“論文精選38”工廠工廠自動(dòng)和連續(xù)工廠重量測(cè)量系統(tǒng)

1研究背景與目的

植物重量是量化植物生長(zhǎng)的重要特征。測(cè)量植物重量的傳統(tǒng)方法是銷(xiāo)毀植物，然后使用電子天平手動(dòng)測(cè)量植物重量。該方法不僅具有破壞性，而且耗時(shí)且費(fèi)力。 1995年，Van Henten和Bontsema檢查了圖像處理方法和破壞性植物重量測(cè)量結(jié)果，發(fā)現(xiàn)葉面積與萵苣干重之間存在線性關(guān)系，這可能是使用植物葉片的非破壞性植物生長(zhǎng)測(cè)量方法的可能性估計(jì)植物干重的面積。 。由于工廠需要調(diào)整太多的輸入環(huán)境參數(shù)，因此傳統(tǒng)的重量測(cè)量方法由于其時(shí)間和人工成本而幾乎無(wú)法應(yīng)用。據(jù)報(bào)道，已經(jīng)開(kāi)發(fā)了一些自動(dòng)植物重量測(cè)量?jī)x器。但是該儀器只能在實(shí)驗(yàn)室中使用；可用于溫室的重量測(cè)量?jī)x只能測(cè)量一組植物的總重量；或者它只能測(cè)量葡萄藤的重量，而單葉蔬菜的重量測(cè)量尚未開(kāi)發(fā)。因此，植物工廠需要一種自動(dòng)稱(chēng)重儀器，可以在植物的生長(zhǎng)期連續(xù)測(cè)量植物的重量。

2種材料和方法

自動(dòng)重量測(cè)量?jī)x（圖片1）：稱(chēng)重傳感器，稱(chēng)重傳感器是將重力信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的傳感器。該儀器使用LDB-2kg稱(chēng)重傳感器，測(cè)量分辨率為0. 1g可以測(cè)量0-2kg的重量，該自動(dòng)重量測(cè)量?jī)x包含四個(gè)組件：頂部圓盤(pán)，底部圓盤(pán)，植物支撐和稱(chēng)重傳感器。

成像系統(tǒng)（圖3）：安裝在F臂上的攝像頭由電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，以在同一植物床上拍攝圖像。根據(jù)立體視覺(jué)方法計(jì)算出被測(cè)植物的幾何特征。

種植環(huán)境（圖片2）：室內(nèi)水培環(huán)境。包括光照，溫度和營(yíng)養(yǎng)液在內(nèi)的環(huán)境條件是人為且可控制的。實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)：國(guó)立臺(tái)灣大學(xué)的工廠；白天和晚上的溫度為分別設(shè)置在23℃和19℃；種植平臺(tái)的平均光照強(qiáng)度為169μmol/ s.m2，每天光照16小時(shí)； CO2濃度范圍為300-500 ppm自動(dòng)測(cè)量設(shè)備，營(yíng)養(yǎng)液中包含碳酸鎂，碳酸鈣以及AB瓶中的碳酸鉀，螯合鐵，硼酸，鉬酸鈉，硫酸銅，硫酸錳，氯化鉀，磷酸鉀和硫酸鋅，分別種植和使用了兩種生菜，即波士頓生菜和珊瑚生菜。這個(gè)體重監(jiān)測(cè)器進(jìn)行了測(cè)量。

3個(gè)結(jié)果

（[1）體重測(cè)量驗(yàn)證

為驗(yàn)證重量測(cè)量?jī)x器的準(zhǔn)確性，使用電子天平和測(cè)量?jī)x器測(cè)量了16天波士頓生菜和16個(gè)珊瑚生菜在14天內(nèi)的生長(zhǎng)重量。

在圖4中，垂直軸表示在破壞性測(cè)量之前儀器記錄的最后一次重量測(cè)量。水平軸是通過(guò)電子天平測(cè)得的植物根部上方部分的重量。因?yàn)橹参锔闹亓勘桓×Φ窒?，所以根的密度非常接近營(yíng)養(yǎng)液，因?yàn)樯说钠骄芏葹?. 98g / cm3，平均營(yíng)養(yǎng)液的密度為0. 99g / cm3 。用此儀器測(cè)量的植物重量?jī)H靠近樹(shù)枝。波士頓生菜的重量測(cè)量與電子天平測(cè)量之間的平均誤差為5. 66％，而珊瑚生菜的6. 99％。

驗(yàn)證重量測(cè)量?jī)x器的設(shè)計(jì)不會(huì)影響植物的生長(zhǎng)。在此驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)中，監(jiān)測(cè)了16天的波士頓生菜24天，其中有8個(gè)在種植床上使用重量測(cè)量?jī)x生長(zhǎng)，另外8個(gè)在不使用該儀器的情況下生長(zhǎng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)，用電子天平測(cè)量植物的重量。在我們的儀器上生長(zhǎng)的八個(gè)波士頓生菜的平均重量為20 2. 1 g，標(biāo)準(zhǔn)偏差為1 9. 2 g。僅在種植床上生長(zhǎng)的其他八個(gè)波士頓生菜的平均重量為20 1. 3 g，標(biāo)準(zhǔn)偏差為2 6. 4 g。結(jié)果表明，使用和不使用重量測(cè)量?jī)x，植物的重量非常相似，外觀相似，證明該儀器不會(huì)影響植物的生長(zhǎng)。

（[2）連續(xù)重量測(cè)量

測(cè)得的8種波士頓生菜和8種珊瑚生菜的體重增長(zhǎng)曲線。圖5中的每個(gè)點(diǎn)都是在該特定小時(shí)內(nèi)測(cè)得的平均重量?？梢钥闯?，波士頓生菜和珊瑚生菜都顯示出相似的增重模式。剛開(kāi)始時(shí)，重量變化相對(duì)較小，因?yàn)橹参飫倓偙灰浦驳搅朔N植床上。隨著植物的生長(zhǎng)，重量變化更快。該重量測(cè)量?jī)x器可以在水培環(huán)境中連續(xù)無(wú)損地測(cè)量單個(gè)植物的重量。因此，該儀器可用于監(jiān)測(cè)和記錄單株植物在生長(zhǎng)期中的生長(zhǎng)。

根據(jù)植物生長(zhǎng)曲線，可以提取和分析更多信息。圖6顯示了從生長(zhǎng)期的第15天到第18天，波士頓生菜重量的每日變化。重量變化率計(jì)算為當(dāng)前小時(shí)重量以及前一小時(shí)與當(dāng)前小時(shí)之間的重量差。結(jié)果顯示了植物重量變化率的晝夜模式。植物重量變化率是正的，但是在光周期開(kāi)始時(shí)較小，而在光周期結(jié)束時(shí)較大。在黑暗時(shí)期，植物的重量變化率仍然很大。這種現(xiàn)象與其他研究一致，后者表明植物在光線可及的情況下有節(jié)奏地生長(zhǎng)。該結(jié)果表明，由于光線的可及性自動(dòng)測(cè)量設(shè)備，重量測(cè)量精度足以檢測(cè)植物的生長(zhǎng)節(jié)奏。因此，該系統(tǒng)為植物生理學(xué)研究提供了另一個(gè)有用的功能。

（[3）植物重量測(cè)量?jī)x器和圖像測(cè)量系統(tǒng)

在此監(jiān)視系統(tǒng)中，還有另一種測(cè)量植物重量的方法，即立體視覺(jué)成像系統(tǒng)。所獲得植物的重量和成像特征在整個(gè)植物生長(zhǎng)期顯示出高度相關(guān)性。種植了八個(gè)波士頓生菜，并用重量測(cè)量?jī)x和立體視覺(jué)成像系統(tǒng)進(jìn)行了測(cè)量。通過(guò)應(yīng)用立體視覺(jué)技術(shù)，可以從捕獲的植物圖像中計(jì)算植物的體積。

在圖7中，頂部是波士頓生菜的原始圖像，底部是通過(guò)立體視覺(jué)算法計(jì)算的相應(yīng)的偽彩色深度圖像?？梢曰谥参锏纳疃葓D像進(jìn)一步得出植物體積指數(shù)。由于植物生長(zhǎng)過(guò)程中體重和視覺(jué)測(cè)量是連續(xù)進(jìn)行的，因此可以發(fā)現(xiàn)植物重量與植物體積指數(shù)之間的關(guān)系。

圖8顯示，基于這一輪實(shí)驗(yàn)，植物重量與植物體積指數(shù)之間存在線性模型，得出R2 = 0. 98。

基于該線性模型，然后可以基于體積指數(shù)數(shù)據(jù)來(lái)估算植物重量，如圖9所示。由于植物的重量與體積指數(shù)之間存在線性關(guān)系，因此重量增長(zhǎng)曲線如圖1和圖2所示，從體積指數(shù)估計(jì)的值將具有與體積指數(shù)相同的模式。在圖9A和C中示出了在整個(gè)生長(zhǎng)期的預(yù)測(cè)重量和測(cè)量重量之間的誤差。前10天的誤差在1. 5 g以內(nèi)，而在生長(zhǎng)期的后期誤差較大?？梢越忉?zhuān)S著植物的生長(zhǎng)，由于植物體積中的空白，來(lái)自圖像的體積估計(jì)誤差變得更大。因此，由體積指數(shù)估算的重量受此累積誤差的影響。但是，估計(jì)誤差仍遠(yuǎn)低于實(shí)際重量的1％。結(jié)果表明，使用簡(jiǎn)單的成像系統(tǒng)通過(guò)體積測(cè)量估算植物重量的可能性和能力。

4結(jié)論

在這項(xiàng)研究中，開(kāi)發(fā)了一種用于水培植物的自動(dòng)化無(wú)損植物重量測(cè)量系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括一個(gè)自行開(kāi)發(fā)的體重測(cè)量?jī)x和一個(gè)立體視覺(jué)成像系統(tǒng)。由測(cè)力傳感器和丙烯酸板制成的重量測(cè)量?jī)x器可以連續(xù)測(cè)量植物分支的重量，并且不專(zhuān)門(mén)針對(duì)水培植物。可以通過(guò)將儀器的結(jié)果與電子天平的讀數(shù)（平均測(cè)量誤差為6％）進(jìn)行比較來(lái)驗(yàn)證儀器的準(zhǔn)確性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該測(cè)量?jī)x器不會(huì)影響植物的生長(zhǎng)。該儀器成功地測(cè)量了植物工廠中波士頓生菜和珊瑚生菜的生長(zhǎng)曲線。另外，該系統(tǒng)還可以觀察植物在黑暗和黑暗時(shí)期的重量變化率的日變化。另一種方法是在植物生長(zhǎng)期間使用植物重量和成像測(cè)量值來(lái)找到兩者之間的校準(zhǔn)模型。一旦找到校準(zhǔn)模型，僅需要植物的圖像信息來(lái)估計(jì)植物生長(zhǎng)期間的植物重量。在整個(gè)生長(zhǎng)期中，權(quán)重估計(jì)誤差小于1％。這項(xiàng)研究表明了這種自動(dòng)體重測(cè)量系統(tǒng)的功能，并有可能在植物工廠的實(shí)際應(yīng)用和各種植物生理研究中做出進(jìn)一步的貢獻(xiàn)。

參考文獻(xiàn)：Nozue，K.，Covington，MF，Duek，PD，Lorrain，S.，F(xiàn)ankhauser，C.，Harmer，SL，etal。通過(guò)內(nèi)外線索的重合解釋了有節(jié)奏的增長(zhǎng)[J]。自然，2007,448（715 1)：358-6 1.