植物根系三維矢量模型的構(gòu)建與分析方法.pdf

1、根系構(gòu)型是植物根系生長和分支的結(jié)果，它決定了植物吸收和傳導(dǎo)水分、養(yǎng)分的能力。不同的根系構(gòu)型顯著影響著植物對養(yǎng)分、水分的吸收利用效率。根系構(gòu)型分為二維構(gòu)型（或平面構(gòu)型）和三維構(gòu)型（或立體構(gòu)型）。三維構(gòu)型是指不同類型的根系在生長介質(zhì)中的空間分布，包括根系的連接關(guān)系（拓撲結(jié)構(gòu)）與空間分布特征。相對于平面構(gòu)型，三維構(gòu)型能更準(zhǔn)確、更全面地反映植物根系在地下介質(zhì)空間中的幾何形態(tài)和分布特征。因此，植物根系三維構(gòu)型的定量檢測和分析近年來逐漸成為國際上根

2、系相關(guān)研究的重要方向和研究熱點。
　　三維構(gòu)型定量化研究的主要技術(shù)瓶頸在于，土壤等生長介質(zhì)的阻隔限制了人們對根系的原位直接觀測，以及根系本身的復(fù)雜性和重疊性構(gòu)成了對其進行精確測量的難度。目前獲取根系原位三維構(gòu)型的技術(shù)方法主要有核磁共振成像（MRI）、X射線層析成像（XCT）和探地雷達成像（GPR）等。華南農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)業(yè)成像檢測技術(shù)研究室在國家自然科學(xué)基金、國家“863”計劃專題項目等多項課題的資助下，相繼開展了基于 XCT的植物根系

3、原位成像方法、空間序列圖像的處理與分析方法、原位根系的三維可視化以及基于可視化模型的基本構(gòu)型參數(shù)的測量方法等一系列相關(guān)研究工作，完成了原位根系計算機層析成像系統(tǒng)和三維可視化系統(tǒng)的構(gòu)建與開發(fā)。為了進一步實現(xiàn)植物根系三維構(gòu)型參數(shù)的原位測量與定量分析，在課題組前期研究成果的基礎(chǔ)上，本文重點開展了基于空間序列圖像的植物根系三維矢量模型的構(gòu)建與分析方法研究，旨在研究構(gòu)建一種便于定量描述原位根系空間幾何形態(tài)、更適于三維構(gòu)型參數(shù)測量計算與分析的植物根

4、系三維矢量模型，以顯著減少三維可視化模型的數(shù)據(jù)量和測量計算難度，提高三維構(gòu)型參數(shù)的測量精度和效率。本文完成的主要研究工作如下：
　?。?）通過熟悉課題組前期工作和相關(guān)文獻的閱讀與分析，詳細了解國內(nèi)外植物根系三維構(gòu)型檢測技術(shù)方法的研究概況。根據(jù)對現(xiàn)有植物根系構(gòu)型參數(shù)的計算與分析方法的比較分析，確定了研究工作的總體方案和技術(shù)路線。
　?。?）植物根系原位CT序列圖像的采集與處理。采用基于平板探測器的計算機層析成像系統(tǒng)獲取植物根系

5、樣品的CT序列圖像；經(jīng)過中值濾波和區(qū)域分割處理，然后將其封裝構(gòu)成三維體數(shù)據(jù)作為構(gòu)建植物根系三維矢量模型的原始數(shù)據(jù)。
　?。?）植物根系三維矢量模型的構(gòu)建方法。首先，借助重切技術(shù)對三維體數(shù)據(jù)進行重切以獲取重切CT圖片，根據(jù)重切圖片中各根截面的質(zhì)心、面積、等效圓半徑和等效圓周長等信息構(gòu)建初始根結(jié)點。在此基礎(chǔ)上，根據(jù)植物根系的形態(tài)特征設(shè)計根結(jié)點分組算法，確定不同根結(jié)點的分支屬性，構(gòu)建不同的根分枝。其次，對上述根分枝結(jié)點進行曲線擬合，以固

6、定間隔采樣擬合曲線上的點作為新根心點，并在各新根心點處再次重切（切面與擬合曲線垂直且經(jīng)過新根心點）三維體數(shù)據(jù)以獲取新根截面，根據(jù)其面積、等效圓半徑以及等效圓周長等信息構(gòu)建新根結(jié)點以取代初始根結(jié)點。最后，通過判定各根分枝的連通性構(gòu)建其拓撲關(guān)系。
　?。?）植物根系三維構(gòu)型參數(shù)的計算測量。在三維矢量模型的基礎(chǔ)上，設(shè)計根數(shù)、根長、根夾角、根體積以及根表面積等根系三維構(gòu)型參數(shù)的計算方法。根數(shù)等于矢量模型的根分枝數(shù)，根長等于根分枝內(nèi)各相鄰根

7、結(jié)點間的距離之和，根夾角定義為子根分枝首根結(jié)點的法向量與父根分枝相應(yīng)分叉根結(jié)點的法向量之間的夾角。根據(jù)植物根系的形態(tài)特征，相鄰根結(jié)點間根段的體積和側(cè)面積可通過將其等效為圓臺來計算；根體積等于根分枝內(nèi)各相鄰根結(jié)點間根段的體積之和；根表面積則等于根分枝內(nèi)各相鄰根結(jié)點間根段的側(cè)面積之和。
　　（5）植物根系三維矢量模型構(gòu)建與分析系統(tǒng)。在Windows平臺上采用C++編程語言，結(jié)合跨平臺圖形用戶界面應(yīng)用程序開發(fā)框架 Qt、醫(yī)學(xué)圖像分割與配

8、準(zhǔn)工具箱ITK（Insight Segmentation and Registration Toolkit）以及三維可視化工具箱VTK（Visualization Toolkit），設(shè)計開發(fā)了一套植物根系三維矢量模型的構(gòu)建與分析原型系統(tǒng)，完成了上述矢量模型構(gòu)建算法的程序設(shè)計與調(diào)試。
　?。?）原型系統(tǒng)的實驗驗證與數(shù)據(jù)分析。采用挖掘法獲得植物根系樣本，然后測量其根長、根數(shù)、根夾角、根體積以及根表面積。將人工測量結(jié)果與本文方法的檢測結(jié)

9、果進行對比分析，驗證本文技術(shù)方案和系統(tǒng)設(shè)計的可行性和實際精度。結(jié)果表明，根分枝數(shù)誤差、根總長誤差、根總表面積誤差、根總體積誤差以及根夾角平均誤差分別為4.55％、2.1%、6.26%、1.02%、2.58%。
　　綜上，本文基于XCT空間序列圖像完成了植物根系三維矢量模型的構(gòu)建及三維構(gòu)型參數(shù)計算方法的研究，并設(shè)計開發(fā)了一套用于植物根系三維矢量模型構(gòu)建與分析的原型系統(tǒng)，實現(xiàn)了對植物根系三維構(gòu)型基本參數(shù)的自動測量與定量分析，有助于進一