植物根系三维矢量模型的构建与分析方法

摘要

根系构型是植物根系生长和分支的结果，它决定了植物吸收和传导水分、养分的能力。不同的根系构型显著影响着植物对养分、水分的吸收利用效率。根系构型分为二维构型（或平面构型）和三维构型（或立体构型）。三维构型是指不同类型的根系在生长介质中的空间分布，包括根系的连接关系（拓扑结构）与空间分布特征。相对于平面构型，三维构型能更准确、更全面地反映植物根系在地下介质空间中的几何形态和分布特征。因此，植物根系三维构型的定量检测和分析近年来逐渐成为国际上根系相关研究的重要方向和研究热点。
　　三维构型定量化研究的主要技术瓶颈在于，土壤等生长介质的阻隔限制了人们对根系的原位直接观测，以及根系本身的复杂性和重叠性构成了对其进行精确测量的难度。目前获取根系原位三维构型的技术方法主要有核磁共振成像（MRI）、X射线层析成像（XCT）和探地雷达成像（GPR）等。华南农业大学农业成像检测技术研究室在国家自然科学基金、国家“863”计划专题项目等多项课题的资助下，相继开展了基于 XCT的植物根系原位成像方法、空间序列图像的处理与分析方法、原位根系的三维可视化以及基于可视化模型的基本构型参数的测量方法等一系列相关研究工作，完成了原位根系计算机层析成像系统和三维可视化系统的构建与开发。为了进一步实现植物根系三维构型参数的原位测量与定量分析，在课题组前期研究成果的基础上，本文重点开展了基于空间序列图像的植物根系三维矢量模型的构建与分析方法研究，旨在研究构建一种便于定量描述原位根系空间几何形态、更适于三维构型参数测量计算与分析的植物根系三维矢量模型，以显著减少三维可视化模型的数据量和测量计算难度，提高三维构型参数的测量精度和效率。本文完成的主要研究工作如下：
　　（1）通过熟悉课题组前期工作和相关文献的阅读与分析，详细了解国内外植物根系三维构型检测技术方法的研究概况。根据对现有植物根系构型参数的计算与分析方法的比较分析，确定了研究工作的总体方案和技术路线。
　　（2）植物根系原位CT序列图像的采集与处理。采用基于平板探测器的计算机层析成像系统获取植物根系样品的CT序列图像；经过中值滤波和区域分割处理，然后将其封装构成三维体数据作为构建植物根系三维矢量模型的原始数据。
　　（3）植物根系三维矢量模型的构建方法。首先，借助重切技术对三维体数据进行重切以获取重切CT图片，根据重切图片中各根截面的质心、面积、等效圆半径和等效圆周长等信息构建初始根结点。在此基础上，根据植物根系的形态特征设计根结点分组算法，确定不同根结点的分支属性，构建不同的根分枝。其次，对上述根分枝结点进行曲线拟合，以固定间隔采样拟合曲线上的点作为新根心点，并在各新根心点处再次重切（切面与拟合曲线垂直且经过新根心点）三维体数据以获取新根截面，根据其面积、等效圆半径以及等效圆周长等信息构建新根结点以取代初始根结点。最后，通过判定各根分枝的连通性构建其拓扑关系。
　　（4）植物根系三维构型参数的计算测量。在三维矢量模型的基础上，设计根数、根长、根夹角、根体积以及根表面积等根系三维构型参数的计算方法。根数等于矢量模型的根分枝数，根长等于根分枝内各相邻根结点间的距离之和，根夹角定义为子根分枝首根结点的法向量与父根分枝相应分叉根结点的法向量之间的夹角。根据植物根系的形态特征，相邻根结点间根段的体积和侧面积可通过将其等效为圆台来计算；根体积等于根分枝内各相邻根结点间根段的体积之和；根表面积则等于根分枝内各相邻根结点间根段的侧面积之和。
　　（5）植物根系三维矢量模型构建与分析系统。在Windows平台上采用C++编程语言，结合跨平台图形用户界面应用程序开发框架 Qt、医学图像分割与配准工具箱ITK（Insight Segmentation and Registration Toolkit）以及三维可视化工具箱VTK（Visualization Toolkit），设计开发了一套植物根系三维矢量模型的构建与分析原型系统，完成了上述矢量模型构建算法的程序设计与调试。
　　（6）原型系统的实验验证与数据分析。采用挖掘法获得植物根系样本，然后测量其根长、根数、根夹角、根体积以及根表面积。将人工测量结果与本文方法的检测结果进行对比分析，验证本文技术方案和系统设计的可行性和实际精度。结果表明，根分枝数误差、根总长误差、根总表面积误差、根总体积误差以及根夹角平均误差分别为4.55％、2.1%、6.26%、1.02%、2.58%。
　　综上，本文基于XCT空间序列图像完成了植物根系三维矢量模型的构建及三维构型参数计算方法的研究，并设计开发了一套用于植物根系三维矢量模型构建与分析的原型系统，实现了对植物根系三维构型基本参数的自动测量与定量分析，有助于进一步提高原位根系三维构型参数的测量精度和效率。

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1 前言

1.1 研究背景和意义

1.2 国内外研究现状

1.3 研究目标、内容和技术路线

2 植物根系CT序列图像采集与处理

2.1 图像采集

2.2 图像处理

2.3 数据封装

2.4 小结

3 植物根系三维矢量模型的构建

3.1 数据结构设计

3.2 算法设计

3.3 小结

4 植物根系三维构型参数计算

4.1 根分枝数

4.2 根长度

4.3 根体积和表面积

4.4 根夹角

4.5 小结

5 原型系统的设计与实现

5.1 编程语言与开发工具

5.2 系统结构

5.3 原型系统主要功能简介

5.4 三维矢量模型构建结果与分析

5.5小结

6 结论

6.1总结

6.2 讨论

致谢

参考文献

附录：攻读学位期间发表的学术论文和专利