CN116309560B - 一种植物导管水分分布检测方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种植物导管水分分布检测方法及系统，该方法包括：对预先制备的植物茎段扫描样品进行CT扫描，得到CT扫描灰度图像；基于Avizo软件对CT扫描灰度图像进行图像处理，得到灰度值直方图；根据灰度值直方图，确定植物茎段扫描样品充气导管；利用Avizo软件的数据分析工具对充气导管进行结构量化分析，得到量化数据；将上述茎段进行25℃低温干燥6小时后再次进行相同位置扫描得到全部导管的分布并且量化得到数据，通过两次扫描结果对比即得到充水导管的分布状态。本发明通过CT扫描保证了数据精度的同时结合Avizo软件进行导管解译，能够定量分析导管结构及其自然状态下的导水能力。
Description
技术领域
本发明涉及植物水分分析技术领域，特别涉及一种植物导管水分分布检测方法及系统。
背景技术
干旱条件下处于张力下的木质部导管中水分容易形成气泡，堵塞木质部导管形成木质部栓塞。木质部栓塞引起的水力破坏是干旱期间植物死亡的主要机制之一。
目前，评估木质部导管处于充水状态还是充气状态的方法普遍是切片方法和离心方法。切片方法和离心方法在测量过程中对人工制品要求很高, 实验人工制品过程可能会造成空气侵入，给导水导管的测量带来误差，且不能实现直观的观测自然状态下木质部导管导水。
发明内容
本发明实施例提供了一种植物导管水分分布检测方法及系统，其能够确定自然状态下植物导管充气状态与充水状态分布，实现对导管结构与水分分布的三维量化分析。
根据本发明的第一方面，提供了一种植物导管水分分布检测方法。
该植物导管水分分布检测方法包括：
对预先制备的植物茎段扫描样品进行CT扫描，得到CT扫描灰度图像；
基于Avizo软件对所述CT扫描灰度图像进行图像处理，得到灰度值直方图；并根据所述灰度值直方图，确定植物茎段扫描样品的导水导管和充气导管；
利用Avizo软件的数据分析工具对所述充气导管进行结构量化分析，得到量化数据；并将上述茎段进行25℃低温干燥6小时后再次进行相同位置扫描，得到全部导管的分布并且量化得到数据，通过两次扫描结果对比即得到充水导管的分布状态。
另外，预先制备植物茎段扫描样品的步骤包括：在水下状态对植物茎秆进行切割，得到植物扫描茎段；对所述植物扫描茎段进行封口膜密封。
可选的，所述封口膜为parafilm封口膜。
可选的，所述量化数据包括：等效直径数据、水力半径数据、平均体积数据和/或数量密度数据。
此外，所述植物导管水分分布检测方法，还包括：利用Avizo软件的数据分析工具对所述充气导管进行结构量化分析之前，通过体积裁剪工具对CT扫描灰度图像的外围封口膜与韧皮部进行裁剪删除；在分割模块中使用魔棒工具选中充气导管，调整至充气导管对应灰度值，并体积渲染工具对充气导管进行渲染，得到充气导管的三维空间分布数据；基于所述充气导管的三维空间分布数据，利用Arithmetic算法将充气导管的三维空间分布数据进行二值化处理；并根据二值化处理结果，通过分割对象工具对粘连导管进行分割去除。
根据本发明的第二方面，提供了一种植物导管水分分布检测系统。
该植物导管水分分布检测系统包括：
CT扫描单元，用于对预先制备的植物茎段扫描样品进行CT扫描，得到CT扫描灰度图像；
灰度值处理单元，用于基于Avizo软件对所述CT扫描灰度图像进行图像处理，得到灰度值直方图；并根据所述灰度值直方图，确定植物茎段扫描样品的导水导管和充气导管；
水分分析单元，用于利用Avizo软件的数据分析工具对所述充气导管进行结构量化分析，得到量化数据；并将上述茎段进行25℃低温干燥6小时后再次进行相同位置扫描，得到全部导管的分布并且量化得到数据，通过两次扫描结果对比即得到充水导管的分布状态。
另外，所述植物导管水分分布检测系统，还包括：样品制备单元，用于在水下状态对植物茎秆进行切割，得到植物扫描茎段；样品封口单元，对所述植物扫描茎段进行封口膜密封。
可选的，所述封口膜为parafilm封口膜。
可选的，所述量化数据包括：等效直径数据、水力半径数据、平均体积数据和/或数量密度数据。
此外，所述植物导管水分分布检测系统，还包括：裁剪删除处理单元，用于利用Avizo软件的数据分析工具对所述充气导管进行结构量化分析之前，通过体积裁剪工具对CT扫描灰度图像的外围封口膜与韧皮部进行裁剪删除；三维分布渲染单元，用于在分割模块中使用魔棒工具选中充气导管，调整至充气导管对应灰度值，并体积渲染工具对充气导管进行渲染，得到充气导管的三维空间分布数据；粘连导管去除单元，用于基于所述充气导管的三维空间分布数据，利用Arithmetic算法将充气导管的三维空间分布数据进行二值化处理；并根据二值化处理结果，通过分割对象工具对粘连导管进行分割去除。
本发明实施例提供的技术方案可以包括以下有益效果：
本发明通过CT扫描保证了数据精度的同时结合Avizo软件进行导管解译，能够定量分析导管结构及其自然状态下的导水能力。相比于传统方法，能够直观的表示植物吸收水分的自然状态，能够更加精确的对木质部导管结构与导水功能进行定量分析。
附图说明
此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本发明的实施例，并与说明书一起用于解释本发明的原理。
图1是根据一示例性实施例示出的一种植物导管水分分布检测方法的流程示意图；
图2是根据一示例性实施例示出的一种植物导管水分分布检测系统的结构框图；
图3是根据一示例性实施例示出的土壤水分分布解译流程图；
图4是根据一示例性实施例示出的灰度直方图；
图5是根据一示例性实施例示出的木质部导管结构示意图；
图6是根据一示例性实施例示出的木质部栓塞导管示意图；
图7是根据一示例性实施例示出的计算机设备的结构示意图。
具体实施方式
以下描述和附图充分地示出本文的具体实施方案，以使本领域的技术人员能够实践它们。一些实施方案的部分和特征可以被包括在或替换其他实施方案的部分和特征。本文的实施方案的范围包括权利要求书的整个范围，以及权利要求书的所有可获得的等同物。本文中，术语“第一”、“第二”等仅被用来将一个元素与另一个元素区分开来，而不要求或者暗示这些元素之间存在任何实际的关系或者顺序。实际上第一元素也能够被称为第二元素，反之亦然。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的结构、装置或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种结构、装置或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的结构、装置或者设备中还存在另外的相同要素。本文中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
本文中的术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本文和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。在本文的描述中，除非另有规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
本文中，除非另有说明，术语“多个”表示两个或两个以上。
本文中，字符“/”表示前后对象是一种“或”的关系。例如，A/B表示：A或B。
本文中，术语“和/或”是一种描述对象的关联关系，表示可以存在三种关系。例如，A和/或B，表示：A或B，或，A和B这三种关系。
应该理解的是，虽然流程图中的各个步骤按照箭头的指示依次显示，但是这些步骤并不是必然按照箭头指示的顺序依次执行。除非本文中有明确的说明，这些步骤的执行并没有严格的顺序限制，这些步骤可以以其它的顺序执行。而且，图中的至少一部分步骤可以包括多个子步骤或者多个阶段，这些子步骤或者阶段并不必然是在同一时刻执行完成，而是可以在不同的时刻执行，这些子步骤或者阶段的执行顺序也不必然是依次进行，而是可以与其它步骤或者其它步骤的子步骤或者阶段的至少一部分轮流或者交替地执行。
本申请的装置或系统中的各个模块可全部或部分通过软件、硬件及其组合来实现。上述各模块可以硬件形式内嵌于或独立于计算机设备中的处理器中，也可以以软件形式存储于计算机设备中的存储器中，以便于处理器调用执行以上各个模块对应的操作。
在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
图1示出了本发明的一种植物导管水分分布检测方法的一个实施例。
在该可选实施例中，所述植物导管水分分布检测方法，包括：
步骤S101，对预先制备的植物茎段扫描样品进行CT扫描，得到CT扫描灰度图像；
步骤S103，基于Avizo软件对所述CT扫描灰度图像进行图像处理，得到灰度值直方图；并根据所述灰度值直方图，确定植物茎段扫描样品的导水导管和充气导管；
步骤S105，利用Avizo软件的数据分析工具对所述充气导管进行结构量化分析，得到量化数据；并将上述茎段进行25℃低温干燥6小时后再次进行相同位置扫描，得到全部导管的分布并且量化得到数据，通过两次扫描结果对比即得到充水导管的分布状态。
在该可选实施例中，在预先制备植物茎段扫描样品时，在水下状态对植物茎秆进行切割，得到植物扫描茎段；对所述植物扫描茎段进行parafilm封口膜密封。而在获取灰度值直方图时，在Avizo软件的Project（项目管理）界面中Properties（属性）页面Histogram（灰度直方图）中呈现出扫描茎段样品获得的灰度值直方图，灰度值直方图如图4所示。
在该可选实施例中，在利用Avizo软件的数据分析工具对所述充气导管进行结构量化分析，得到量化数据时，数据分析工具为Avizo软件的Label analysis工具，而所述量化数据则包括：等效直径数据、水力半径数据、平均体积数据和/或数量密度数据。
在该可选实施例中，由于导管具有联通性，存在一根导管部分充水，充分充气的现象，以及导管之间可能存在粘连，因此，所述植物导管水分分布检测方法，还包括：利用Avizo软件的数据分析工具对所述充气导管进行结构量化分析之前，通过体积裁剪工具（Volume Edit）对CT扫描灰度图像的外围封口膜与韧皮部进行裁剪删除；在分割模块（Segmentation）中使用魔棒工具选中充气导管，调整至充气导管对应灰度值，并体积渲染工具（Volum Rendering）对充气导管进行渲染，得到充气导管的三维空间分布数据，具体见图5和图6；基于所述充气导管的三维空间分布数据，利用Arithmetic算法将充气导管的三维空间分布数据进行二值化处理；并根据二值化处理结果，通过分割对象工具（SeparateObjects）对粘连导管进行分割去除。
图2示出了本发明的一种植物导管水分分布检测系统的一个实施例。
在该可选实施例中，所述植物导管水分分布检测系统，包括：
CT扫描单元201，用于对预先制备的植物茎段扫描样品进行CT扫描，得到CT扫描灰度图像；
灰度值处理单元203，用于基于Avizo软件对所述CT扫描灰度图像进行图像处理，得到灰度值直方图；并根据所述灰度值直方图，确定植物茎段扫描样品的导水导管和充气导管；
水分分析单元205，用于利用Avizo软件的数据分析工具对所述充气导管进行结构量化分析，得到量化数据；并将上述茎段进行25℃低温干燥6小时后再次进行相同位置扫描，得到全部导管的分布并且量化得到数据，通过两次扫描结果对比即得到充水导管的分布状态。
在该可选实施例中，所述植物导管水分分布检测系统，还包括：样品制备单元（图中未示出），用于在水下状态对植物茎秆进行切割，得到植物扫描茎段；样品封口单元（图中未示出），对所述植物扫描茎段进行parafilm封口膜密封。
在该可选实施例中，所述量化数据包括：等效直径数据、水力半径数据、平均体积数据和/或数量密度数据。
在该可选实施例中，由于导管具有联通性，存在一根导管部分充水，充分充气的现象，以及导管之间可能存在粘连，因此，所述植物导管水分分布检测系统，还包括：裁剪删除处理单元（图中未示出），用于利用Avizo软件的数据分析工具对所述充气导管进行结构量化分析之前，通过体积裁剪工具对CT扫描灰度图像的外围封口膜与韧皮部进行裁剪删除；三维分布渲染单元（图中未示出），用于在分割模块中使用魔棒工具选中充气导管，调整至充气导管对应灰度值，并体积渲染工具对充气导管进行渲染，得到充气导管的三维空间分布数据；粘连导管去除单元（图中未示出），用于基于所述充气导管的三维空间分布数据，利用Arithmetic算法将充气导管的三维空间分布数据进行二值化处理；并根据二值化处理结果，通过分割对象工具对粘连导管进行分割去除。
在一个实施例中，提供了一种计算机设备，该计算机设备可以是服务器，其内部结构图可以如图7所示。该计算机设备包括通过系统总线连接的处理器、存储器和网络接口。其中，该计算机设备的处理器用于提供计算和控制能力。该计算机设备的存储器包括非易失性存储介质、内存储器。该非易失性存储介质存储有操作系统、计算机程序和数据库。该内存储器为非易失性存储介质中的操作系统和计算机程序的运行提供环境。该计算机设备的数据库用于存储静态信息和动态信息数据。该计算机设备的网络接口用于与外部的终端通过网络连接通信。该计算机程序被处理器执行时以实现上述方法实施例中的步骤。
本领域技术人员可以理解，图7中示出的结构，仅仅是与本发明方案相关的部分结构的框图，并不构成对本发明方案所应用于其上的计算机设备的限定，具体的计算机设备可以包括比图中所示更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者具有不同的部件布置。
在一个实施例中，还提供了一种计算机设备，包括存储器和处理器，存储器中存储有计算机程序，该处理器执行计算机程序时实现上述方法实施例中的步骤。
在一个实施例中，提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现上述方法实施例中的步骤。
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的计算机程序可存储于一非易失性计算机可读取存储介质中，该计算机程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，本发明所提供的各实施例中所使用的对存储器、存储、数据库或其它介质的任何引用，均可包括非易失性和易失性存储器中的至少一种。非易失性存储器可包括只读存储器（Read-Only Memory，ROM）、磁带、软盘、闪存或光存储器等。易失性存储器可包括随机存取存储器（Random Access Memory，RAM）或外部高速缓冲存储器。作为说明而非局限，RAM可以是多种形式，比如静态随机存取存储器（Static Random Access Memory，SRAM）或动态随机存取存储器（Dynamic Random Access Memory，DRAM）等。
本发明并不局限于上面已经描述并在附图中示出的结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本发明的范围仅由所附的权利要求来限制。
Claims (10)
1.一种植物导管水分分布检测方法，其特征在于，包括：
对预先制备的植物茎段扫描样品进行CT扫描，得到CT扫描灰度图像；
基于Avizo软件对所述CT扫描灰度图像进行图像处理，得到灰度值直方图；并根据所述灰度值直方图，确定植物茎段扫描样品的导水导管和充气导管；
利用Avizo软件的数据分析工具对所述充气导管进行导管结构及水分分布量化分析，得到量化数据；并将上述茎段进行25℃低温干燥6小时后再次进行相同位置扫描，得到全部导管的分布并且量化得到数据，通过两次扫描结果对比即得到充水导管的分布状态；所述量化数据包括：等效直径数据、水力半径数据、平均体积数据和/或数量密度数据。
2.根据权利要求1所述的植物导管水分分布检测方法，其特征在于，预先制备植物茎段扫描样品的步骤包括：
在水下状态对植物茎秆进行切割，得到植物扫描茎段；
对所述植物扫描茎段进行封口膜密封。
3.根据权利要求2所述的植物导管水分分布检测方法，其特征在于，所述封口膜为parafilm封口膜。
4.根据权利要求1所述的植物导管水分分布检测方法，其特征在于，所述量化数据包括：
等效直径数据、水力半径数据、平均体积数据和/或数量密度数据。
5.根据权利要求2所述的植物导管水分分布检测方法，其特征在于，还包括：
利用Avizo软件的数据分析工具对所述充气导管进行结构量化分析之前，通过体积裁剪工具对CT扫描灰度图像的外围封口膜与韧皮部进行裁剪删除；
在分割模块中使用魔棒工具选中充气导管，调整至充气导管对应灰度值，并体积渲染工具对充气导管进行渲染，得到充气导管的三维空间分布数据；
基于所述充气导管的三维空间分布数据，利用Arithmetic算法将充气导管的三维空间分布数据进行二值化处理；并根据二值化处理结果，通过分割对象工具对粘连导管进行分割去除。
6.一种植物导管水分分布检测系统，其特征在于，包括：
CT扫描单元，用于对预先制备的植物茎段扫描样品进行CT扫描，得到CT扫描灰度图像；
灰度值处理单元，用于基于Avizo软件对所述CT扫描灰度图像进行图像处理，得到灰度值直方图；并根据所述灰度值直方图，确定植物茎段扫描样品的导水导管和充气导管；
水分分析单元，用于利用Avizo软件的数据分析工具对所述充气导管进行导管结构及水分分布量化分析，得到量化数据；并将上述茎段进行25℃低温干燥6小时后再次进行相同位置扫描，得到全部导管的分布并且量化得到数据，通过两次扫描结果对比即得到充水导管的分布状态；所述量化数据包括：等效直径数据、水力半径数据、平均体积数据和/或数量密度数据。
7.根据权利要求6所述的植物导管水分分布检测系统，其特征在于，还包括：
样品制备单元，用于在水下状态对植物茎秆进行切割，得到植物扫描茎段；
样品封口单元，对所述植物扫描茎段进行封口膜密封。
8.根据权利要求7所述的植物导管水分分布检测系统，其特征在于，所述封口膜为parafilm封口膜。
9.根据权利要求6所述的植物导管水分分布检测系统，其特征在于，所述量化数据包括：
等效直径数据、水力半径数据、平均体积数据和/或数量密度数据。
10.根据权利要求7所述的植物导管水分分布检测系统，其特征在于，还包括：
裁剪删除处理单元，用于利用Avizo软件的数据分析工具对所述充气导管进行结构量化分析之前，通过体积裁剪工具对CT扫描灰度图像的外围封口膜与韧皮部进行裁剪删除；
三维分布渲染单元，用于在分割模块中使用魔棒工具选中充气导管，调整至充气导管对应灰度值，并体积渲染工具对充气导管进行渲染，得到充气导管的三维空间分布数据；
粘连导管去除单元，用于基于所述充气导管的三维空间分布数据，利用Arithmetic算法将充气导管的三维空间分布数据进行二值化处理；并根据二值化处理结果，通过分割对象工具对粘连导管进行分割去除。
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| CN202310551861.8A CN116309560B (zh) | 2023-05-17 | 2023-05-17 | 一种植物导管水分分布检测方法及系统 |
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| CN116309560A CN116309560A (zh) | 2023-06-23 |
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Citations (4)
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|---|---|---|---|---|
| CN106556614A (zh) * | 2016-10-12 | 2017-04-05 | 北京师范大学 | 一种基于ct扫描技术量化根系空间网络结构的方法 |
| JP2017083425A (ja) * | 2016-07-19 | 2017-05-18 | パナソニックＩｐマネジメント株式会社 | 植物水分量評価装置及び植物水分量評価方法 |
| CN112683935A (zh) * | 2020-12-09 | 2021-04-20 | 山东大学 | 适用于ct扫描的植物根系吸水过程试验装置及方法 |
| CN115791292A (zh) * | 2022-12-03 | 2023-03-14 | 四川大学 | 一种基于水势的植物枝条导管水分提取装置及其使用方法 |
-
2023
- 2023-05-17 CN CN202310551861.8A patent/CN116309560B/zh active Active
Patent Citations (4)
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| CN112683935A (zh) * | 2020-12-09 | 2021-04-20 | 山东大学 | 适用于ct扫描的植物根系吸水过程试验装置及方法 |
| CN115791292A (zh) * | 2022-12-03 | 2023-03-14 | 四川大学 | 一种基于水势的植物枝条导管水分提取装置及其使用方法 |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 《土壤中植物根系的层析成像检测试验》;张常玲,周学成,李骈臻,等;《光学应用》;全文 * |
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| Publication number | Publication date |
|---|---|
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