CN1776357A

CN1776357A - 一种植物根系几何构型的原位测量方法

Info

Publication number: CN1776357A
Application number: CN 200510126497
Authority: CN
Inventors: 罗锡文; 周学成
Original assignee: South China Agricultural University
Current assignee: South China Agricultural University
Priority date: 2005-12-14
Filing date: 2005-12-14
Publication date: 2006-05-24
Anticipated expiration: 2025-12-14
Also published as: CN100487362C

Abstract

本发明涉及一种植物根系几何构型的原位、无损测量方法。本发明的一种植物根系几何构型的原位测量方法包括如下步骤：采用生物医学成像设备获取生长在不透明介质中植物根系的原位断层序列图像；对序列图像进行处理和分析得出植物根系的原位空间几何特征参数，并基于所述特征参数构建立体几何模型；对立体几何模型进行三维可视化重建，构建根系的三维显示模型。本发明的优点和积极效果在于：能够完全准确、无损地获取植物根系的原位图像，无需离土取样，省去了耗时费力的实际取样过程，同时其测量、分析过程是在计算机上进行的，精度得到大幅度提高。

Description

一种植物根系几何构型的原位测量方法

技术领域

本发明属于自动检测技术领域，特别涉及一种植物根系几何构型的原位、无损测量方法。

背景技术

根系是植物从土壤等介质环境中获取养分和水分的重要器官。植物体吸取养分、水分能力的大小，很大程度上取决于其根系在介质环境中形态分布的情况。因此，早在18世纪人们便开始了对植物根系的系统研究工作。土壤等介质是植物赖依生存的地下环境，它们在给植物根系提供养分、水分的同时，也给根系的原位观察和直接测量设置了难以逾越的屏障。植物根系特殊的生长环境(不透明、不可见)及其复杂的形态结构(相互交错、遮挡)，使得人们对它的测量、研究难度远远大于对植物体地上部分。为了获取植物根系在土壤空间中的形态分布情况，传统的研究方法通常分成两步进行：取样和测量。首先需要解决的问题就是如何完整、准确地进行原位取样。从根系形态研究的需要出发，不仅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断缺；而且，还应保持其在介质环境中的原状不变形、不移位，要求采样工作快速、准确。根系研究中另外一个基础性的、关键性的工作就是对根系的有关参数进行准确的测定。描述根系生长和分布的参数，因不同的研究目的、不同的根构型要求而有所不同，常用的有根长、根数、根表面积、根体积、根径、根毛数、根系强度、根重、根系密度、根夹角、侧根间距等。由于根系复杂、特殊的形态结构，要对它进行准确的参数测定同样是一件难度很大的工作。根系结构分枝繁多，粗细不一，相互遮挡、交叉，柔软易动，且离土后易脱水变形。因此，要对根系进行准确的原位测定其难度之大、繁杂程度之高是可想而知的。

现有的根系观测方法，大体上可以分成两大类：破坏性方法和非破坏性方法。破坏性方法，如钉板法、容器法、气培法、管栽法、网袋法等，往往需要进行破坏性取样，使根系与土壤分离开来；然后进行人工测量，或借助于专用仪器逐项对有关形态参数(多数是平面数据)进行人工辅助测量，整个取样和测量过程既耗时费力、又存在较大误差，很难实现根系的原位取样和准确测量(有移位、有断根和水分逸失等问题)。现有的非破坏性方法，包括同位素示踪法、地下根室及微根室的研究等，尽管不需要破坏性取样，避免了小心翼翼、耗时费力的取样程序，但只能获得一些有限的原位观测数据，难以获得完整、准确的三维形态数据。另外，地下根系研究室耗资很大，且观测过程依然需要较长的时间和大量的人工，同位素法还存在较大的辐射危险性等问题。实际上，缺乏准确、便捷的根系原位观测方法已经构成了根系研究领域的技术瓶颈，使得根系形态结构的研究大大滞后于植物地上部分。

近年来，随着现代科技的快速发展和根系精细研究的迫切需要，高新技术手段逐渐渗透到根系观测研究领域，并取得了一些重要进展。

为了提高根系参数测量的速度和精度、减少人工操作与人为误差，近年来出现了一些基于计算机图像处理技术的自动测量分析方法。首先采用电荷耦合摄像器件(CCD)、X线机(X-RAY)与平面扫描仪等多种采集设备获取根系的二维图像数据，然后在计算机上利用图像处理技术对根系结构形态进行测定与分析，主要用于根系平面构型。本发明的申请人曾主持完成的“数字图像处理技术在根系形态分析中的应用”课题就属于这一技术范畴，该项目基于图像处理技术建立了根系形态参数测定及构型分析系统，实现了根系形态参数快速、准确的测量与分析，为根系二维平面构型的研究提供了一种高效、可靠的工具。目前相关技术成果已逐渐投入实际应用，如澳大利亚ICT公司的DT-SCAN图像分析系统、美国CID公司的CI-400/600图像分析系统以及法国的WinRHIZO图像分析系统等。

计算机图像处理技术的引入，尽管有效地提高了根系测量的速度与精度，并大大减轻了人工测量的工作量、节省了测量时间，但仍然存在着一些不足。一方面，根系的离土采样和测量前的样品准备依然需要大量人工，更为重要的是，这种技术只能测得根系的二维构型数据。为了直接获得取样后根系的三维构型参数，国内外的专家学者做出了多种尝试，大体可分为接触测量技术和非接触测量技术两类情况。

直接接触测量技术是基于机械式、电磁式等接触式三维数字化仪器对取样后的植物根系节点进行逐点测量定位，并测得各节点相应结构参数(如直径等)；然后将各节点坐标和参数人工或自动输入计算机，由计算机对节点数据进行一系列的计算、处理，并分析给出根系的三维构型参数。如法国的F.Danjon，H.Sinoquet，F.Colin andM.Drexhage等人采用一种名为3SPACE Fastrak的三维数字化仪与一种名为AMAPmod植物构型专用软件分别对3个20～28年生的橡树(Quercus Petraea)和30个5年生的松树(Pinus Pinaster)进行了根构型的测量分析。3SPACE Fastrak能对根系的三维空间坐标进行接触式(点击)测量。AMAPmod专用软件则用来分析评定根构型的特征，包括空间位置、根长、体积、分支次序、分支样式等，并能根据测得的数据进行根系3D图像的重建以检查测量误差。该项研究工作首先利用大型挖掘机将树根快速拔起，这显然会导致断根和移位问题，然后主要对2mm以上的结构根(structural root)进行逐点测定分析，平均每棵树需要接触测量的节点数高达757个，最多的一棵橡树节点数超过了1475个。显然接触式三维测量技术的测量过程仍离不开大量的人工参与。

非接触式3D自动测量技术，是以计算机为核心，基于声学、光学、磁学等原理开发的，可快速、精确地采集物体空间坐标，测量过程不需人工辅助。这种技术在植物地上部分的研究中有较多的应用，而在根系结构形态的研究中应用则很少报道。华南农业大学根系生物学研究中心尝试通过基于CCD的机器视觉技术对旋转的植物根系进行连续拍摄，并将采集的二维图像利用计算机进行三维重建，取得了较大进展，有望对稀疏根系的三维形态参数实现非接触测量。然而，这种技术也存在两个难以克服的弱点，限制了它在根系测量和研究的应用。一是采用这种技术时，根系必须离土取样，这种破坏性的取样方式必然难以保持根系的原位状态—从而使后期测量的精度失去了实际意义；二是对于浓密、细小的根系，尤其是作物根系，其根系间交错、遮挡现象十分严重—这就给体视视觉测量技术提出了致命的难题。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种植物根系几何构型的原位测量方法。该方法不仅能够准确、无损地获取并显示植物根系在不透明介质中的生长分布状态，而且可以对植物根系的原位几何参数和形态分布状况进行定量的测量和分析。

(二)技术方案

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

本发明的植物根系几何构型的原位测量方法，包括如下步骤：

(1)采用生物医学成像设备获取生长在不透明介质中植物根系的原位断层序列图像；

(2)对步骤(1)中所得的序列图像进行处理和分析得出植物根系的原位空间几何特征参数，并基于所述特征参数构建立体几何模型；

(3)根据步骤(2)的立体几何模型进行三维可视化重建，构建根系的三维显示模型。

(4)利用步骤(3)构建的可视化模型为人机交互接口，对植物根系指定位置或深度、以及根系整体的构型参数实施测量和分析。

其中所述生物医学成像设备是X线计算机断层扫描设备或磁共振成像设备。

本发明植物根系几何构型的原位测量方法的优点和积极效果在于：

1.本发明的方法无需离土取样，与传统的取样技术方法相比，不仅省去了费时费力的人工挖掘、小心翼翼的根土分离过程，而且能够确保根系的完整性和原位性。这里所谓的完整性是指采用本发明的技术方法所得的植物根系不存在损伤和折断等破坏性问题。而所谓的原位性则是指采用本发明的技术方法能够避免根系取样过程中出现的移位和变形等现象，从而确保取样前后根系在介质中的空间分布状态不会发生变化。

2.与现有的破坏性取样方法相比，本发明的方法利用XCT、MRI等生物医学成像技术手段获取植物根系的原位断层图像，属于非接触、无损取样(采集)技术。因此，本发明不仅不会破坏根系的完整性，而且甚至不会影响根系的正常生长发育过程。这样，采用本发明提供的技术方法不仅可以获得更加准确的原位根系的静态几何构型，而且能够观测植物根系在介质中生长发育的动态过程、获取根系的三维动态几何构型，这是目前所有现有技术方法都根本难以实现的。

3.与现有技术方法相比，采用本发明的方法对根系构型参数的测量不仅是自动的，而且是三维的。传统的根系测量方法测量过程完全是人工进行的，不仅耗时费力，而且不可避免地会为测量结果带来人为误差，影响测量数据的准确性。而采用平面扫描和机器视觉技术测得的只是平面(二维)构型参数或局部(表层)几何参数。另外，同位素法尽管可以获得一定三维构型参数，但存在较大的局限性，难以获得完整、准确的三维构型参数(如根径大小、表面积等)，而且存在着较大的辐射危险。相比之下，本发明提供的技术方法则可以自动测得完整的、准确的原位三维构型参数，这是目前任何现有的技术方法都难以做的。

附图说明

图1本发明的一种植物根系几何构型的原位测量方法的流程图；

图2为采用4排螺旋CT设备采集到的榕树苗根系的原位断层序列图像；

图3为三维重建生成的榕树苗根系的原位立体影像。

具体实施方式

以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的保护范围。

实现本发明的总体方案是：首先采用XCT/MRI等生物医学成像技术手段获取生长在土壤等介质中植物根系的原位断层图像，而后利用计算机图像处理技术对原位断层序列图像进行适当的降噪、分割等程序处理，并从中提取植物根系空间几何特征参数；然后，利用所得的几何特征参数借助计算机图形处理技术实现植物根系的几何建模、可视化重建和立体显示；最后以植物根系的显示模型为人机接口平台，对根系进行虚拟、交互的测量和分析，并输出植物根系指定部位的几何参数、特定层次的分布状态以及根系整体的几何参数和形态分布状况。本发明的总体方案涉及三个关节技术环节，分别是植物根系的原位断层图像采集技术、原位断层序列图像处理与分析技术以及基于根系空间几何特征的三维可视化重建技术。

本发明涉及的植物根系原位断层图像采集技术，是指采用XCT/MRI等现代生物医学成像技术和设备获取生长在不透明介质中植物根系的断层序列图像的技术手段。这种手段所指的设备既包括采用现有的以及正在研制上市的医学成像设备，如64层或更高精度的螺旋CT设备、3T或更强的磁共振成像(MRI)设备，也包括采用XCT或MRI等生物医学成像技术原理研制的专用设备。这种手段所指的技术主要是指适用于生长在特定介质中特定根系的断层成像技术方案，如MSCT的成像技术参数等。

本发明涉及的原位断层序列图像处理与分析技术，是指适用于根系原位断层序列图像的图像处理与分析算法和程序。这种算法和程序可以是目前已有的适用算法和程序，也可以是根据根系断层序列图像的特点和植物根系的空间几何特征专门研制的，特别包括基于根系空间几何特征的图像分割算法和植物根系空间几何特征参数的分析提取算法和程序。这里所指的图像处理与分析技术的根本任务在于提供植物根系的原位空间几何特征参数，包括根系的基点位置、分枝节点坐标、节点区域的特征尺寸、分枝方向角等重要参数。

本发明涉及的植物根系的三维可视化重建技术，是指基于植物根系空间几何特征参数的立体几何模型与三维可视化模型的生成算法和程序。这种算法和程序可以是目前已有的适用算法和程序，也可以是根据植物根系的空间几何特征参数重建其几何模型和显示模型而专门研制的。这里所指的三维可视化重建技术的根本任务在于生成植物根系的空间几何模型和三维显示模型，为进一步人机交互测量分析搭建接口平台。

本发明涉及的植物根系几何构型原位测量与定量分析系统，是本发明技术方法的实现形式，由硬件系统和软件系统两部分构成。硬件系统包括原位断层图像采集设备、计算机、显示器、打印机和图像数据专用存储设备等组成部分。软件系统由图像采集模块(与专用图像采集设备配套)、图像处理模块、三维重建模块、显示模块、测量分析输出模块和系统集成(框架)模块等程序模块组成。软件系统是可以利用上述算法理论研究成果，采用C++或Matlab语言系统开发而成。整个系统以计算机重建生成的三维原位根系为平台，结合根系形态学、生物学的研究需要，采用人机交互方式，提取并分析所需的根系三维形态参数，并输出植物根系指定部位的几何参数、特定层次的分布状态以及根系整体的几何参数和形态分布状况，并自动生成测量分析结果。

实施例1

参见图1。本发明的植物根系几何构型的原位测量方法，具体包括如下步骤：

以榕树苗为例进行说明。

(一)选定盆栽根系样品，栽植1星期以上，进行适当的封装处理，确保扫描过程安全、清洁、准确；

(二)进行预备性实验，确定扫描方案。根据具体设备和根系样品特征，选定扫描参数。如MSCT的管电压、管电流、螺距和层厚等技术参数。

(三)进行根系样品扫描，将根系样品纵向放入扫描面床，固定、校准位置后，经过预扫描空间范围，按选定的扫描参数实施扫描，获得原位断层序列图像，并将该图像序列存入配套的硬盘备用；

如图2所示，即是利用医用4排螺旋CT设备采集到的生长在有机质中榕树苗根系的原位断层序列图像，分辨率为512×512，灰度等级为12位，整个根系样品共采集到208层图像。所用扫描方案的主要技术参数是，管电压120kV、管电流90mA、层距1mm、层厚1mm。

(四)对原位断层序列图像进行数据处理，处理步骤主要包括图像降噪、图像增强、图像分割和特征提取等技术环节，目的在于改善图像质量、获取植物根系的几何特征信息。其中图像降噪、图像增强、特征提取等步骤可以采用本领域中现有的技术实现，图像分割是图像处理与分析的关键技术环节，分割精度的高低直接影响到进一步的三维重建质量和整个系统测量和分析的准确性。

本发明中图像分割的任务是从原始的断层序列图像中准确地将植物根系所在的区域分离出来，为进一步的特征提取做准备。本发明所涉及的原始图像是一种由计算机经过投影重建产生的高分辨率、高灰度等级的植物根系的断层图像。植物根系空间几何特征参数的分析提取算法的根本任务在于利用分割后的断层序列图像计算、提取植物根系的原位空间几何特征参数，包括根系的基点位置、分枝节点坐标、节点区域的特征尺寸、分枝方向角等重要参数。

下面着重介绍图像分割算法。

为了提高根系CT图像的分割效率，本发明综合利用图像的灰度特征和空间形态特征提出一种人机交互式的三维分割方法。其基本思想是：首先，根据根系CT图像层内和层间灰度的一致性或相似性特征，进行三维阈值分割，初步分离除去介质背景；然后，采用适当的数学形态学方法，进行区域修整，进一步提高分割精度；接着，利用根系CT图像层间位置和剖面形状变化的连续性、整体性特征，去除与根系密度相近的杂质像素；最后采用种子填充方法，提取根系区域，完成3D分割。

其算法流程描述如下：

1.采用通用阈值判别方法，分析确定MSCT序列图像中根系区域的阈值范围。

常用的阈值判别方法有直方图分析法、p-参数法、均匀性度量法类间最大距离法、最大熵法和最大类间/类内方差比法等。这里以最大熵法为例，给出阈值判别的算法流程：

①计算MSCT序列图像中所有像素的灰度分布概率

p_{i} = \frac{N_{i}}{N_{a}}

其中，N_i为灰度值为i的像素个数，i＝0、1、2、...、L-1；L为图像的全部灰度等级，对12位图像，L＝4096；N_a为序列图像的像素总数，即N_a＝∑N_i。

②给定一个初始阈值t，将图像分为C₁和C₂两类；

定义类C1用来描述{0，1，...，t}的灰度分布，类C2用来描述{t+1，t+2，...，L-1}的灰度分布，则它们的概率分布为：

C_{1} : \frac{p_{0}}{P_{t}}, \frac{p_{1}}{P_{t}}, Λ, \frac{p_{t}}{P_{t}}

C_{2} : \frac{p_{t + 1}}{1 - P_{t}}, \frac{p_{t + 2}}{1 - P_{t}}, Λ, \frac{p_{L - 1}}{1 - P_{t}}

式中，

P_{t} = Σ_{i = 0}^{t} p_{i}

③分别计算两个类的平均相对熵

H (C_{1}) = - Σ_{i = 0}^{t} \frac{p_{i}}{P_{t}} \ln \frac{p_{i}}{P_{t}} = \ln P_{t} + \frac{H_{t}}{P_{t}}

H (C_{2}) = - Σ_{i = 0}^{t} \frac{p_{i}}{1 - P_{t}} \ln \frac{p_{i}}{1 - P_{t}} = \ln (1 - P_{t}) + \frac{H_{L - 1} - H_{t}}{1 - P_{t}}

式中，

H_{t} = - Σ_{i = 0}^{t} (p_{i} \ln p_{i}), H_{L - 1} = - Σ_{i = 0}^{L - 1} (p_{i} \ln p_{i})

④定义准则函数Ψ(t)

ψ (t) = H (C_{1}) + H (C_{2}) = \ln P_{t} (1 - P_{t}) + \frac{H_{t}}{P_{t}} + \frac{H_{L - 1} - H_{t}}{1 - P_{t}}

⑤求解最优阈值τ，使准则函数Ψ(t)取得最大值。即，

τ = {\max_{0 < t < L - 1}}^{- 1} {ψ (t)}

2.三维阈值分割，对MSCT序列图像进行二值化处理。

F (x, y, z) = \{\begin{matrix} 0 & f (x, y, z) < τ \\ 1 & f (x, y, z) > τ \end{matrix}

3.利用数学形态学原理，对三维阈值分割后的二值序列图像，进行开运算处理。

设F为阈值分割后的根系CT序列图像，E为结构元素；则F相对于E的开运算：

XoE＝{x∈X，for t∈X-E，x∈Et and Et X}

或 XoE＝(XΘE)E

其中，o、Θ、分别是开启、腐蚀和膨胀运算符，Et表示结构元素平移一个距离t。

4.由基根断层图像入手，建立递推基础。

①手工确定第L-1层CT图像的根区位置。

②计算顶部L-1、L-2、L-3等m层图像中基根剖面的区域位置和区域面积；

③计算各根心坐标和根区面积的层间变化率，并找出其中的最大值和平均值。

④清除以上各层的非基根区域，并计其中的最后一层为第k层即k＝N-m+1。

5.以基根断层图像数据为基础，逐层向下推定根系区域，剔除杂质像素。

①令i＝k-1，j＝1。

②根据前m层根心位置坐标利用多项式插值计算确定第i层图像中根心预期位置P_j，并判断其所对应的像素值是否为0。

③计算第i层图像中包含P_j区域的位置坐标和区域面积，同时计算其位置变化率和面积变化率。

④筛选、标记第i层图像中的根区。

⑤清除第i层的非根系区域。

⑥如果i＞0，则转③；否则转6。

6.利用种子填充法提取根系区域，完成序列图像分割。

经上述处理之后获取根系表面空间坐标，从而构建出立体几何模型，生成虚拟根系。

(五)对虚拟根系进行三维可视化重建，构建出根系的三维显示模型。

植物根系的三维可视化重建，是实现原位观测和定量分析其几何构型的重要技术环节。从三维体数据中重建三维物体的方法很多，按重建过程处理的基本元素的级别不同可以分成两大类：体素级重建方法和切片级重建方法。当原始图像的分辨率较高时，体素级重建更加可靠、有效。为实现植物根系的三维可视化重建，本发明提出两种模型：几何模型和显示模型。三维几何模型是根据植物根系的空间几何特征参数重建生成的，主要用于植物根系的定量测量和分析，有助于显著提高测量分析的速度和精度。三维显示模型，可以采用体素级重建方法中常用的步进立方体(Marching Cubes，MC)技术首先构建植物根系的三维等值面模型，然后结合光照模型和视角因子而生成。这样，有助于减少三维图形重建的的运算量、提高三维重建与显示的速度和质量。

MC算法的基本思想是逐个处理数据场中的立方体(体素)，分类出与等值面相交的立方体，采用插值计算出等值面与立方体边的交点。根据立方体每一顶点与等值面的相对位置，将等值面与立方体边的交点按一定方式连接生成等值面，作为等值面在该立方体内的一个逼近表示。因而，MC算法中每一单元内等值面抽取均需进行：体素中由三角片逼近的等值面计算和三角片各顶点法向量计算。

MC抽取等值面算法的基本流程是：

1.将三维离散规则数据场分层读入；

2.扫描两层数据，逐个构造体素，每个体素中的8个角点取自相邻的两层；

3.将体素每个角点的函数值与给定的等值面值做比较，根据比较结果，构造该体素的索引表；

4.根据索引表得出将与等值面有交点的边界体素；

5.通过线性插值方法计算出体素棱边与等值面的交点；

6.利用中心差分方法，求出体素各角点处的法向量，再通过线性插值方法，求出三角面片各顶点处的法向；

7.根据各三角面片各顶点的坐标及法向量绘制等值面图像。

图3即是本发明中采用这种三维重建方法生成的榕树苗根系的原位立体影像显示。

(六)测量分析

三维几何模型是根据植物根系的空间几何特征参数重建生成的，主要用于植物根系的定量测量和分析，有助于显著提高测量分析的速度和精度。采用现有的测量分析系统对榕树的虚拟根系进行测量和分析，并输出测量和分析结果，该结果如果合理，则测量和分析过程结束，该结果如果不合理，则进行数据修正处理，并返回测量分析系统，直至合理，则过程结构。

本发明的植物根系几何构型的原位测量方法，首先采用XCT、MRI等现代生物医学影像技术获取生长在土壤或其它不透明介质中植物根系的原始断层序列图像；而后利用计算机图形图像处理技术，对原位断层序列图像进行适当的处理、分析和三维重建，能够在计算机上清晰地观测到植物根系的原位三维影像，并实现植物根系几何构型的精确测量和定量分析。

本发明的方法从原位取样的要求出发，能够完全准确地获取植物根系的原位图像，无需离土取样，省去了耗时费力的实际取样过程，当然也就不会破坏根系的原位状态，甚至根本不影响根系的正常生长。这不仅有利于准确获取根系的静态(某一时刻)三维几何构型，也为进一步开展基于根系活体的三维动态构型的研究提供了技术支持。从根系观测的要求出发，其测量过程是在计算机上进行的，不仅可以实现根系三维构型的精确、快速的测量，而且可以随时以三维图形的形式在计算机上直观地重现某一植物根系活体(非模拟模型)在某一时刻(静态)或连续(动态)的生长情况。因此，本发明的技术方案是能够精确、快速、原位、无损地实现根系活体三维静态和动态构型观测的非破坏性方案。

以上为本发明的最佳实施方式，依据本发明公开的内容，本领域的普通技术人员能够显而易见地想到的一些雷同、替代方案，均应落入本发明保护的范围。

Claims

1.一种植物根系几何构型的原位测量方法，其特征在于包括如下步骤：

2.如权利要求1所述的原位测量方法，其特征在于所述生物医学成像设备是X线计算机断层扫描设备或磁共振成像设备。