精度电控旋转台完成旋转，并已静止时，图像采集器开始采集图像。高精度电控旋转台4旋转一周，图像采集器A 24采集一周；
[0031]3)控制高精度垂直电控升降台3抬升，抬升高度小于图像采集器A24可采集图像的实际高度，然后，控制高精度电控旋转台4旋转，之后与步骤2)后面步骤相同；
[0032]4)重复进行步骤3)直至完成全局扫描。
[0033]实施例3
[0034]与实施例2相同之处不再赘述，不同之处在于采用从下到上扫描，其他步骤相同，步骤2)中系统控制与数据处理器I控制高精度垂直电控升降台3将植物生长装置5底部有根系的位置移动至可被图像采集器A 24采集到的位置，步骤3)中控制高精度垂直电控升降台3下降。
[0035]实施例4
[0036]与实施例2相同之处不再赘述，不同之处在于本例中成像光条件不足，开启控制光源26，确保图像采集器A 24所采集根系图像的亮度和清晰度，然后按照实施例2的步骤I)-4)操作完成全局扫描。
[0037]实施例5
[0038]本实施例为根系区域精确扫描法，其扫描控制流程如图3所示。实施例中图像采集器皆为CXD图像采集器，像素分辨率为:1024X768。
[0039]I)将高精度电控旋转台4放置于高精度垂直电控升降台3上，并用螺丝将两者接触面紧固，植物生长装置5放于高精度电控旋转台4上，植物生长装置的圆心处凹点与高精度电控旋转台旋转中心凸起的点重合；
[0040]2)CCD图像采集器B 25采集待扫描区域根系的图像:观测待扫描根系图像是否在图像采集器B 25拍摄图像的中心位置，如果不在中心位置，则需要通过系统控制与数据处理器I调节高精度电控旋转台4和高精度垂直电控升降台3协同运动，直到采集到的待扫描根系图像位于图像采集器B 25拍摄图像的中心位置；
[0041]3)系统控制与数据处理器I再控制高精度电控旋转台4与高精度垂直电控升降台3协同运动，使待扫描根系进入图像采集器A24的采集范围内:若根系在CCD图像采集器A24所采集图像区域的左上侧，则控制高精度电控旋转台4逆时针运动，然后控制高精度垂直电控升降台3下降，调整至待观测根系的起始位置处于光路放大系统光路23的中心；
[0042]4)再调整光路放大系统23与观测根系的距离，使得装置能够获取清晰的微观根系图像，然后通过图像采集器A24进行扫描，图像采集器A 24按照根系的位置与走向采集经过光路放大系统23放大之后的待扫描根系的菌根与根毛等显微结构的清晰图像，图像采集器A的采集频率和高精度电控旋转台的运动频率同实施例2。
[0043]实施例6
[0044]本实施例为取下植物生长装置中组件的弧形挡壁后，进行根系全局扫描的过程。
[0045]I)将高精度电控旋转台4放置于高精度垂直电控升降台3上，并用螺丝将两者接触面紧固，植物生长装置5放于高精度电控旋转台4上，植物生长装置的圆心处凹点与高精度电控旋转台旋转中心凸起的点重合；旋转有缺口的金属圈，使得两个缺口在垂直方向处重合且处于需要取出的弧形挡壁处，取出相应弧形挡壁；
[0046]步骤2) -4)与实施例2相同。
[0047]5)根系观测结束后，将取出的装置组件按照最初的位置，重新装配，让植物可以继续生长。尽可能的减少对植物生长的影响。
【主权项】
1.无损观测植物根系微细结构的装置，其特征在于，主要包括:系统控制与数据处理器(I)、图像采集系统(2)、高精度垂直电控升降台(3)、高精度电控旋转台(4)和植物生长装置(5);所述图像采集系统包括支架(21)、滑动装置(22)、光路放大系统(23)和图像采集器A(24)，其中光路放大系统通过滑动装置与支架连接，图像采集器A(24)与光路放大系统(23)通过通用接口连接，放置于其后端；所述系统控制与数据处理器(I)分别与图像采集器A、高精度垂直电控升降台、高精度电控旋转台通过线路连接；高精度电控旋转台(4)放置于高精度垂直电控升降台(3)上，并用紧固件将两者接触面紧固，植物生长装置(5)放于高精度电控旋转台(4)上；所述植物生长装置(5)包括无顶无底的透明圆柱体容器、底端器皿(52)和两个有缺口的金属圈(54)，所述透明圆柱体容器由2个或2个以上组件(51)构成，每个组件包括一个弧形挡壁(511)和两个挡板(512)，两个有缺口的金属圈上下交错放置于圆柱体容器外壁，紧固整个圆柱体容器，所述有缺口的金属圈缺口弧形长度大于等于一个组件弧形挡壁的弧形长度，透明圆柱体容器放置于底端器皿(52)中，所述透明圆柱体容器外壁与底端器皿内壁无缝重合，所述底端器皿中心处有一个凹点(53)，高精度电控旋转台(4)中心有一个凸起，与所述凹点(53)相配合。2.如权利要求1所述的无损观测植物根系微观结构的装置，其特征在于，还包括图像采集器B (25)，图像采集器B (25)与光路放大系统(23)通过通用接口固定连接，放置于光路放大系统前端，图像采集器B (25)还与系统控制与数据处理器(I)通过线路连接。3.如权利要求1所述的无损观测植物根系微观结构的装置，其特征在于，还包括控制光源(26)和光纤传光束(27)，系统控制与数据处理器(I)还与控制光源通过线路连接，光纤传光束直接连接在控制光源上。4.如权利要求1所述的无损观测植物根系微观结构的装置，其特征在于，所述植物生长装置(5)底端有防水袋。5.一种采用如权利要求1所述的无损观测植物根系微观结构的装置进行图像采集的方法，该采集方法为全局扫描法，其特征在于，包括以下步骤: 1)将高精度电控旋转台(4)放置于高精度垂直电控升降台(3)上，并用紧固件将两者接触面紧固，植物生长装置(5)放于高精度电控旋转台(4)上，植物生长装置的圆心处凹点与高精度电控旋转台旋转中心凸起的点重合； 2)系统控制与数据处理器(I)控制高精度垂直电控升降台(3)将植物生长装置(5)顶部或底部根系移动至图像采集器A(24)可采集到的位置，在高精度垂直电控升降台(3)进行下一次升降时，高精度电控旋转台(4)将旋转一周，其旋转速度要慢于图像采集器A (24)的采集频率，且高精度电控旋转台每次旋转角度的弧度长度小于图像采集器A(24)可以采集的图像宽度； 3)控制高精度垂直电控升降台(3)进行下一次上升/下降，移动距离小于图像采集器A(24)可采集到的实际高度，再控制图像采集器A(24)采集一周； 4)重复进行步骤3)直至完成全区域扫描。6.一种采用如权利要求1所述的无损观测植物根系微观结构的装置进行图像采集的方法，该采集方法为根系区域精确扫描法，其特征在于，包括以下步骤: I)将高精度电控旋转台(4)放置于高精度垂直电控升降台(3)上，并用紧固件将两者接触面紧固，植物生长装置(5)放于高精度电控旋转台(4)上，植物生长装置的圆心处凹点与高精度电控旋转台旋转中心凸起的点重合； 2)首先通过图像采集器B(25)获取待扫描根系的图像，采集到的待扫描根系图像位于图像采集器B(25)拍摄图像的中心位置； 3)系统控制与数据处理器(I)控制高精度电控旋转台(4)与高精度垂直电控升降台(3)协同运动，使待扫描根系进入图像采集器A(24)的采集范围内； 4)图像采集器A(24)采集到经过光路放大系统(23)放大之后的菌根与根毛等显微结构的清晰图像，其采集频率高于协同运动的运动频率，图像采集器A(24)按照根系的位置与走向采集待扫描根系微细结构图像。7.如权利要求5所述的一种采用无损观测植物根系微观结构的装置进行图像采集的方法，其特征在于，步骤I)中所述植物生长装置(5)中一个或多个组件(51)的弧形挡壁(511)被取出。8.如权利要求6所述的一种采用无损观测植物根系微观结构的装置进行图像采集的方法，其特征在于，步骤I)中所述植物生长装置(5)中一个或多个组件(51)的弧形挡壁(511)被取出。
【专利摘要】本发明涉及无损观测植物根系微细结构的装置，主要包括：系统控制与数据处理器、图像采集系统、高精度垂直电控升降台、高精度电控旋转台和植物生长装置；所述图像采集系统包括支架、滑动装置、光路放大系统和图像采集器A，高精度电控旋转台放置于高精度垂直电控升降台上，并用紧固件将两者接触面紧固，植物生长装置放于高精度电控旋转台上；所述植物生长装置包括无顶无底的透明圆柱体容器、底端器皿和两个有缺口的金属圈。本发明还提供了两种采用上述装置进行根系扫描的方法。利用本装置及方法可以实现对根系的微细结构如菌根、根毛进行原位无损观测。
【IPC分类】G01N21/84, G01N21/01
【公开号】CN104897575
【申请号】CN201510379885
【发明人】蒋海波, 周星梅, 李娜, 陈建中, 胡君
【申请人】中国科学院成都生物研究所
【公开日】2015年9月9日
【申请日】2015年7月1日
【技术领域】
[0001]本发明涉及无损观测植物根系微细结构的装置，及其在根系的细微结构如根毛、菌根的无损观测方法，属于植物根系无损观测技术领域。
【背景技术】
[0002]目前，根系观测的主要方法为完全剖挖法，即挖取出根系，并利用相关设备对根系进行观测，这种完全剖挖的方法对根系的破坏性较大，且很难实现根系生命周期的连续观测。根系的原位无损观测方法主要有微根管法，探地雷达无损探测法、X射线扫描法，但该类方法的成像分辨率较差(厘米或毫米级)，只能观测到细根层次，而无法观测到亚毫米级别的根毛，菌根等。由于根毛、菌根对于植物的水分与营养物质的吸收，植物的生长发育等方面都有重要影响，因此无损观测植物根系的微观结构是十分必要的。而目前，并未有可实现原位、无损、方便快捷的观测菌根、根毛的方法。
【发明内容】
[0003]本发明的目的是针对现有观测技术和观测手段存在的问题，提供一种可以实现对根系的微细结构如菌根、根毛进行原位无损观测的装置与方法。本装置可以实现对植物根系的微细结构进行观测，并可以记录根系中的根毛、菌根等信息。
[0004]本发明所述的无损观测植物根系微细结构的装置，主要包括:系统控制与数据处理器1、图像采集系统2、高精度垂直电控升降台3、高精度电控旋转台4和植物生长装置5 ;所述图像采集系统包括支架21、滑动装置22、光路放大系统23和图像采集器A 24，其中光路放大系统23通过滑动装置22与支架21相连接，可发生相对移动，图像采集器A 24与光路放大系统23通过通用接口连接，放置于其后端；所述系统控制与数据处理器I分别图像采集器A、高精度垂直电控升降台、高精度电控旋转台通过线路连接；高精度电控旋转台4放置于高精度垂直电控升降台3上，并用紧固件将两者接触面紧固，防止高精度电控旋转台4和高精度垂直电控升降台3发生相对运动；植物生长装置5放于高精度电控旋转台4上，所述植物生长装置5包括无顶无底的透明圆柱体容器、底端器皿52和两个有缺口的金属圈54，所述透明圆柱体容器由2个或2个以上组件51构成，每个组件包括一个弧形挡壁511和两个挡板512，两个有缺口的金属圈上下交错放置于圆柱体容器外壁，紧固整个圆柱体容器，所述有缺口的金属圈缺口弧形长度大于等于一个组件弧形挡壁的弧形长度，透明圆柱体容器放置于底端器皿52中，所述透明圆柱体容器外壁与底端器皿内壁无缝重合，所述底端器皿中心处有一个凹点53，高精度电控旋转台4中心有一个凸起，与所述凹点53相配合，以使得植物生长装置5轴心与高精度电控旋转台的轴心重合，防止植物生长装置5在旋转过程中，因离心力而发生位置偏移。
[0005]进一步地，所述无损观测植物根系微细结构的装置还包括图像采集器B 25，图像采集器B 25与光路放大系统通过通用接口固定连接，放置于光路放大系统前端，图像采集器B 25还与系统控制与数据处理器I通过线路连接。
[0006]进一步地，所述无损观测植物根系微细结构的装置还包括控制光源26和光纤传光束27，系统控制与数据处理器I还与控制光源26通过线路连接，光纤传光束连接在控制光源上。当根系成像光条件不足时，可开启控制光源26，确保图像采集亮度和清晰度。
[0007]植物生长装置由透明材料制成，可以为玻璃、塑料等透明材料制成的装置，所述植物生长装置底端可套防水袋，防止水分流失。
[0008]所述透明圆柱体容器的每个组件中可放置相同性质的土壤或分别放置不同性质的土壤，如肥沃土壤、贫瘠的土壤等，放置不同性质土壤的，可用来观察同一棵植物在含有不同性质土壤的组件中的根系生长情况。
[0009]一种采用上述无损观测植物根系微细结构的装置进行植物根系无损观测的方法，将高精度电控旋转台4放置于高精度垂直电控升降台3上，并用紧固件将两者接触面紧固，植物生长装置5放于高精度电控旋转台4上，植物生长装置的圆心处凹点与高精度电控旋转台旋转中心凸起的点重合，进行全局扫描，步骤如下:系统控制与数据处理器I控制高精度垂直电控升降台3，将植物生长装置5底部的根系升降至图像采集器A24可采集到的位置，在高精度垂直电控升降台3进行下一次下降时，高精度电控旋转台4将旋转一周，其旋转速度要慢于图像采集器A 24的采集频率，且高精度电控旋转台每次旋转角度的弧度长度小于图像采集器A 24可以采集的图像宽度，当采集完成一周后，再控制高精度垂直电控升降台3进行下降，下降高度小于图像采集器A 24可采集到的实际高度，再控制图像采集器A 24采集一周，直至完成根系全局扫描。这样以免在根系图像采集过程中出现某些区域未采集到图像的情况。对植物根系微细结构进行全局扫描时，既可以按上述方法从下到上扫描，也可以从上到下进行扫描。
[0010]一种采用无损观测植物根系微细结构的装置进行植物根系无损观测的方法，将高精度电控旋转台4放置于高精度垂直电控升降台3上，并用紧固件将两者接触面紧固，植物生长装置5放于高精度电控旋转台4上，植物生长装置的圆心处凹点与高精度电控旋转台旋转中心凸起的点重合，进行根系区域精确扫描，步骤如下:首先通过图像采集器B 25获取待扫描根系的图像，采集到的待扫描根系图像位于图像采集器B 25拍摄图像的中心位置；系统控制与数据处理器I控制高精度电控旋转台4与高精度垂直电控升降台3协同运动，使待扫描根系进入图像采集器A24的采集范围内；调整光路放大系统与观测根系的距离，使得装置能够获取清晰的微观根系图像，图像采集器A 24采集到经过光路放大系统23放大之后的菌根与根毛等显微结构的清晰图像，其采集频率高于协同运动的运动频率，这样使得观测区域不发生图像漏采区域现象，图像采集器A 24按照根系的位置与走向采集待扫描根系微细结构图像。该种方式是按照根系的位置与走向来精确的自动调节旋转台与升降台的运动。
[0011]图像采集器A通过光路放大系统获得的图像最为清晰。光路放大系统可以通过调节不同的物镜与目镜实现不同的放大倍数。
[0012]当需提高显微图像采集清晰度时，可将植物生长装置的弧形挡壁卸下，具体方法如下:
[0013]旋转植物生长装置上的两个金属圈至缺口的位置在垂直方向重合，同时使得需观察部位的挡壁落入金属圈缺口范围内，取下弧形挡壁；调整光路放大系统和观测区域的位置进行全局扫描或根系区域精确扫描。
[0014]相对于现有技术，本发明提供了一种植物生长装置，实现了无损观测根系的相关信息。该装置对同一植物的根系在不同养分水分条件下的根系生长发育的无损观测提供了新方法。同时本装置利用系统控制与数据处理器I可以实现根系图像数据的自动化的记录。本装置利用控制光源和光路放大系统，可以实现根系微观尺度信息的获取，如根系菌根、根毛的无损观测。本发明将对根系的原位无损观测推广到微观尺度，这对于植物根系的生长发育、菌根与根毛在植物生长发育中的作用、植物根系构型、根系与土壤关系等方面都具有较好的使用价值。
【附图说明】
[0015]图1是本发明的装置示意图；
[0016]图2是植物生长装置示意图；
[0017]图3是根系区域精确扫描控制流程图。
[0018]其中的附图标识为:
[0019]1、系统控制与数据处理器；2、图像采集系统；3、高精度垂直电控升降台；4、高精度电控旋转台；5、植物生长装置；6、待测植物；21、支架；22、滑动装置；23、光路放大系统；24、图像采集器A ;25、图像采集器B ;26、控制光源；27、光纤传光束；51、组件；52、底端器皿；53、凹点；54、有缺口的金属圈；511、弧形挡壁；512、挡板。
【具体实施方式】
[0020]下面结合附图，对本发明的【具体实施方式】进行详细说明。
[0021]实施例1
[0022]图1是本发明装置的示意图。本发明装置主要包括系统控制与数据处理器1、图像采集系统2、高精度垂直电控升降台3、高精度电控旋转台4和植物生长装置5 ;所述图像采集系统2包括支架21、滑动装置22、光路放大系统23、图像采集器A 24、图像采集器B 25、控制光源26和光纤传光束27，其中光路放大系统23通过滑动装置22与支架21相连接，可发生相对移动，图像采集器B 25与光路放大系统通过通用接口固定连接，放置于光路放大系统前端，图像采集器A24与光路放大系统通过通用接口连接，放置于其后端；所述系统控制与数据处理器分别与图像采集器A、图像采集器B、控制光源、高精度垂直电控升降台、高精度电控旋转台通过线路连接；
[0023]如图2所示，植物生长装置5包括无顶无底的透明圆柱体容器、底端器皿52和两个有缺口的金属圈54，透明圆柱体容器由6个相同组件51组成，每个组件包括一个弧形挡壁511和两个挡板512;将组件组合形成无顶无底的透明圆柱体容器，两个有缺口的金属圈54上下交错放置于圆柱体容器外壁，实现组件的紧固，金属圈缺口弧形长度均大于等于一个组件弧形挡壁的弧形长度，将透明圆柱体容器放置在一个浅口的底端器皿52中，透明圆柱体容器外壁与底端器皿的内壁可以实现无缝重合，从而防止土壤从组件的下端流失，底端器皿中心处有一个凹点53，高精度电控旋转台4中心有一个凸起，与所述凹点53相配合；
[0024]高精度电控旋转台4放置于高精度垂直电控升降台3上，两者接触面通过螺丝紧固，植物生长装置5放于高精度电控旋转台4上，植物生长装置的圆心处凹点与高精度电控旋转台旋转中心凸起的点重合。
[0025]还可以从底端器皿下方向上套一个可伸缩的袋子，进一步防止水分流失。
[0026]每个组件中放置土壤，以供植物生长。可以选择在每个组件中放置相同土壤，用来观察同一棵植物在土壤中的根系生长情况；也可以选择在各个组件中放置不同的土壤，用来观察同一棵植物在不同的土壤下的根系生长情况。[0027]实施例2
[0028]本实施例为全局采集法，且为从上到下扫描。实施例中图像采集器皆为CCD图像采集器，像素分辨率为:1024 X 768。
[0029]I)将高精度电控旋转台4放置于高精度垂直电控升降台3上，并用螺丝将两者接触面紧固，植物生长装置5放于高精度电控旋转台4上，植物生长装置的圆心处凹点与高精度电控旋转台旋转中心凸起的点重合；
[0030]2)系统控制与数据处理器I控制高精度垂直电控升降台3将植物生长装置5顶部有根系的位置移动至可被图像采集器A 24采集到的位置，将整个采集过程中的图像采集频率设置为每分钟10帧，然后，控制高精度电控旋转台4旋转，高精度电控旋转台4每分钟接收10个脉冲，每次旋转角度为0.00125°，该旋转角度的弧度长度小于图像采集器A 24可以采集的图像宽度，高精度电控旋转台每次旋转所需时间为2.5秒。高精度电控旋转台完成旋转，并已静止时，图像采集器开始采集图像。高精度电控旋转台4旋转一周，图像采集器A 24采集一周；
[0031]3)控制高精度垂直电控升降台3抬升，抬升高度小于图像采集器A24可采集图像的实际高度，然后，控制高精度电控旋转台4旋转，之后与步骤2)后面步骤相同；
[0032]4)重复进行步骤3)直至完成全局扫描。
[0033]实施例3
[0034]与实施例2相同之处不再赘述，不同之处在于采用从下到上扫描，其他步骤相同，步骤2)中系统控制与数据处理器I控制高精度垂直电控升降台3将植物生长装置5底部有根系的位置移动至可被图像采集器A 24采集到的位置，步骤3)中控制高精度垂直电控升降台3下降。
[0035]实施例4
[0036]与实施例2相同之处不再赘述，不同之处在于本例中成像光条件不足，开启控制光源26，确保图像采集器A 24所采集根系图像的亮度和清晰度，然后按照实施例2的步骤I)-4)操作完成全局扫描。
[0037]实施例5
[0038]本实施例为根系区域精确扫描法，其扫描控制流程如图3所示。实施例中图像采集器皆为CXD图像采集器，像素分辨率为:1024X768。
[0039]I)将高精度电控旋转台4放置于高精度垂直电控升降台3上，并用螺丝将两者接触面紧固，植物生长装置5放于高精度电控旋转台4上，植物生长装置的圆心处凹点与高精度电控旋转台旋转中心凸起的点重合；
[0040]2)CCD图像采集器B 25采集待扫描区域根系的图像:观测待扫描根系图像是否在图像采集器B 25拍摄图像的中心位置，如果不在中心位置，则需要通过系统控制与数据处理器I调节高精度电控旋转台4和高精度垂直电控升降台3协同运动，直到采集到的待扫描根系图像位于图像采集器B 25拍摄图像的中心位置；
[0041]3)系统控制与数据处理器I再控制高精度电控旋转台4与高精度垂直电控升降台3协同运动，使待扫描根系进入图像采集器A24的采集范围内:若根系在CCD图像采集器A24所采集图像区域的左上侧，则控制高精度电控旋转台4逆时针运动，然后控制高精度垂直电控升降台3下降，调整至待观测根系的起始位置处于光路放大系统光路23的中心；
[0042]4)再调整光路放大系统23与观测根系的距离，使得装置能够获取清晰的微观根系图像，然后通过图像采集器A24进行扫描，图像采集器A 24按照根系的位置与走向采集经过光路放大系统23放大之后的待扫描根系的菌根与根毛等显微结构的清晰图像，图像采集器A的采集频率和高精度电控旋转台的运动频率同实施例2。
[0043]实施例6
[0044]本实施例为取下植物生长装置中组件的弧形挡壁后，进行根系全局扫描的过程。
[0045]I)将高精度电控旋转台4放置于高精度垂直电控升降台3上，并用螺丝将两者接触面紧固，植物生长装置5放于高精度电控旋转台4上，植物生长装置的圆心处凹点与高精度电控旋转台旋转中心凸起的点重合；旋转有缺口的金属圈，使得两个缺口在垂直方向处重合且处于需要取出的弧形挡壁处，取出相应弧形挡壁；
[0046]步骤2) -4)与实施例2相同。
[0047]5)根系观测结束后，将取出的装置组件按照最初的位置，重新装配，让植物可以继续生长。尽可能的减少对植物生长的影响。
【主权项】
1.无损观测植物根系微细结构的装置，其特征在于，主要包括:系统控制与数据处理器(I)、图像采集系统(2)、高精度垂直电控升降台(3)、高精度电控旋转台(4)和植物生长装置(5);所述图像采集系统包括支架(21)、滑动装置(22)、光路放大系统(23)和图像采集器A(24)，其中光路放大系统通过滑动装置与支架连接，图像采集器A(24)与光路放大系统(23)通过通用接口连接，放置于其后端；所述系统控制与数据处理器(I)分别与图像采集器A、高精度垂直电控升降台、高精度电控旋转台通过线路连接；高精度电控旋转台(4)放置于高精度垂直电控升降台(3)上，并用紧固件将两者接触面紧固，植物生长装置(5)放于高精度电控旋转台(4)上；所述植物生长装置(5)包括无顶无底的透明圆柱体容器、底端器皿(52)和两个有缺口的金属圈(54)，所述透明圆柱体容器由2个或2个以上组件(51)构成，每个组件包括一个弧形挡壁(511)和两个挡板(512)，两个有缺口的金属圈上下交错放置于圆柱体容器外壁，紧固整个圆柱体容器，所述有缺口的金属圈缺口弧形长度大于等于一个组件弧形挡壁的弧形长度，透明圆柱体容器放置于底端器皿(52)中，所述透明圆柱体容器外壁与底端器皿内壁无缝重合，所述底端器皿中心处有一个凹点(53)，高精度电控旋转台(4)中心有一个凸起，与所述凹点(53)相配合。2.如权利要求1所述的无损观测植物根系微观结构的装置，其特征在于，还包括图像采集器B (25)，图像采集器B (25)与光路放大系统(23)通过通用接口固定连接，放置于光路放大系统前端，图像采集器B (25)还与系统控制与数据处理器(I)通过线路连接。3.如权利要求1所述的无损观测植物根系微观结构的装置，其特征在于，还包括控制光源(26)和光纤传光束(27)，系统控制与数据处理器(I)还与控制光源通过线路连接，光纤传光束直接连接在控制光源上。4.如权利要求1所述的无损观测植物根系微观结构的装置，其特征在于，所述植物生长装置(5)底端有防水袋。5.一种采用如权利要求1所述的无损观测植物根系微观结构的装置进行图像采集的方法，该采集方法为全局扫描法，其特征在于，包括以下步骤: 1)将高精度电控旋转台(4)放置于高精度垂直电控升降台(3)上，并用紧固件将两者接触面紧固，植物生长装置(5)放于高精度电控旋转台(4)上，植物生长装置的圆心处凹点与高精度电控旋转台旋转中心凸起的点重合； 2)系统控制与数据处理器(I)控制高精度垂直电控升降台(3)将植物生长装置(5)顶部或底部根系移动至图像采集器A(24)可采集到的位置，在高精度垂直电控升降台(3)进行下一次升降时，高精度电控旋转台(4)将旋转一周，其旋转速度要慢于图像采集器A (24)的采集频率，且高精度电控旋转台每次旋转角度的弧度长度小于图像采集器A(24)可以采集的图像宽度； 3)控制高精度垂直电控升降台(3)进行下一次上升/下降，移动距离小于图像采集器A(24)可采集到的实际高度，再控制图像采集器A(24)采集一周； 4)重复进行步骤3)直至完成全区域扫描。6.一种采用如权利要求1所述的无损观测植物根系微观结构的装置进行图像采集的方法，该采集方法为根系区域精确扫描法，其特征在于，包括以下步骤: I)将高精度电控旋转台(4)放置于高精度垂直电控升降台(3)上，并用紧固件将两者接触面紧固，植物生长装置(5)放于高精度电控旋转台(4)上，植物生长装置的圆心处凹点与高精度电控旋转台旋转中心凸起的点重合； 2)首先通过图像采集器B(25)获取待扫描根系的图像，采集到的待扫描根系图像位于图像采集器B(25)拍摄图像的中心位置； 3)系统控制与数据处理器(I)控制高精度电控旋转台(4)与高精度垂直电控升降台(3)协同运动，使待扫描根系进入图像采集器A(24)的采集范围内； 4)图像采集器A(24)采集到经过光路放大系统(23)放大之后的菌根与根毛等显微结构的清晰图像，其采集频率高于协同运动的运动频率，图像采集器A(24)按照根系的位置与走向采集待扫描根系微细结构图像。7.如权利要求5所述的一种采用无损观测植物根系微观结构的装置进行图像采集的方法，其特征在于，步骤I)中所述植物生长装置(5)中一个或多个组件(51)的弧形挡壁(511)被取出。8.如权利要求6所述的一种采用无损观测植物根系微观结构的装置进行图像采集的方法，其特征在于，步骤I)中所述植物生长装置(5)中一个或多个组件(51)的弧形挡壁(511)被取出。
【专利摘要】本发明涉及无损观测植物根系微细结构的装置，主要包括：系统控制与数据处理器、图像采集系统、高精度垂直电控升降台、高精度电控旋转台和植物生长装置；所述图像采集系统包括支架、滑动装置、光路放大系统和图像采集器A，高精度电控旋转台放置于高精度垂直电控升降台上，并用紧固件将两者接触面紧固，植物生长装置放于高精度电控旋转台上；所述植物生长装置包括无顶无底的透明圆柱体容器、底端器皿和两个有缺口的金属圈。本发明还提供了两种采用上述装置进行根系扫描的方法。利用本装置及方法可以实现对根系的微细结构如菌根、根毛进行原位无损观测。
【IPC分类】G01N21/84, G01N21/01
【公开号】CN104897575
【申请号】CN201510379885
【发明人】蒋海波, 周星梅, 李娜, 陈建中, 胡君
【申请人】中国科学院成都生物研究所
【公开日】2015年9月9日
【申请日】2015年7月1日
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