水稻株型测量仪及其测定水稻株型参数的方法

摘要

本发明涉及水稻株型测量仪及其测定水稻株型参数的方法，一种水稻株型测量仪，包括设于底座上的一中心角略大于180度的圆弧形滑道；一底部结合滑条的高度标尺，该滑条嵌入滑道内，且滑道上设有角度刻度规；一滑动座嵌设于高度标尺上；一茎秆指针垂直穿过滑动座和高度标尺，并能相对高度标尺前后、上下移动，且该茎秆指针始终指向底座的中心轴线；一叶方位指针的一端经第一连接关节连接于茎秆指针一端，且该叶方位指针能绕第一连接关节在与底座平行的平面旋转，该第一连接关节处设有一叶方位角度盘；该叶方位指针的另一端经第二连接关节连接一叶曲线指针，该叶曲线指针能绕着第二连接关节在与底座垂直的平面旋转，且该叶曲线指针上设有刻度规，该第二连接关节处设有一叶曲线角度盘。

说明书

技术领域

本发明涉及水稻株型测量技术，特别是涉及水稻特征参数测量仪和水稻株型三维模拟数 据测量仪。

背景技术

水稻株型是指水稻的形态特征、空间排列方式以及各性状之间的关系，如水稻高矮、分 蘖集散、叶片的长短、宽窄及角度、穗形、个体在群体中的排列方式及其几何结构。

水稻株型改良对提高单产具有重要的作用。从我国水稻产量的两次突破来看，矮秆品种 比高秆品种增产、杂交稻比矮秆品种增产的重要原因之一就在于株型的改良。株型改良的第 一阶段是矮化育种，第二阶段是理想株型育种，它的发展方向是形态与机能兼顾，理想株型 与优势利用相结合。所以，理想株型的研究越来越受到育种家的重视和关心。

理想株型模拟表述是对作物的形态特征、空间排列方式以及各性状之间的关系，如植株 高矮、分蘖集散、叶片的长短、宽窄及角度、穗形、个体在群体中的排列方式及其几何结构 的计算机模拟。株型模拟的基础是株型模型。理想株型模拟的目的在于为理想株型的选择， 田间管理优化提供理论支持。这是因为在一定的生长环境中，株型是联系作物品种、田间管 理和作物产量的桥梁。作物品种、田间管理直接影响株型差异，株型差异通过作物冠层的光 分布和透气情况影响光合作用，进而影响作物的产量。在育种方面，育种专家可以利用模拟 技术，根据品种株型可能产生的效应，确定所要选育品种的方向。例如国际水稻研究所已开 始用作物株型模型模拟作物形态和生理特征在不同环境下的变化进行育种，帮助选择理想株 型。在田间管理方面，可以利用模拟技术，模拟播种时期、种植密度、灌溉制度、肥料使用 对株型的影响，优化田间配置以提高长期平均产量，经济效益和生态效益。

理想株型模拟的基础是株型数据采集。如何精确采集叶基高、叶方位角、叶基角、披垂 角等株型特征参数和三维株型构建所需的叶脉空间坐标等株型结构数据是株型模拟的基础。

然而由于水稻群体结构的复杂性，株型特征参数和株型结构数据的采集仍是株型模拟的 难题。目前全国重要的水稻研究单位都没有建立一套合适的株型特征参数和株型结构数据采 集设备和技术。目前株型特征参数和株型结构数据采集的常用方法主要包括用量角、直尺、 位置工具的手工测量方式和基于图像处理、数字化仪和扫描仪的方法。手工测量方式设备成 本低，但是测量劳动强度大，精度低。基于图像处理、数字化仪和扫描仪的方法速度快，但 是价格高、后期数据处理复杂、特征提取困难、推广难。因此根据水稻株型叶片对生性和叶 脉不扭曲等特征，设计株型特征参数和株型结构数据采集辅助设备具有重要的意义。

发明内容

为简便、快捷、精确地采集水稻的株型特征参数和株型结构数据，本发明提供一种水稻 株型测量仪及其测定水稻株型参数的方法。

为解决上述技术问题，本发明提供的水稻株型测量仪，其包括一底座，该底座上设有一 内凹型滑道，且该底座、滑道分别为中心角略大于180度的圆弧，两圆弧的圆心重合于一 处；一高度标尺的底部固定结合有滑条，该滑条嵌入滑道内，且该滑条是与该滑道等半径的 圆弧形滑条，使得滑条能在滑道内移动，从而相应带动高度标尺沿滑道移动，同时该滑道上 设有角度刻度规以测量滑条移动的角度；一滑动座活动嵌设于该高度标尺上，并能沿高度标 尺上、下移动；一茎秆指针垂直穿过该滑动座和高度标尺，并能相对高度标尺前后移动，还 能随滑动座沿高度标尺上、下移动，该高度标尺上设有高度规以测量茎秆指针距离底座上表 面的距离，且该茎秆指针始终指向该底座的中心轴线，该茎秆指针上设有长度规以测量叶基 到高度标尺的距离；一叶方位指针的一端经第一连接关节连接于茎秆指针指向底座中心轴线 的一端，且该叶方位指针能绕第一连接关节在与底座平行的平面旋转，该第一连接关节处设 有一叶方位角度盘以测量叶方位指针与茎秆指针的夹角；该叶方位指针的另一端经第二连接 关节连接一叶曲线指针，该叶曲线指针能绕着第二连接关节在与底座垂直的平面旋转，且该 叶曲线指针上设有刻度规，该第二连接关节处设有一叶曲线角度盘以测量叶曲线指针与叶方 位指针的夹角，该叶曲线刻度盘固定在叶曲线指针上。

进一步地，该滑道由第一、二滑条压脚固设于底座上形成。

进一步地，该滑动座和高度标尺之间嵌耐磨铜片。

进一步地，滑道上的角度刻度规的角度为以逆时针方向从零度到180度标刻；高度标尺 上的高度规由下到上从零毫米到6000毫米标刻；茎秆指针上的长度规从茎秆指针与叶方位 指针连接端的端点开始从零毫米开始标刻；叶方位角度盘的零度方向与茎秆指针平行，且按 逆时针方向标刻；叶曲线指针的刻度规的刻度由第二连接关节开始从0毫米沿叶曲线指针按 增加的方式标刻。

进一步地，该第二连接关节距叶方位指针的外伸端15厘米，以方便操作。

为解决上述技术问题，本发明还提供一种利用上述水稻株型测量仪测定水稻株型参数的 方法，其包括以下步骤：

①将水稻株型测量仪置于水平桌面上，稻株于底座间直立放置；

②移动高度标尺和滑动座，使茎秆指针指向底座中心轴线的端头与该稻株一分蘖的一叶 片的叶基接触，通过滑道上的角度刻度规得到茎秆的方位角θ，通过高度标尺上的高度规得 到该叶基到稻株基部的距离h，通过茎秆指针上的长度规得到该叶基到高度标尺的距离r；

③根据圆柱坐标原理，计算叶基的空间位置：

r≤R时，$x=(R-r)\cos (\pi +\frac{\theta }{180}),y=(R-r)\sin (\pi +\frac{\theta }{180}),z=h;$

r＞R时，$x=(r-R)\cos (\pi +\frac{\theta }{180}),y=(r-R)\sin (\pi +\frac{\theta }{180}),z=h$（两式中的R为底 座的半径）；

④旋动叶方位指针，使得叶方位指针与该叶片的叶脉所在平面平行，通过叶方位角度盘 得到叶方向角α；

⑤旋动叶曲线指针，使得叶曲线指针与该叶片的叶尖接触，通过叶曲线指针上的刻度规 得到叶尖到第二连接关节的距离b₀，通过叶曲线角度盘得到叶方位指针与叶曲线指针的夹角 γ；

⑥根据空间解析几何原理，计算开张角β：

$\beta =\frac{\pi }{2}-\arctan \left(\frac{b_0\sin \gamma }{l-b_0\cos \gamma }\right),$

其中l＝15cm，为第二连接关节到第一连接关节的距离；

⑦根据空间解析几何原理，计算叶尖的空间坐标：

x₀＝x+(l-b₀cosγ₀)cos(θ+α)

y_o＝y+(l-b0_ocosγ₀)sin(θ+α)

z₀＝z+b₀sinγ₀

其中x、y、z为上述③中所得；

⑧逐步调整叶曲线指针，使得叶曲线指针与该叶片的叶脉不同部位接触，重复⑤、⑦， 得到叶脉不同部位的空间坐标：

(x₁，y₁，z₁)，(x₂，y₂，z₂)...(x_n，y_n，z_n)。

进一步地，根据该叶脉不同部位的空间坐标，求出叶片的近似长度、叶基角、披垂度、 披垂角：

长度为：$L=\underset{j=0}{\overset{x+1}{\Sigma }}\sqrt{{(x_j-x_{j-1})}^2+{(y_j-y_{j-1})}^2+{(z_j-z_{j-1})}^2},$

叶基角为：$A=\frac{\pi }{2}-\arctan \left(\frac{z_n-z}{\sqrt{{(x_n-x)}^2+{(y_n-y)}^2}}\right),$

披垂度为：

披垂角为：P_j＝β-A，

公式中(x_n+1，y_n+1，z_n+1)＝(x，y，z)。

进一步地，重复步骤①--步骤⑧，得到单个分蘖的株型参数，进而得到整株水稻的株型 参数。

进一步地，根据整株水稻的株型参数，通过以下算法构建水稻株型三维模拟图像：

I）建立坐标变换体系使得主茎底端位于坐标原点，主茎茎秆位于竖坐标上，根据坐标 变换体系变换叶基的空间位置和叶脉不同部位的空间坐标；

II）根据变换后叶基的空间位置，通过直线拟合，绘制茎秆的三维图像；

III）根据变换后叶脉不同部位的空间坐标，通过二次方程拟合，绘制叶片的三维图 像；

IV）重复步骤III），绘制单个分蘖所有叶脉的三维图像；

V）重复步骤I）-IV），绘制单株水稻的三维图像。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明水稻株型测量仪可方便、快捷、精确、 直观地采集叶基高、叶方位角、叶基角、披垂角等株型特征参数和三维株型构建所需的叶脉 空间坐标等株型结构数据，为水稻株型模拟和理想株型优化设计提供数据基础，为理想株型 育种，田间配置优化提供技术支持，是水稻研究人员较好的株型测量工具。本发明能利用数 学画图软件处理测得数据构造稻株三维图像；本发明操作方便、读数相对较少、适合活体测 量，本发明也适合小麦等禾本科植株株型的测量。

附图说明

图1是本发明的结构正面示意图。

图2是本发明轴向剖视图。

图3是本发明使用状态示意图（以单个分蘖测量为例）。

附图标注说明：

1、限位块；2、高度标尺；3、滑动座；4、第一紧固件；5、第一滑条压脚；6、第二滑 条压脚；7、底座；8、第二紧固件；9、调整螺栓；10、第三紧固件；11、茎秆指针；12、 叶方位指针；13、叶方位角度盘；14、第一连接关节；15、滑道；16、滑条；17、高度规； 18、叶曲线指针；19、第二连接关节；20、叶曲线角度盘；21、稻株；22、叶片。

具体实施方式

如图1-图3所示，本发明水稻株型测量仪包括一底座7，该底座7上设有一内凹型滑道 15，且该底座7、滑道15为中心角略大于180度的圆弧，且两圆弧的圆心重合。在本实施 例中，该滑道15由第一、二滑条压脚5、6固设于底座7上形成。一高度标尺2的底部固定 结合有滑条16，该滑条16嵌入滑道15内，且该滑条16是与该滑道15等半径的圆弧形滑 条，这样就使得滑条16能顺畅地在滑道15内移动，从而相应带动高度标尺2沿滑道15相 应移动，同时该滑道15上设有角度刻度规（图中未示）以测量滑条16移动的角度，该高度 标尺2上设有高度规17以测量茎秆指针距离底座7上表面的距离h。一滑动座3活动嵌设 于该高度标尺2上，并能沿高度标尺2上、下移动，该滑动座3和高度标尺2之间嵌耐磨铜 片。一茎秆指针11垂直穿过该滑动座3和高度标尺2，并能相对高度标尺2前后移动，还 能随滑动座3沿高度标尺2上、下移动，且该茎秆指针11始终指向该底座7的中心轴线， 该茎秆指针11上设有长度规（图中未示）以测量叶基到高度标尺2的距离r。一叶方位指针 12的一端经第一连接关节14连接于茎秆指针11指向底座中心轴线的一端，且该叶方位指 针12能绕第一连接关节14在与底座7平行的平面旋转，该第一连接关节14处设有一叶方 位角度盘13以测量叶方位指针12与茎秆指针11的夹角。该叶方位指针12的另一端经第二 连接关节19连接一叶曲线指针18，该叶曲线指针18能绕着第二连接关节19在与底座7垂 直的平面旋转，且该叶曲线指针18上设有刻度规（图中未示），该第二连接关节19处设有 一叶曲线角度盘20以测量叶曲线指针18与叶方位指针12的夹角，该叶曲线刻度盘20固定 在叶曲线指针18上。在本实施例中，该第二连接关节19距叶方位指针的外伸端15厘米， 以方便操作。

该实施例中，滑道15上的角度为以逆时针方向从零度到180度标刻；高度标尺2上的 高度规由下到上从零毫米到6000毫米标刻；茎秆指针11上的长度规从茎秆指针与叶方位指 针连接端的端点开始从零毫米开始标刻；叶方位角度盘13的零度方向与茎秆指针11平行， 且按逆时针方向标刻；叶曲线指针18的刻度规的刻度由第二连接关节19开始从0毫米沿叶 曲线指针18按增加的方式标刻。

利用本发明水稻株型测量仪测定水稻株型时，其包括以下步骤：

①将本发明水稻株型测量仪水平放置，稻株21直立放置于底座间；

②移动高度标尺2和滑动座3，使茎秆指针11指向底座中心轴线的端头与该稻株一分蘖 21的一叶片22的叶基接触，通过滑道15上的角度刻度规得到茎秆的方位角θ，通过高度 标尺2上的高度规得到该叶基到稻株基部的距离h，通过茎秆指针11上的长度规得到该叶 基到高度标尺的距离r；

③根据圆柱坐标原理，计算叶基的空间位置：

r≤R时，$x=(R-r)\cos (\pi +\frac{\theta }{180}),y=(R-r)\sin (\pi +\frac{\theta }{180}),z=h;$

r＞R时，$x=(r-R)\cos (\pi +\frac{\theta }{180}),y=(r-R)\sin (\pi +\frac{\theta }{180}),z=h$（两式中的R为底 座的半径）；

④旋动叶方位指针13，使得叶方位指针13与该叶片22的叶脉所在平面平行，通过叶 方位角度盘13得到叶方向角α；

⑤旋动叶曲线指针18，使得叶曲线指针18与该叶片22的叶尖接触，通过叶曲线指针 18上的刻度规得到叶尖到第二连接关节19的距离b₀，通过叶曲线角度盘20得到叶方位指 针13与叶曲线指针18的夹角_γ；

⑥根据空间解析几何原理，计算开张角β：

$\beta =\frac{\pi }{2}-\arctan \left(\frac{b_0\sin \gamma }{l-b_0\cos \gamma }\right),$

其中l=15cm，为第二连接关节到第一连接关节的距离；

⑦根据空间解析几何原理，计算叶尖的空间坐标：

x₀＝x+(l-b₀cosγ₀)cos(θ+α)

y₀＝y+(l-b₀cosγ₀)sin(θ+α)

z₀＝z+b₀sinγ₀

其中x、y、z为上述③中所得；

⑧逐步调整叶曲线指针18，使得叶曲线指针18与该叶片的叶脉不同部位接触，重复 ⑤、⑦，得到叶脉不同部位的空间坐标：

(x₁，y₁，z₁)，(x₂，y₂，z₂)...(x_n，y_n，z_n)。

进一步，根据所得叶脉不同部位的空间坐标，求出叶片的近似长度、叶基角、披垂度、 披垂角：

长度为：$L=\underset{j=0}{\overset{x+1}{\Sigma }}\sqrt{{(x_j-x_{j-1})}^2+{(y_j-y_{j-1})}^2+{(z_j-z_{j-1})}^2},$

叶基角为：$A=\frac{\pi }{2}-\arctan \left(\frac{z_n-z}{\sqrt{{(x_n-x)}^2+{(y_n-y)}^2}}\right),$

披垂度为：

披垂角为：Pj＝β-A，

公式中(x_n+1，y_n+1，z_n+1)＝(x，y，z)。

进一步地，重复步骤①--步骤⑧，得到单个分蘖的株型参数，进而得到整株水稻的株型 参数。

进一步地，根据整株水稻的株型参数，通过以下算法构建水稻株型三维模拟图像：

I）建立坐标变换体系使得主茎底端位于坐标原点，主茎茎秆位于竖坐标上，根据坐标 变换体系变换叶基的空间位置和叶脉不同部位的空间坐标；

II）根据变换后叶基的空间位置，通过直线拟合，绘制茎秆的三维图像；

III）根据变换后叶脉不同部位的空间坐标，通过二次方程拟合，绘制叶片的三维图像；

IV）重复步骤III），绘制单个分蘖所有叶脉的三维图像；

V）重复步骤I）-IV），绘制单株水稻的三维图像。

至此，得到了水稻株型参数和3D株型。