本發(fā)明涉及作物重金屬和微量元素在線檢測(cè)領(lǐng)域，具體涉及一種光譜成像技術(shù)在線監(jiān)測(cè)水培重金屬脅迫作物的裝置。

背景技術(shù)：

重金屬(鎘、鉻、鉛、銅等)和微量元素(硅、鐵、硼等)對(duì)作物生命活動(dòng)具有重要影響。在重金屬脅迫下，作物體內(nèi)脯氨酸含量增加，光合作用和呼吸作用受到不同程度的抑制，作物減產(chǎn)甚至絕收?？焖?、高效、無損地檢測(cè)作物在重金屬脅迫下的生理狀況如衰老、受傷害程度、環(huán)境脅迫以及其它礦質(zhì)營(yíng)養(yǎng)缺乏是實(shí)施農(nóng)業(yè)精細(xì)管理的先決條件。

高光譜技術(shù)具有光譜分辨率高、圖譜合一的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，解決了“有譜無圖”或“有圖無譜”的問題，以其快速、無損、無污染及成本低的優(yōu)點(diǎn)成為近年來農(nóng)業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域發(fā)展最為快速的現(xiàn)代分析技術(shù)，高光譜成像儀包含可見近紅外和近紅外波段，依據(jù)不同的研究對(duì)象選擇不同的波段，因其可以為每個(gè)像元提供十幾、數(shù)百甚至上千個(gè)波段(波段多)、波段范圍一般小于10nm(光譜范圍窄)、有些傳感器可以在350～2500nm的太陽光譜范圍內(nèi)提供幾乎連續(xù)的地物光譜(波段連續(xù))、數(shù)據(jù)量大等優(yōu)勢(shì)，利于利用光譜特征分析來研究地物、采用各種光譜匹配模型以及地物的精細(xì)分類與識(shí)別，為作物表型研究提供了豐富的數(shù)據(jù)信息。葉綠素?zé)晒獬上窦夹g(shù)作為光合作用研究的探針，具有特異性、高靈敏度的特點(diǎn)，能快速反映作物生理生態(tài)狀況，并且能夠?qū)崿F(xiàn)無損檢測(cè)，在突變株篩選、病蟲害檢測(cè)、表型分析等眾多領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用。多種成像技術(shù)手段可以全面獲取檢測(cè)對(duì)象的光譜信息，同時(shí)相互比對(duì)，有效提高檢測(cè)性能。

目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)于作物在重金屬脅迫下的光譜實(shí)驗(yàn)研究越來越多，對(duì)作物最常用的處理方法是利用水培的方式，方便控制作物所處的不同重金屬脅迫環(huán)境，對(duì)作物的檢測(cè)手段往往是通過多種光譜檢測(cè)相結(jié)合的研究。然而，這種利用光譜技術(shù)檢測(cè)作物信息的技術(shù)需要基于大量的樣本支撐下才能進(jìn)行，每做一種光譜檢測(cè)的手段就要重復(fù)一次勞動(dòng)，而且方法操作復(fù)雜，需要人力的搬運(yùn)和運(yùn)輸，不僅浪費(fèi)科研人員寶貴的時(shí)間，還耗時(shí)耗力，固定的操作步驟沒有流程化、規(guī)范化，效率低，自動(dòng)化程度不高。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了克服上述現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)和生產(chǎn)條件的缺點(diǎn)和不足，本發(fā)明的目的在于提供一種基于光譜成像技術(shù)在線監(jiān)測(cè)水培重金屬脅迫作物的裝置，解決了固定的操作步驟沒有流程化、規(guī)范化的問題，提高了操作效率，本發(fā)明具有多種光譜手段檢測(cè)一體化、使用方便且檢測(cè)高效性的優(yōu)點(diǎn)。

為實(shí)現(xiàn)上述的發(fā)明目的，本發(fā)明所采用的具體技術(shù)方案如下：

一種光譜成像技術(shù)在線監(jiān)測(cè)水培重金屬脅迫作物的裝置，包括機(jī)架以及依次安裝在機(jī)架上的：

水培培養(yǎng)線，具有帶電子編號(hào)的水培培養(yǎng)箱和運(yùn)送水培培養(yǎng)箱的運(yùn)輸通道；

檢測(cè)系統(tǒng)，具有與運(yùn)輸通道銜接的檢測(cè)傳送帶，以及用于對(duì)水培培養(yǎng)箱進(jìn)行光譜掃描的高光譜成像裝置；

控制系統(tǒng)，用于對(duì)圖像掃描和檢測(cè)的結(jié)果進(jìn)行分析，判斷每個(gè)培養(yǎng)箱內(nèi)作物是否合格，并發(fā)送分揀控制指令；

分揀系統(tǒng)，包括移動(dòng)操作臺(tái)、分揀臺(tái)和移動(dòng)檢測(cè)儀，所述的移動(dòng)操作臺(tái)根據(jù)接收的分揀控制指令抓取異常樣本至分揀臺(tái)，并由所述的移動(dòng)檢測(cè)儀做進(jìn)一步的檢測(cè)和分析分類。

作為優(yōu)選的，所述的水培培養(yǎng)線還包括培養(yǎng)架，多個(gè)運(yùn)輸機(jī)械臂；

所述的培養(yǎng)架依序擺放在培養(yǎng)室內(nèi)，水培培養(yǎng)箱位于所述的培養(yǎng)架上，各個(gè)培養(yǎng)架之間連接有所述的運(yùn)輸通道；

所述的運(yùn)輸機(jī)械臂穿梭于所述的運(yùn)輸通道和培養(yǎng)架之間，將待測(cè)的水培培養(yǎng)箱運(yùn)送至檢測(cè)系統(tǒng)，將已測(cè)的正常培養(yǎng)箱運(yùn)回至培養(yǎng)架。

作為優(yōu)選的，所述的培養(yǎng)室還安裝有l(wèi)ed光源，通過配有人工照明，實(shí)現(xiàn)光源補(bǔ)償功能，使室內(nèi)光照環(huán)境與室外保持一致。

作為優(yōu)選的，所述的檢測(cè)系統(tǒng)還包括位于所述高光譜成像裝置前端的暗處理室，用于對(duì)檢測(cè)傳送帶的水培培養(yǎng)箱實(shí)時(shí)進(jìn)行暗處理。

作為優(yōu)選的，所述的高光譜成像裝置包括可見近紅外成像光譜儀、近紅外成像光譜儀和葉綠素?zé)晒獬上窆庾V儀。

作為優(yōu)選的，所述的檢測(cè)系統(tǒng)還包括掃碼器，用于識(shí)別水培培養(yǎng)箱上的電子編號(hào)。

本發(fā)明中，檢測(cè)系統(tǒng)，包括暗處理室、檢測(cè)傳送帶、高光譜成像系統(tǒng)有可見近紅外(380-1023nm)和近紅外(874-1734nm)成像光譜儀(配有兩個(gè)ccd相機(jī)和配套分光模組及成像鏡頭、葉綠素?zé)晒獬上窆庾V儀、掃碼器和檢測(cè)龍門架；龍門架安裝在檢測(cè)傳送帶的中間區(qū)域；各光譜成像系統(tǒng)和掃碼器以及光源安裝在龍門架上；因葉綠素?zé)晒獬上裣到y(tǒng)處理植株之前，需要對(duì)植株進(jìn)行足夠時(shí)間的暗處理；所述檢測(cè)系統(tǒng)包含的暗處理室可以在傳送帶上實(shí)時(shí)進(jìn)行暗處理，且葉綠素成像系統(tǒng)同時(shí)進(jìn)行工作，這種并行操作的方式大大提高了檢測(cè)效率；識(shí)別系統(tǒng)用以對(duì)培養(yǎng)箱內(nèi)作物的身份識(shí)別，并將檢測(cè)結(jié)果通過無線傳輸設(shè)備傳送到控制系統(tǒng)；高光譜系統(tǒng)解決了“有圖無譜，有譜無圖”的問題，且為實(shí)驗(yàn)研究提供了大量的分析判別作物表型的數(shù)據(jù)；葉綠素?zé)晒馀c植被光合作用密切相關(guān)，可以直接反映植物光合作用速率和脅迫狀態(tài)；多種成像技術(shù)手段可以全面、多方位獲取檢測(cè)對(duì)象的光譜信息，同時(shí)相互比對(duì)，有效提高檢測(cè)性能。

作為優(yōu)選的，所述的檢測(cè)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和分揀系統(tǒng)間均采用無線傳輸數(shù)據(jù)。

所述的控制系統(tǒng)，是整個(gè)檢測(cè)和分揀部分的控制中心，各部分的檢測(cè)結(jié)果都將無線傳輸?shù)娇刂葡到y(tǒng)；控制系統(tǒng)集成了機(jī)器學(xué)習(xí)功能，將對(duì)圖像掃描和檢測(cè)的結(jié)果進(jìn)行分析，判斷每個(gè)培養(yǎng)箱內(nèi)作物是否合格，再根據(jù)分析結(jié)果控制分揀系統(tǒng)進(jìn)行分揀；再通過移動(dòng)檢測(cè)儀獲取更多信息，并進(jìn)行分析，判斷進(jìn)一步需要進(jìn)行的操作處理并將指令發(fā)送到移動(dòng)操作臺(tái)；作為優(yōu)選的，所述的控制系統(tǒng)內(nèi)存儲(chǔ)每一個(gè)水培培養(yǎng)箱的歷史數(shù)據(jù)，可為對(duì)作物的生長(zhǎng)信息分析提供參考。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)和有益效果：

本發(fā)明將培養(yǎng)部分與檢測(cè)部分結(jié)合起來，全程操作可以自動(dòng)化進(jìn)行，提高了空間利用率和工作效率，結(jié)合了葉綠素?zé)晒獬上駜x和高光譜成像儀的在線監(jiān)測(cè)水培樣本的方法，可以同時(shí)處理多種光譜檢測(cè)手段所獲取的信息，大大的提高了試驗(yàn)檢測(cè)效率，全程利用自動(dòng)化技術(shù)進(jìn)行操作，大大降低了實(shí)驗(yàn)人員的工作強(qiáng)度，該發(fā)明提出的在線監(jiān)測(cè)裝置和方法不僅可以減少操作人員的數(shù)量，而且還可以利用互聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程操控控制系統(tǒng)，對(duì)光譜檢測(cè)手段的進(jìn)步和革新具有重要意義。

附圖說明

圖1為光譜成像技術(shù)在線監(jiān)測(cè)水培作物重金屬脅迫的裝置圖；

圖2為檢測(cè)系統(tǒng)細(xì)節(jié)圖；

圖3為在線檢測(cè)方法流程圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合實(shí)施例和附圖來詳細(xì)說明本發(fā)明，但本發(fā)明并不僅限于此。

如圖1所示，一種光譜成像技術(shù)在線監(jiān)測(cè)水培重金屬脅迫作物的裝置，包括水培培養(yǎng)線、檢測(cè)系統(tǒng)、分揀系統(tǒng)、控制系統(tǒng)2和機(jī)架13；檢測(cè)系統(tǒng)、分揀系統(tǒng)、分別通過無線傳輸設(shè)備1與控制系統(tǒng)2連接并且依次連接在機(jī)架13上。

所述作物培養(yǎng)線，包括培養(yǎng)架4、帶有電子編號(hào)的作物培養(yǎng)箱5、運(yùn)輸通道14和運(yùn)輸機(jī)械臂15；培養(yǎng)架4依序擺放在培養(yǎng)室內(nèi)，作物培養(yǎng)箱5位于培養(yǎng)架4上，各個(gè)培養(yǎng)架4之間有運(yùn)輸通道14，多個(gè)運(yùn)輸機(jī)械臂15在運(yùn)輸通道14上穿梭于培養(yǎng)架4之間，將待測(cè)培養(yǎng)箱5運(yùn)送至檢測(cè)系統(tǒng)，將已測(cè)的正常培養(yǎng)箱5運(yùn)回至培養(yǎng)架4；在培養(yǎng)樣本開始時(shí)就對(duì)樣本編號(hào)，實(shí)現(xiàn)樣本可追溯性，避免后期復(fù)雜的試驗(yàn)操作導(dǎo)致樣本混淆；配有人工照明，led光源20補(bǔ)償功能，使室內(nèi)光照環(huán)境與室外保持一致。

所述檢測(cè)系統(tǒng)，包括暗處理室3、檢測(cè)傳送帶6、高光譜成像系統(tǒng)8有可見近紅外(380-1023nm)和近紅外(874-1734nm)成像光譜儀(配有兩個(gè)ccd相機(jī)和配套分光模組9及成像鏡頭)、葉綠素?zé)晒獬上窆庾V儀11、掃碼器7和檢測(cè)龍門架12；龍門架12安裝在檢測(cè)傳送帶6的中間區(qū)域；如圖2，各光譜成像系統(tǒng)和掃碼器7以及光源10安裝在龍門架12上，并且高光譜成像儀8與葉綠素?zé)晒獬上窆庾V儀11沿檢測(cè)傳送帶6方向前后配置防止互相干涉，用以對(duì)培養(yǎng)箱5內(nèi)作物的身份識(shí)別并且進(jìn)行光譜掃描，并將檢測(cè)結(jié)果通過無線傳輸設(shè)備1傳送到控制系統(tǒng)2。

所述分揀系統(tǒng)，包括移動(dòng)操作臺(tái)18、分揀臺(tái)16、等待區(qū)19和移動(dòng)檢測(cè)儀17；移動(dòng)操作臺(tái)18根據(jù)控制系統(tǒng)2發(fā)出的指令將異常樣本抓取到分揀臺(tái)16，然后移動(dòng)檢測(cè)儀17做進(jìn)一步的檢測(cè)和分析分類，然后再由移動(dòng)操作臺(tái)18根據(jù)控制系統(tǒng)2指令將異常樣本按待處理的類別轉(zhuǎn)移到等待區(qū)19。

所述控制系統(tǒng)2，是整個(gè)檢測(cè)和分揀部分的控制中心，各部分的檢測(cè)結(jié)果都將無線傳輸?shù)娇刂葡到y(tǒng)2；控制系統(tǒng)2將對(duì)圖像掃描和檢測(cè)的結(jié)果進(jìn)行分析，判斷每個(gè)培養(yǎng)箱5內(nèi)作物是否合格，再根據(jù)分析結(jié)果控制分揀系統(tǒng)進(jìn)行分揀；再通過移動(dòng)檢測(cè)儀17獲取更多信息，并進(jìn)行分析，判斷進(jìn)一步需要進(jìn)行的操作處理并將指令發(fā)送到移動(dòng)操作臺(tái)18；控制系統(tǒng)2存儲(chǔ)每一個(gè)水培箱5的歷史數(shù)據(jù)，可為對(duì)作物的生長(zhǎng)信息分析提供參考。

上述的基于光譜成像技術(shù)在線監(jiān)測(cè)水培重金屬脅迫作物的系統(tǒng)的檢測(cè)方法，如圖3所示，包括以下步驟：

1)系統(tǒng)初始化；

2)水培培養(yǎng)線上的運(yùn)輸機(jī)械臂將水培箱運(yùn)輸?shù)綑z測(cè)傳送帶，啟動(dòng)控制系統(tǒng)；

3)控制系統(tǒng)啟動(dòng)檢測(cè)傳送帶，傳送帶將水培箱在暗處理室，根據(jù)每株植株葉綠素?zé)晒鈾z測(cè)時(shí)間的長(zhǎng)短，設(shè)置傳送帶的長(zhǎng)度，使每株植株從進(jìn)入暗適應(yīng)室起，至達(dá)到葉綠素?zé)晒獬上袷?，暗適應(yīng)足夠時(shí)間，然后運(yùn)送到檢測(cè)龍門架中心等待檢測(cè)；

4)掃碼器識(shí)別水培箱身份編號(hào)，檢測(cè)系統(tǒng)開始檢測(cè)并將信息傳送到控制系統(tǒng)；

5)控制系統(tǒng)處理檢測(cè)系統(tǒng)傳送的掃描結(jié)果，判斷水培作物的生長(zhǎng)狀態(tài)并進(jìn)行分類標(biāo)志；

6)檢測(cè)傳送帶將水培箱運(yùn)輸至分揀系統(tǒng)；

7)控制系統(tǒng)將掃描檢測(cè)分析結(jié)果相應(yīng)的控制命令發(fā)送到分揀系統(tǒng)，如果接到異常樣本的命令，執(zhí)行步驟8；如果水培樣本正常則執(zhí)行步驟9；

8)移動(dòng)操作臺(tái)將異常樣本抓取到分揀臺(tái)，控制系統(tǒng)控制移動(dòng)檢測(cè)儀完成以下步驟：

8-1)移動(dòng)檢測(cè)儀做進(jìn)一步的檢測(cè)并將結(jié)果傳送至控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)做進(jìn)一步的分析分類；

8-2)控制系統(tǒng)將進(jìn)一步的控制指令傳給移動(dòng)操作臺(tái)，然后再由移動(dòng)操作臺(tái)18根據(jù)控制系統(tǒng)指令將目標(biāo)樣本按待處理的類別轉(zhuǎn)移到等待區(qū)；

9)移動(dòng)操作臺(tái)將樣本轉(zhuǎn)移至運(yùn)輸機(jī)械臂操作區(qū)，由運(yùn)輸機(jī)械臂將水培箱樣本運(yùn)送回培養(yǎng)架繼續(xù)培養(yǎng)。

以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施舉例，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。