專利名稱：一種植物根系幾何構(gòu)型的原位測(cè)量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種植物根系幾何構(gòu)型的原位、無損測(cè)量方法。
背景技術(shù)：
根系是植物從土壤等介質(zhì)環(huán)境中獲取養(yǎng)分和水分的重要器官。植物體吸取養(yǎng)分、水分能力的大小，很大程度上取決于其根系在介質(zhì)環(huán)境中形態(tài)分布的情況。因此，早在18世紀(jì)人們便開始了對(duì)植物根系的系統(tǒng)研究工作。土壤等介質(zhì)是植物賴依生存的地下環(huán)境，它們?cè)诮o植物根系提供養(yǎng)分、水分的同時(shí)，也給根系的原位觀察和直接測(cè)量設(shè)置了難以逾越的屏障。植物根系特殊的生長環(huán)境(不透明、不可見)及其復(fù)雜的形態(tài)結(jié)構(gòu)(相互交錯(cuò)、遮擋)，使得人們對(duì)它的測(cè)量、研究難度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于對(duì)植物體地上部分。為了獲取植物根系在土壤空間中的形態(tài)分布情況，傳統(tǒng)的研究方法通常分成兩步進(jìn)行取樣和測(cè)量。首先需要解決的問題就是如何完整、準(zhǔn)確地進(jìn)行原位取樣。從根系形態(tài)研究的需要出發(fā)，不僅要求取得的根系是完整的，至少涉及研究目的的主要根系不得斷缺；而且，還應(yīng)保持其在介質(zhì)環(huán)境中的原狀不變形、不移位，要求采樣工作快速、準(zhǔn)確。根系研究中另外一個(gè)基礎(chǔ)性的、關(guān)鍵性的工作就是對(duì)根系的有關(guān)參數(shù)進(jìn)行準(zhǔn)確的測(cè)定。描述根系生長和分布的參數(shù)，因不同的研究目的、不同的根構(gòu)型要求而有所不同，常用的有根長、根數(shù)、根表面積、根體積、根徑、根毛數(shù)、根系強(qiáng)度、根重、根系密度、根夾角、側(cè)根間距等。由于根系復(fù)雜、特殊的形態(tài)結(jié)構(gòu)，要對(duì)它進(jìn)行準(zhǔn)確的參數(shù)測(cè)定同樣是一件難度很大的工作。根系結(jié)構(gòu)分枝繁多，粗細(xì)不一，相互遮擋、交叉，柔軟易動(dòng)，且離土后易脫水變形。因此，要對(duì)根系進(jìn)行準(zhǔn)確的原位測(cè)定其難度之大、繁雜程度之高是可想而知的。
現(xiàn)有的根系觀測(cè)方法，大體上可以分成兩大類破壞性方法和非破壞性方法。破壞性方法，如釘板法、容器法、氣培法、管栽法、網(wǎng)袋法等，往往需要進(jìn)行破壞性取樣，使根系與土壤分離開來；然后進(jìn)行人工測(cè)量，或借助于專用儀器逐項(xiàng)對(duì)有關(guān)形態(tài)參數(shù)(多數(shù)是平面數(shù)據(jù))進(jìn)行人工輔助測(cè)量，整個(gè)取樣和測(cè)量過程既耗時(shí)費(fèi)力、又存在較大誤差，很難實(shí)現(xiàn)根系的原位取樣和準(zhǔn)確測(cè)量(有移位、有斷根和水分逸失等問題)。現(xiàn)有的非破壞性方法，包括同位素示蹤法、地下根室及微根室的研究等，盡管不需要破壞性取樣，避免了小心翼翼、耗時(shí)費(fèi)力的取樣程序，但只能獲得一些有限的原位觀測(cè)數(shù)據(jù)，難以獲得完整、準(zhǔn)確的三維形態(tài)數(shù)據(jù)。另外，地下根系研究室耗資很大，且觀測(cè)過程依然需要較長的時(shí)間和大量的人工，同位素法還存在較大的輻射危險(xiǎn)性等問題。實(shí)際上，缺乏準(zhǔn)確、便捷的根系原位觀測(cè)方法已經(jīng)構(gòu)成了根系研究領(lǐng)域的技術(shù)瓶頸，使得根系形態(tài)結(jié)構(gòu)的研究大大滯后于植物地上部分。
近年來，隨著現(xiàn)代科技的快速發(fā)展和根系精細(xì)研究的迫切需要，高新技術(shù)手段逐漸滲透到根系觀測(cè)研究領(lǐng)域，并取得了一些重要進(jìn)展。
為了提高根系參數(shù)測(cè)量的速度和精度、減少人工操作與人為誤差，近年來出現(xiàn)了一些基于計(jì)算機(jī)圖像處理技術(shù)的自動(dòng)測(cè)量分析方法。首先采用電荷耦合攝像器件(CCD)、X線機(jī)(X-RAY)與平面掃描儀等多種采集設(shè)備獲取根系的二維圖像數(shù)據(jù)，然后在計(jì)算機(jī)上利用圖像處理技術(shù)對(duì)根系結(jié)構(gòu)形態(tài)進(jìn)行測(cè)定與分析，主要用于根系平面構(gòu)型。本發(fā)明的申請(qǐng)人曾主持完成的“數(shù)字圖像處理技術(shù)在根系形態(tài)分析中的應(yīng)用”課題就屬于這一技術(shù)范疇，該項(xiàng)目基于圖像處理技術(shù)建立了根系形態(tài)參數(shù)測(cè)定及構(gòu)型分析系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了根系形態(tài)參數(shù)快速、準(zhǔn)確的測(cè)量與分析，為根系二維平面構(gòu)型的研究提供了一種高效、可靠的工具。目前相關(guān)技術(shù)成果已逐漸投入實(shí)際應(yīng)用，如澳大利亞ICT公司的DT-SCAN圖像分析系統(tǒng)、美國CID公司的CI-400/600圖像分析系統(tǒng)以及法國的WinRHIZO圖像分析系統(tǒng)等。
計(jì)算機(jī)圖像處理技術(shù)的引入，盡管有效地提高了根系測(cè)量的速度與精度，并大大減輕了人工測(cè)量的工作量、節(jié)省了測(cè)量時(shí)間，但仍然存在著一些不足。一方面，根系的離土采樣和測(cè)量前的樣品準(zhǔn)備依然需要大量人工，更為重要的是，這種技術(shù)只能測(cè)得根系的二維構(gòu)型數(shù)據(jù)。為了直接獲得取樣后根系的三維構(gòu)型參數(shù)，國內(nèi)外的專家學(xué)者做出了多種嘗試，大體可分為接觸測(cè)量技術(shù)和非接觸測(cè)量技術(shù)兩類情況。
直接接觸測(cè)量技術(shù)是基于機(jī)械式、電磁式等接觸式三維數(shù)字化儀器對(duì)取樣后的植物根系節(jié)點(diǎn)進(jìn)行逐點(diǎn)測(cè)量定位，并測(cè)得各節(jié)點(diǎn)相應(yīng)結(jié)構(gòu)參數(shù)(如直徑等)；然后將各節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)和參數(shù)人工或自動(dòng)輸入計(jì)算機(jī)，由計(jì)算機(jī)對(duì)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行一系列的計(jì)算、處理，并分析給出根系的三維構(gòu)型參數(shù)。如法國的F.Danjon，H.Sinoquet，F(xiàn).Colin andM.Drexhage等人采用一種名為3SPACE Fastrak的三維數(shù)字化儀與一種名為AMAPmod植物構(gòu)型專用軟件分別對(duì)3個(gè)20～28年生的橡樹(Quercus Petraea)和30個(gè)5年生的松樹(Pinus Pinaster)進(jìn)行了根構(gòu)型的測(cè)量分析。3SPACE Fastrak能對(duì)根系的三維空間坐標(biāo)進(jìn)行接觸式(點(diǎn)擊)測(cè)量。AMAPmod專用軟件則用來分析評(píng)定根構(gòu)型的特征，包括空間位置、根長、體積、分支次序、分支樣式等，并能根據(jù)測(cè)得的數(shù)據(jù)進(jìn)行根系3D圖像的重建以檢查測(cè)量誤差。該項(xiàng)研究工作首先利用大型挖掘機(jī)將樹根快速拔起，這顯然會(huì)導(dǎo)致斷根和移位問題，然后主要對(duì)2mm以上的結(jié)構(gòu)根(structural root)進(jìn)行逐點(diǎn)測(cè)定分析，平均每棵樹需要接觸測(cè)量的節(jié)點(diǎn)數(shù)高達(dá)757個(gè)，最多的一棵橡樹節(jié)點(diǎn)數(shù)超過了1475個(gè)。顯然接觸式三維測(cè)量技術(shù)的測(cè)量過程仍離不開大量的人工參與。
非接觸式3D自動(dòng)測(cè)量技術(shù)，是以計(jì)算機(jī)為核心，基于聲學(xué)、光學(xué)、磁學(xué)等原理開發(fā)的，可快速、精確地采集物體空間坐標(biāo)，測(cè)量過程不需人工輔助。這種技術(shù)在植物地上部分的研究中有較多的應(yīng)用，而在根系結(jié)構(gòu)形態(tài)的研究中應(yīng)用則很少報(bào)道。華南農(nóng)業(yè)大學(xué)根系生物學(xué)研究中心嘗試通過基于CCD的機(jī)器視覺技術(shù)對(duì)旋轉(zhuǎn)的植物根系進(jìn)行連續(xù)拍攝，并將采集的二維圖像利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行三維重建，取得了較大進(jìn)展，有望對(duì)稀疏根系的三維形態(tài)參數(shù)實(shí)現(xiàn)非接觸測(cè)量。然而，這種技術(shù)也存在兩個(gè)難以克服的弱點(diǎn)，限制了它在根系測(cè)量和研究的應(yīng)用。一是采用這種技術(shù)時(shí)，根系必須離土取樣，這種破壞性的取樣方式必然難以保持根系的原位狀態(tài)—從而使后期測(cè)量的精度失去了實(shí)際意義；二是對(duì)于濃密、細(xì)小的根系，尤其是作物根系，其根系間交錯(cuò)、遮擋現(xiàn)象十分嚴(yán)重—這就給體視視覺測(cè)量技術(shù)提出了致命的難題。

發(fā)明內(nèi)容
(一)要解決的技術(shù)問題本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種植物根系幾何構(gòu)型的原位測(cè)量方法。該方法不僅能夠準(zhǔn)確、無損地獲取并顯示植物根系在不透明介質(zhì)中的生長分布狀態(tài)，而且可以對(duì)植物根系的原位幾何參數(shù)和形態(tài)分布狀況進(jìn)行定量的測(cè)量和分析。
(二)技術(shù)方案為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案本發(fā)明的植物根系幾何構(gòu)型的原位測(cè)量方法，包括如下步驟(1)采用生物醫(yī)學(xué)成像設(shè)備獲取生長在不透明介質(zhì)中植物根系的原位斷層序列圖像；(2)對(duì)步驟(1)中所得的序列圖像進(jìn)行處理和分析得出植物根系的原位空間幾何特征參數(shù)，并基于所述特征參數(shù)構(gòu)建立體幾何模型；(3)根據(jù)步驟(2)的立體幾何模型進(jìn)行三維可視化重建，構(gòu)建根系的三維顯示模型。
(4)利用步驟(3)構(gòu)建的可視化模型為人機(jī)交互接口，對(duì)植物根系指定位置或深度、以及根系整體的構(gòu)型參數(shù)實(shí)施測(cè)量和分析。
其中所述生物醫(yī)學(xué)成像設(shè)備是X線計(jì)算機(jī)斷層掃描設(shè)備或磁共振成像設(shè)備。
本發(fā)明植物根系幾何構(gòu)型的原位測(cè)量方法的優(yōu)點(diǎn)和積極效果在于1.本發(fā)明的方法無需離土取樣，與傳統(tǒng)的取樣技術(shù)方法相比，不僅省去了費(fèi)時(shí)費(fèi)力的人工挖掘、小心翼翼的根土分離過程，而且能夠確保根系的完整性和原位性。這里所謂的完整性是指采用本發(fā)明的技術(shù)方法所得的植物根系不存在損傷和折斷等破壞性問題。而所謂的原位性則是指采用本發(fā)明的技術(shù)方法能夠避免根系取樣過程中出現(xiàn)的移位和變形等現(xiàn)象，從而確保取樣前后根系在介質(zhì)中的空間分布狀態(tài)不會(huì)發(fā)生變化。
2.與現(xiàn)有的破壞性取樣方法相比，本發(fā)明的方法利用XCT、MRI等生物醫(yī)學(xué)成像技術(shù)手段獲取植物根系的原位斷層圖像，屬于非接觸、無損取樣(采集)技術(shù)。因此，本發(fā)明不僅不會(huì)破壞根系的完整性，而且甚至不會(huì)影響根系的正常生長發(fā)育過程。這樣，采用本發(fā)明提供的技術(shù)方法不僅可以獲得更加準(zhǔn)確的原位根系的靜態(tài)幾何構(gòu)型，而且能夠觀測(cè)植物根系在介質(zhì)中生長發(fā)育的動(dòng)態(tài)過程、獲取根系的三維動(dòng)態(tài)幾何構(gòu)型，這是目前所有現(xiàn)有技術(shù)方法都根本難以實(shí)現(xiàn)的。
3.與現(xiàn)有技術(shù)方法相比，采用本發(fā)明的方法對(duì)根系構(gòu)型參數(shù)的測(cè)量不僅是自動(dòng)的，而且是三維的。傳統(tǒng)的根系測(cè)量方法測(cè)量過程完全是人工進(jìn)行的，不僅耗時(shí)費(fèi)力，而且不可避免地會(huì)為測(cè)量結(jié)果帶來人為誤差，影響測(cè)量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。而采用平面掃描和機(jī)器視覺技術(shù)測(cè)得的只是平面(二維)構(gòu)型參數(shù)或局部(表層)幾何參數(shù)。另外，同位素法盡管可以獲得一定三維構(gòu)型參數(shù)，但存在較大的局限性，難以獲得完整、準(zhǔn)確的三維構(gòu)型參數(shù)(如根徑大小、表面積等)，而且存在著較大的輻射危險(xiǎn)。相比之下，本發(fā)明提供的技術(shù)方法則可以自動(dòng)測(cè)得完整的、準(zhǔn)確的原位三維構(gòu)型參數(shù)，這是目前任何現(xiàn)有的技術(shù)方法都難以做的。


圖1本發(fā)明的一種植物根系幾何構(gòu)型的原位測(cè)量方法的流程圖；圖2為采用4排螺旋CT設(shè)備采集到的榕樹苗根系的原位斷層序列圖像；圖3為三維重建生成的榕樹苗根系的原位立體影像。
具體實(shí)施例方式
以下實(shí)施例用于說明本發(fā)明，但不用來限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。
實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的總體方案是首先采用XCT/MRI等生物醫(yī)學(xué)成像技術(shù)手段獲取生長在土壤等介質(zhì)中植物根系的原位斷層圖像，而后利用計(jì)算機(jī)圖像處理技術(shù)對(duì)原位斷層序列圖像進(jìn)行適當(dāng)?shù)慕翟搿⒎指畹瘸绦蛱幚?，并從中提取植物根系空間幾何特征參數(shù)；然后，利用所得的幾何特征參數(shù)借助計(jì)算機(jī)圖形處理技術(shù)實(shí)現(xiàn)植物根系的幾何建模、可視化重建和立體顯示；最后以植物根系的顯示模型為人機(jī)接口平臺(tái)，對(duì)根系進(jìn)行虛擬、交互的測(cè)量和分析，并輸出植物根系指定部位的幾何參數(shù)、特定層次的分布狀態(tài)以及根系整體的幾何參數(shù)和形態(tài)分布狀況。本發(fā)明的總體方案涉及三個(gè)關(guān)節(jié)技術(shù)環(huán)節(jié)，分別是植物根系的原位斷層圖像采集技術(shù)、原位斷層序列圖像處理與分析技術(shù)以及基于根系空間幾何特征的三維可視化重建技術(shù)。
本發(fā)明涉及的植物根系原位斷層圖像采集技術(shù)，是指采用XCT/MRI等現(xiàn)代生物醫(yī)學(xué)成像技術(shù)和設(shè)備獲取生長在不透明介質(zhì)中植物根系的斷層序列圖像的技術(shù)手段。這種手段所指的設(shè)備既包括采用現(xiàn)有的以及正在研制上市的醫(yī)學(xué)成像設(shè)備，如64層或更高精度的螺旋CT設(shè)備、3T或更強(qiáng)的磁共振成像(MRI)設(shè)備，也包括采用XCT或MRI等生物醫(yī)學(xué)成像技術(shù)原理研制的專用設(shè)備。這種手段所指的技術(shù)主要是指適用于生長在特定介質(zhì)中特定根系的斷層成像技術(shù)方案，如MSCT的成像技術(shù)參數(shù)等。
本發(fā)明涉及的原位斷層序列圖像處理與分析技術(shù)，是指適用于根系原位斷層序列圖像的圖像處理與分析算法和程序。這種算法和程序可以是目前已有的適用算法和程序，也可以是根據(jù)根系斷層序列圖像的特點(diǎn)和植物根系的空間幾何特征專門研制的，特別包括基于根系空間幾何特征的圖像分割算法和植物根系空間幾何特征參數(shù)的分析提取算法和程序。這里所指的圖像處理與分析技術(shù)的根本任務(wù)在于提供植物根系的原位空間幾何特征參數(shù)，包括根系的基點(diǎn)位置、分枝節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)、節(jié)點(diǎn)區(qū)域的特征尺寸、分枝方向角等重要參數(shù)。
本發(fā)明涉及的植物根系的三維可視化重建技術(shù)，是指基于植物根系空間幾何特征參數(shù)的立體幾何模型與三維可視化模型的生成算法和程序。這種算法和程序可以是目前已有的適用算法和程序，也可以是根據(jù)植物根系的空間幾何特征參數(shù)重建其幾何模型和顯示模型而專門研制的。這里所指的三維可視化重建技術(shù)的根本任務(wù)在于生成植物根系的空間幾何模型和三維顯示模型，為進(jìn)一步人機(jī)交互測(cè)量分析搭建接口平臺(tái)。
本發(fā)明涉及的植物根系幾何構(gòu)型原位測(cè)量與定量分析系統(tǒng)，是本發(fā)明技術(shù)方法的實(shí)現(xiàn)形式，由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)兩部分構(gòu)成。硬件系統(tǒng)包括原位斷層圖像采集設(shè)備、計(jì)算機(jī)、顯示器、打印機(jī)和圖像數(shù)據(jù)專用存儲(chǔ)設(shè)備等組成部分。軟件系統(tǒng)由圖像采集模塊(與專用圖像采集設(shè)備配套)、圖像處理模塊、三維重建模塊、顯示模塊、測(cè)量分析輸出模塊和系統(tǒng)集成(框架)模塊等程序模塊組成。軟件系統(tǒng)是可以利用上述算法理論研究成果，采用C++或Matlab語言系統(tǒng)開發(fā)而成。整個(gè)系統(tǒng)以計(jì)算機(jī)重建生成的三維原位根系為平臺(tái)，結(jié)合根系形態(tài)學(xué)、生物學(xué)的研究需要，采用人機(jī)交互方式，提取并分析所需的根系三維形態(tài)參數(shù)，并輸出植物根系指定部位的幾何參數(shù)、特定層次的分布狀態(tài)以及根系整體的幾何參數(shù)和形態(tài)分布狀況，并自動(dòng)生成測(cè)量分析結(jié)果。
實(shí)施例1參見圖1。本發(fā)明的植物根系幾何構(gòu)型的原位測(cè)量方法，具體包括如下步驟以榕樹苗為例進(jìn)行說明。
(一)選定盆栽根系樣品，栽植1星期以上，進(jìn)行適當(dāng)?shù)姆庋b處理，確保掃描過程安全、清潔、準(zhǔn)確；(二)進(jìn)行預(yù)備性實(shí)驗(yàn)，確定掃描方案。根據(jù)具體設(shè)備和根系樣品特征，選定掃描參數(shù)。如MSCT的管電壓、管電流、螺距和層厚等技術(shù)參數(shù)。
(三)進(jìn)行根系樣品掃描，將根系樣品縱向放入掃描面床，固定、校準(zhǔn)位置后，經(jīng)過預(yù)掃描空間范圍，按選定的掃描參數(shù)實(shí)施掃描，獲得原位斷層序列圖像，并將該圖像序列存入配套的硬盤備用；如圖2所示，即是利用醫(yī)用4排螺旋CT設(shè)備采集到的生長在有機(jī)質(zhì)中榕樹苗根系的原位斷層序列圖像，分辨率為512×512，灰度等級(jí)為12位，整個(gè)根系樣品共采集到208層圖像。所用掃描方案的主要技術(shù)參數(shù)是，管電壓120kV、管電流90mA、層距1mm、層厚1mm。
(四)對(duì)原位斷層序列圖像進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，處理步驟主要包括圖像降噪、圖像增強(qiáng)、圖像分割和特征提取等技術(shù)環(huán)節(jié)，目的在于改善圖像質(zhì)量、獲取植物根系的幾何特征信息。其中圖像降噪、圖像增強(qiáng)、特征提取等步驟可以采用本領(lǐng)域中現(xiàn)有的技術(shù)實(shí)現(xiàn)，圖像分割是圖像處理與分析的關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)，分割精度的高低直接影響到進(jìn)一步的三維重建質(zhì)量和整個(gè)系統(tǒng)測(cè)量和分析的準(zhǔn)確性。
本發(fā)明中圖像分割的任務(wù)是從原始的斷層序列圖像中準(zhǔn)確地將植物根系所在的區(qū)域分離出來，為進(jìn)一步的特征提取做準(zhǔn)備。本發(fā)明所涉及的原始圖像是一種由計(jì)算機(jī)經(jīng)過投影重建產(chǎn)生的高分辨率、高灰度等級(jí)的植物根系的斷層圖像。植物根系空間幾何特征參數(shù)的分析提取算法的根本任務(wù)在于利用分割后的斷層序列圖像計(jì)算、提取植物根系的原位空間幾何特征參數(shù)，包括根系的基點(diǎn)位置、分枝節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)、節(jié)點(diǎn)區(qū)域的特征尺寸、分枝方向角等重要參數(shù)。
下面著重介紹圖像分割算法。
為了提高根系CT圖像的分割效率，本發(fā)明綜合利用圖像的灰度特征和空間形態(tài)特征提出一種人機(jī)交互式的三維分割方法。其基本思想是首先，根據(jù)根系CT圖像層內(nèi)和層間灰度的一致性或相似性特征，進(jìn)行三維閾值分割，初步分離除去介質(zhì)背景；然后，采用適當(dāng)?shù)臄?shù)學(xué)形態(tài)學(xué)方法，進(jìn)行區(qū)域修整，進(jìn)一步提高分割精度；接著，利用根系CT圖像層間位置和剖面形狀變化的連續(xù)性、整體性特征，去除與根系密度相近的雜質(zhì)像素；最后采用種子填充方法，提取根系區(qū)域，完成3D分割。
其算法流程描述如下1.采用通用閾值判別方法，分析確定MSCT序列圖像中根系區(qū)域的閾值范圍。
常用的閾值判別方法有直方圖分析法、p-參數(shù)法、均勻性度量法類間最大距離法、最大熵法和最大類間/類內(nèi)方差比法等。這里以最大熵法為例，給出閾值判別的算法流程①計(jì)算MSCT序列圖像中所有像素的灰度分布概率pi=NiNa]]>其中，Ni為灰度值為i的像素個(gè)數(shù)，i＝0、1、2、...、L-1；L為圖像的全部灰度等級(jí)，對(duì)12位圖像，L＝4096；Na為序列圖像的像素總數(shù)，即Na＝∑Ni。
②給定一個(gè)初始閾值t，將圖像分為C1和C2兩類；
定義類C1用來描述{0，1，...，t}的灰度分布，類C2用來描述{t+1，t+2，...，L-1}的灰度分布，則它們的概率分布為C1:p0Pt,p1Pt,Λ,ptPt]]>C2:pt+11-Pt,pt+21-Pt,Λ,pL-11-Pt]]>式中，Pt=Σi=0tpi]]>③分別計(jì)算兩個(gè)類的平均相對(duì)熵H(C1)=-Σi=0tpiPtlnpiPt=lnPt+HtPt]]>H(C2)=-Σi=0tpi1-Ptlnpi1-Pt=ln(1-Pt)+HL-1-Ht1-Pt]]>式中，Ht=-Σi=0t(pilnpi),HL-1=-Σi=0L-1(pilnpi)]]>④定義準(zhǔn)則函數(shù)Ψ(t)ψ(t)=H(C1)+H(C2)=lnPt(1-Pt)+HtPt+HL-1-Ht1-Pt]]>⑤求解最優(yōu)閾值τ，使準(zhǔn)則函數(shù)Ψ(t)取得最大值。即，τ=max0<t<L-1-1{ψ(t)}]]>2.三維閾值分割，對(duì)MSCT序列圖像進(jìn)行二值化處理。
F(x,y,z)=0f(x,y,z)<τ1f(x,y,z)>τ]]>3.利用數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)原理，對(duì)三維閾值分割后的二值序列圖像，進(jìn)行開運(yùn)算處理。
設(shè)F為閾值分割后的根系CT序列圖像，E為結(jié)構(gòu)元素；則F相對(duì)于E的開運(yùn)算XoE＝{x∈X，for t∈X-E，x∈Et and Et X}或 XoE＝(XΘE)E
其中，o、Θ、分別是開啟、腐蝕和膨脹運(yùn)算符，Et表示結(jié)構(gòu)元素平移一個(gè)距離t。
4.由基根斷層圖像入手，建立遞推基礎(chǔ)。
①手工確定第L-1層CT圖像的根區(qū)位置。
②計(jì)算頂部L-1、L-2、L-3等m層圖像中基根剖面的區(qū)域位置和區(qū)域面積；③計(jì)算各根心坐標(biāo)和根區(qū)面積的層間變化率，并找出其中的最大值和平均值。
④清除以上各層的非基根區(qū)域，并計(jì)其中的最后一層為第k層即k＝N-m+1。
5.以基根斷層圖像數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，逐層向下推定根系區(qū)域，剔除雜質(zhì)像素。
①令i＝k-1，j＝1。
②根據(jù)前m層根心位置坐標(biāo)利用多項(xiàng)式插值計(jì)算確定第i層圖像中根心預(yù)期位置Pj，并判斷其所對(duì)應(yīng)的像素值是否為0。
③計(jì)算第i層圖像中包含Pj區(qū)域的位置坐標(biāo)和區(qū)域面積，同時(shí)計(jì)算其位置變化率和面積變化率。
④篩選、標(biāo)記第i層圖像中的根區(qū)。
⑤清除第i層的非根系區(qū)域。
⑥如果i＞0，則轉(zhuǎn)③；否則轉(zhuǎn)6。
6.利用種子填充法提取根系區(qū)域，完成序列圖像分割。
經(jīng)上述處理之后獲取根系表面空間坐標(biāo)，從而構(gòu)建出立體幾何模型，生成虛擬根系。
(五)對(duì)虛擬根系進(jìn)行三維可視化重建，構(gòu)建出根系的三維顯示模型。
植物根系的三維可視化重建，是實(shí)現(xiàn)原位觀測(cè)和定量分析其幾何構(gòu)型的重要技術(shù)環(huán)節(jié)。從三維體數(shù)據(jù)中重建三維物體的方法很多，按重建過程處理的基本元素的級(jí)別不同可以分成兩大類體素級(jí)重建方法和切片級(jí)重建方法。當(dāng)原始圖像的分辨率較高時(shí)，體素級(jí)重建更加可靠、有效。為實(shí)現(xiàn)植物根系的三維可視化重建，本發(fā)明提出兩種模型幾何模型和顯示模型。三維幾何模型是根據(jù)植物根系的空間幾何特征參數(shù)重建生成的，主要用于植物根系的定量測(cè)量和分析，有助于顯著提高測(cè)量分析的速度和精度。三維顯示模型，可以采用體素級(jí)重建方法中常用的步進(jìn)立方體(Marching Cubes，MC)技術(shù)首先構(gòu)建植物根系的三維等值面模型，然后結(jié)合光照模型和視角因子而生成。這樣，有助于減少三維圖形重建的的運(yùn)算量、提高三維重建與顯示的速度和質(zhì)量。
MC算法的基本思想是逐個(gè)處理數(shù)據(jù)場(chǎng)中的立方體(體素)，分類出與等值面相交的立方體，采用插值計(jì)算出等值面與立方體邊的交點(diǎn)。根據(jù)立方體每一頂點(diǎn)與等值面的相對(duì)位置，將等值面與立方體邊的交點(diǎn)按一定方式連接生成等值面，作為等值面在該立方體內(nèi)的一個(gè)逼近表示。因而，MC算法中每一單元內(nèi)等值面抽取均需進(jìn)行體素中由三角片逼近的等值面計(jì)算和三角片各頂點(diǎn)法向量計(jì)算。
MC抽取等值面算法的基本流程是1.將三維離散規(guī)則數(shù)據(jù)場(chǎng)分層讀入；2.掃描兩層數(shù)據(jù)，逐個(gè)構(gòu)造體素，每個(gè)體素中的8個(gè)角點(diǎn)取自相鄰的兩層；3.將體素每個(gè)角點(diǎn)的函數(shù)值與給定的等值面值做比較，根據(jù)比較結(jié)果，構(gòu)造該體素的索引表；4.根據(jù)索引表得出將與等值面有交點(diǎn)的邊界體素；5.通過線性插值方法計(jì)算出體素棱邊與等值面的交點(diǎn)；6.利用中心差分方法，求出體素各角點(diǎn)處的法向量，再通過線性插值方法，求出三角面片各頂點(diǎn)處的法向；7.根據(jù)各三角面片各頂點(diǎn)的坐標(biāo)及法向量繪制等值面圖像。
圖3即是本發(fā)明中采用這種三維重建方法生成的榕樹苗根系的原位立體影像顯示。
(六)測(cè)量分析三維幾何模型是根據(jù)植物根系的空間幾何特征參數(shù)重建生成的，主要用于植物根系的定量測(cè)量和分析，有助于顯著提高測(cè)量分析的速度和精度。采用現(xiàn)有的測(cè)量分析系統(tǒng)對(duì)榕樹的虛擬根系進(jìn)行測(cè)量和分析，并輸出測(cè)量和分析結(jié)果，該結(jié)果如果合理，則測(cè)量和分析過程結(jié)束，該結(jié)果如果不合理，則進(jìn)行數(shù)據(jù)修正處理，并返回測(cè)量分析系統(tǒng)，直至合理，則過程結(jié)構(gòu)。
本發(fā)明的植物根系幾何構(gòu)型的原位測(cè)量方法，首先采用XCT、MRI等現(xiàn)代生物醫(yī)學(xué)影像技術(shù)獲取生長在土壤或其它不透明介質(zhì)中植物根系的原始斷層序列圖像；而后利用計(jì)算機(jī)圖形圖像處理技術(shù)，對(duì)原位斷層序列圖像進(jìn)行適當(dāng)?shù)奶幚?、分析和三維重建，能夠在計(jì)算機(jī)上清晰地觀測(cè)到植物根系的原位三維影像，并實(shí)現(xiàn)植物根系幾何構(gòu)型的精確測(cè)量和定量分析。
本發(fā)明的方法從原位取樣的要求出發(fā)，能夠完全準(zhǔn)確地獲取植物根系的原位圖像，無需離土取樣，省去了耗時(shí)費(fèi)力的實(shí)際取樣過程，當(dāng)然也就不會(huì)破壞根系的原位狀態(tài)，甚至根本不影響根系的正常生長。這不僅有利于準(zhǔn)確獲取根系的靜態(tài)(某一時(shí)刻)三維幾何構(gòu)型，也為進(jìn)一步開展基于根系活體的三維動(dòng)態(tài)構(gòu)型的研究提供了技術(shù)支持。從根系觀測(cè)的要求出發(fā)，其測(cè)量過程是在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行的，不僅可以實(shí)現(xiàn)根系三維構(gòu)型的精確、快速的測(cè)量，而且可以隨時(shí)以三維圖形的形式在計(jì)算機(jī)上直觀地重現(xiàn)某一植物根系活體(非模擬模型)在某一時(shí)刻(靜態(tài))或連續(xù)(動(dòng)態(tài))的生長情況。因此，本發(fā)明的技術(shù)方案是能夠精確、快速、原位、無損地實(shí)現(xiàn)根系活體三維靜態(tài)和動(dòng)態(tài)構(gòu)型觀測(cè)的非破壞性方案。
以上為本發(fā)明的最佳實(shí)施方式，依據(jù)本發(fā)明公開的內(nèi)容，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員能夠顯而易見地想到的一些雷同、替代方案，均應(yīng)落入本發(fā)明保護(hù)的范圍。
權(quán)利要求
1.一種植物根系幾何構(gòu)型的原位測(cè)量方法，其特征在于包括如下步驟(1)采用生物醫(yī)學(xué)成像設(shè)備獲取生長在不透明介質(zhì)中植物根系的原位斷層序列圖像；(2)對(duì)步驟(1)中所得的序列圖像進(jìn)行處理和分析得出植物根系的原位空間幾何特征參數(shù)，并基于所述特征參數(shù)構(gòu)建立體幾何模型；(3)根據(jù)步驟(2)的立體幾何模型進(jìn)行三維可視化重建，構(gòu)建根系的三維顯示模型。(4)利用步驟(3)構(gòu)建的可視化模型為人機(jī)交互接口，對(duì)植物根系指定位置或深度、以及根系整體的構(gòu)型參數(shù)實(shí)施測(cè)量和分析。
2.如權(quán)利要求1所述的原位測(cè)量方法，其特征在于所述生物醫(yī)學(xué)成像設(shè)備是X線計(jì)算機(jī)斷層掃描設(shè)備或磁共振成像設(shè)備。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種植物根系幾何構(gòu)型的原位、無損測(cè)量方法。本發(fā)明的一種植物根系幾何構(gòu)型的原位測(cè)量方法包括如下步驟采用生物醫(yī)學(xué)成像設(shè)備獲取生長在不透明介質(zhì)中植物根系的原位斷層序列圖像；對(duì)序列圖像進(jìn)行處理和分析得出植物根系的原位空間幾何特征參數(shù)，并基于所述特征參數(shù)構(gòu)建立體幾何模型；對(duì)立體幾何模型進(jìn)行三維可視化重建，構(gòu)建根系的三維顯示模型。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)和積極效果在于能夠完全準(zhǔn)確、無損地獲取植物根系的原位圖像，無需離土取樣，省去了耗時(shí)費(fèi)力的實(shí)際取樣過程，同時(shí)其測(cè)量、分析過程是在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行的，精度得到大幅度提高。
文檔編號(hào)G01B21/00GK1776357SQ20051012649
公開日2006年5月24日 申請(qǐng)日期2005年12月14日 優(yōu)先權(quán)日2005年12月14日
發(fā)明者羅錫文, 周學(xué)成 申請(qǐng)人:華南農(nóng)業(yè)大學(xué)