“论文精选38”工厂工厂自动和连续工厂重量测量系统
1研究背景与目的
植物重量是量化植物生长的重要特征。测量植物重量的传统方法是销毁植物，然后使用电子天平手动测量植物重量。该方法不仅具有破坏性，而且耗时且费力。 1995年，Van Henten和Bontsema检查了图像处理方法和破坏性植物重量测量结果，发现叶面积与莴苣干重之间存在线性关系，这可能是使用植物叶片的非破坏性植物生长测量方法的可能性估计植物干重的面积。 。由于工厂需要调整太多的输入环境参数，因此传统的重量测量方法由于其时间和人工成本而几乎无法应用。据报道，已经开发了一些自动植物重量测量仪器。但是该仪器只能在实验室中使用；可用于温室的重量测量仪只能测量一组植物的总重量；或者它只能测量葡萄藤的重量，而单叶蔬菜的重量测量尚未开发。因此，植物工厂需要一种自动称重仪器，可以在植物的生长期连续测量植物的重量。
2种材料和方法
自动重量测量仪（图片1）：称重传感器，称重传感器是将重力信号转换为电信号的传感器。该仪器使用LDB-2kg称重传感器，测量分辨率为0. 1g可以测量0-2kg的重量，该自动重量测量仪包含四个组件：顶部圆盘，底部圆盘，植物支撑和称重传感器。
成像系统（图3）：安装在F臂上的摄像头由电动机驱动，以在同一植物床上拍摄图像。根据立体视觉方法计算出被测植物的几何特征。
种植环境（图片2）：室内水培环境。包括光照，温度和营养液在内的环境条件是人为且可控制的。实验地点：国立台湾大学的工厂；白天和晚上的温度为分别设置在23℃和19℃；种植平台的平均光照强度为169μmol/ s.m2，每天光照16小时； CO2浓度范围为300-500 ppm自动测量设备，营养液中包含碳酸镁，碳酸钙以及AB瓶中的碳酸钾，螯合铁，硼酸，钼酸钠，硫酸铜，硫酸锰，氯化钾，磷酸钾和硫酸锌，分别种植和使用了两种生菜，即波士顿生菜和珊瑚生菜。这个体重监测器进行了测量。
3个结果
（[1）体重测量验证
为验证重量测量仪器的准确性，使用电子天平和测量仪器测量了16天波士顿生菜和16个珊瑚生菜在14天内的生长重量。
在图4中，垂直轴表示在破坏性测量之前仪器记录的最后一次重量测量。水平轴是通过电子天平测得的植物根部上方部分的重量。因为植物根的重量被浮力抵消，所以根的密度非常接近营养液，因为生菜的平均密度为0. 98g / cm3，平均营养液的密度为0. 99g / cm3 。用此仪器测量的植物重量仅靠近树枝。波士顿生菜的重量测量与电子天平测量之间的平均误差为5. 66％，而珊瑚生菜的6. 99％。
验证重量测量仪器的设计不会影响植物的生长。在此验证实验中，监测了16天的波士顿生菜24天，其中有8个在种植床上使用重量测量仪生长，另外8个在不使用该仪器的情况下生长。实验结束时，用电子天平测量植物的重量。在我们的仪器上生长的八个波士顿生菜的平均重量为20 2. 1 g，标准偏差为1 9. 2 g。仅在种植床上生长的其他八个波士顿生菜的平均重量为20 1. 3 g，标准偏差为2 6. 4 g。结果表明，使用和不使用重量测量仪，植物的重量非常相似，外观相似，证明该仪器不会影响植物的生长。
（[2）连续重量测量
测得的8种波士顿生菜和8种珊瑚生菜的体重增长曲线。图5中的每个点都是在该特定小时内测得的平均重量。可以看出，波士顿生菜和珊瑚生菜都显示出相似的增重模式。刚开始时，重量变化相对较小，因为植物刚刚被移植到了种植床上。随着植物的生长，重量变化更快。该重量测量仪器可以在水培环境中连续无损地测量单个植物的重量。因此，该仪器可用于监测和记录单株植物在生长期中的生长。
根据植物生长曲线，可以提取和分析更多信息。图6显示了从生长期的第15天到第18天，波士顿生菜重量的每日变化。重量变化率计算为当前小时重量以及前一小时与当前小时之间的重量差。结果显示了植物重量变化率的昼夜模式。植物重量变化率是正的，但是在光周期开始时较小，而在光周期结束时较大。在黑暗时期，植物的重量变化率仍然很大。这种现象与其他研究一致，后者表明植物在光线可及的情况下有节奏地生长。该结果表明，由于光线的可及性自动测量设备，重量测量精度足以检测植物的生长节奏。因此，该系统为植物生理学研究提供了另一个有用的功能。
（[3）植物重量测量仪器和图像测量系统
在此监视系统中，还有另一种测量植物重量的方法，即立体视觉成像系统。所获得植物的重量和成像特征在整个植物生长期显示出高度相关性。种植了八个波士顿生菜，并用重量测量仪和立体视觉成像系统进行了测量。通过应用立体视觉技术，可以从捕获的植物图像中计算植物的体积。
在图7中，顶部是波士顿生菜的原始图像，底部是通过立体视觉算法计算的相应的伪彩色深度图像。可以基于植物的深度图像进一步得出植物体积指数。由于植物生长过程中体重和视觉测量是连续进行的，因此可以发现植物重量与植物体积指数之间的关系。
图8显示，基于这一轮实验，植物重量与植物体积指数之间存在线性模型，得出R2 = 0. 98。
基于该线性模型，然后可以基于体积指数数据来估算植物重量，如图9所示。由于植物的重量与体积指数之间存在线性关系，因此重量增长曲线如图1和图2所示，从体积指数估计的值将具有与体积指数相同的模式。在图9A和C中示出了在整个生长期的预测重量和测量重量之间的误差。前10天的误差在1. 5 g以内，而在生长期的后期误差较大。可以解释，随着植物的生长，由于植物体积中的空白，来自图像的体积估计误差变得更大。因此，由体积指数估算的重量受此累积误差的影响。但是，估计误差仍远低于实际重量的1％。结果表明，使用简单的成像系统通过体积测量估算植物重量的可能性和能力。
4结论
在这项研究中，开发了一种用于水培植物的自动化无损植物重量测量系统。该系统包括一个自行开发的体重测量仪和一个立体视觉成像系统。由测力传感器和丙烯酸板制成的重量测量仪器可以连续测量植物分支的重量，并且不专门针对水培植物。可以通过将仪器的结果与电子天平的读数（平均测量误差为6％）进行比较来验证仪器的准确性。实验结果表明，该测量仪器不会影响植物的生长。该仪器成功地测量了植物工厂中波士顿生菜和珊瑚生菜的生长曲线。另外，该系统还可以观察植物在黑暗和黑暗时期的重量变化率的日变化。另一种方法是在植物生长期间使用植物重量和成像测量值来找到两者之间的校准模型。一旦找到校准模型，仅需要植物的图像信息来估计植物生长期间的植物重量。在整个生长期中，权重估计误差小于1％。这项研究表明了这种自动体重测量系统的功能，并有可能在植物工厂的实际应用和各种植物生理研究中做出进一步的贡献。
参考文献：Nozue，K.，Covington，MF，Duek，PD，Lorrain，S.，Fankhauser，C.，Harmer，SL，etal。通过内外线索的重合解释了有节奏的增长[J]。自然，2007,448（715 1)：358-6 1.
