[发明专利]一种基于CT技术的作物幼苗苗钵破损检测方法

说明书

本发明公开了一种基于CT技术的作物幼苗夹持取苗过程中苗钵破损检测方法和装置，包括：制作幼苗夹持取苗装置，制作用于放置作物幼苗的苗盒，作物幼苗不同夹取状态下的扫描，苗钵中孔隙提取。其中夹持取苗装置的制作：支撑柱连接底座和盖板；滑块固定在盖板底面，滑块与取苗臂铰接，取苗臂下端固定夹针；夹取螺杆两端穿出取苗臂，与螺母通过螺纹配合实现夹针的收紧或张开。苗盒的制作：外壁为圆柱形，内壁为倒置四棱台、尺寸与穴盘苗苗钵尺寸匹配。本发明利用CT扫描仪对不同夹取状态下的作物穴盘苗进行断层扫描，对苗钵中的孔隙提取并三维可视化，研究苗钵内部新生孔隙和缝隙产生和扩展，为取苗末端执行器结构设计和夹取参数选择提供依据。

技术领域

本发明属于作物幼苗移栽领域，特别是一种基于CT技术的作物幼苗夹持取苗过程中苗钵破损检测方法和装置。

背景技术

作物幼苗用移栽机自动取苗移栽时，主要采用取苗爪夹取苗钵将作物幼苗取出，这种方法取苗时，如果取苗爪的取苗角度、夹取深度和夹取量等夹取参数和取苗爪结构选择不当，会使苗钵破碎或不能将作物幼苗可靠夹取出，造成取苗失败。针对这个问题，韩绿化等人通过实验测试了取苗爪在不同夹取参数下(夹持角度、夹取力和夹持变形量)的取苗成功率；童俊华等以黄瓜穴盘苗为研究对象，以取苗爪夹持角度、夹针数量、苗钵含水率、黄瓜穴盘苗长势、育苗基质配比等为影响因素，以取苗爪对苗钵的夹取力为优化目标，进行单因素试验，得到最优影响因素水平组合；王跃勇等研究了取苗爪的结构外形特征(指针形状、压舌板形状、U型形状)、苗钵含水率和作物生长初期幼苗根系对基质抗剪性能提升的效果，并将苗钵完整率作为试验指标，采用正交试验方法得出取苗爪结构、苗钵含水率、苗龄的主次影响因素和优水平。这些方法都是以取苗爪的结构和夹取参数为试验因素，通过取苗试验得到合适的取苗爪结构和夹取参数，但是作物幼苗在取苗时，破损是从苗钵内部产生的，无法直接观测夹针夹取苗钵时内部原生缝隙和新生缝隙的产生和扩展，无法弄清楚根系与破损之间的关系，导致取苗机构设计缺乏科学的理论依据，制约了自动移栽技术的发展。

CT技术在骨微结构和血管成像等医学研究领域取得了成功，它能实现内部结构显微图像的三维重建、医学形态参数的提取。因为CT技术具有无损检测物体内部结构这一特点，已有研究使用该技术检测作物根系在土壤中的生长情况，如Richard J等将春麦种植在不同磷肥供给方式的圆柱形桶中，用Micro-CT对春麦根部土壤进行扫描，并将扫描获得的断层图片导入Volume Graphics StudioMax version 2.1软件中，利用软件中的区域增长工具调整图像阈值，将根系从断层图片中分割出生成三维图像，比较根系在不同磷肥供给情况下，根系的生长发育情况；Saoirse R等将三种不同品种的小麦分别种植在土壤压实度为1.1g/cm3和1.5g/cm3的圆柱状桶中，在小麦发芽后的第2、5和12天用X射线CT技术对小麦根系进行扫描，利用Volume Graphics StudioMax version 2.0软件将根系提取，对比分析不同品种、土壤压实度和生长天数情况下根系的总长度和体积的变化，以及土壤中孔隙随深度的变化；在此基础上，Saoirse R又利用X射线CT技术对生长在不同土壤(粘壤土和沙壤土)和不同土壤压实度(1.2g/cm3和1.6g/cm3)下的番茄苗进行无损检测，在番茄种子发芽后的第1至10天，每天都进行扫描，研究根系体积、根面积、主根长度、平均根茎、根曲率等变化情况。这些研究的技术难点主要集中在如何将根系从土壤中分割提取出并三维重构，如何测量根系的物理参数。使用CT技术检测作物苗钵在夹取过程中内部破损的产生，难点是：1、夹取爪在夹取苗钵时，夹针要插入苗钵内部，夹针是由钢制材料制成，夹针和苗钵的密度相差很大，在用CT机对夹取状态下的苗钵进行扫描时，夹针和苗钵的衰减系数不同，会产生伪像，致使生成的断层图片不清晰，无法将根系和孔隙从苗钵中提取出；2、为了避免X射线辐射对人体的危害，CT扫描样本必须在封闭的空间中进行，作物幼苗和取苗机构要放置在一定尺寸和形状的样本容器中，取苗机构要满足取苗角度、夹取深度、夹取量、夹针形状等结构和参数的调整，需要设计出实现这些功能又能用来CT扫描的夹持取苗机构；3、扫描生成的断层图片中，会产生许多噪声，同时苗钵中分布有许多很小的孔隙，这些孔隙和噪声无法区分，影响断层图片中孔隙三维图像的可视效果。