植物根系三维模型中心线提取方法

摘要

根系是植物生长的重要器官，不同的生长构型对水分及养分的吸收效率有着重要的影响。植物根系原位构型是指根系在土壤等介质中的空间形状和分布状态，一般包括二维和三维构型。为了准确获取生长在土壤介质中植物根系的三维构型参数，国内外不少学者尝试将X射线计算机层析成像（XCT）技术应用于根系的原位构型检测。首先，采用XCT设备获取生长在土壤介质中原位根系断层图像，然后从CT序列图像中分割出根系区域，并重建出根系三维模型，包括实体模型及表面模型等。为了最终获得植物根系三维构型或表型参数，需要进一步对根系的三维模型进行矢量化处理，构建植物根系的三维矢量模型，达到降低根系模型的存储容量、简化参数计算、提高计算精度的目的。在这一过程中，根系中心线的准确提取是三维模型矢量化的关键。　　三维模型的中心线，也称为曲线骨架，提供了一个可以有效、紧凑地表示目标的方法，是计算机视觉和计算机图形学等技术领域的重要研究内容，可用于对物体的描述、匹配、识别等方面，具有广泛的应用价值。与此同时，中心线和骨架的提取，尤其三维中心线的提取，也是一个具有重大挑战性的研究领域。尽管人们已经针对不同的研究对象、不同的研究目的提出了很多方法，但迄今为止依然缺乏通用性算法，且不同的方法提取的骨架或中心线在中心性、连续性等诸多特性上的表现也各不相同。为此，针对三维根系构型定量测量对中心线的中心性、连续性等特性的基本要求，有必要探索一种适用于三维根系模型的中心线提取方法，进而实现对原位根系三维构型参数的精确测量，这无疑具有重要的理论价值和实际意义。本文完成的主要工作包括：　　（1）中心线提取算法分析。通过文献阅读分析，了解了中心线提取方法的国内外研究现状。对三种模型类型，分类归纳适用各类模型类型的中心线提取方法并进行比较分析与测试。实验结果表明，网格收缩类的中心线提取算法对于根系模型具有较好的适用性。　　（2）基于网格收缩的根系中心线提取算法研究。1）根系三维模型的预处理。对根系三维图像进行三维空间的滤波和膨胀处理以减少模型中的断裂和噪声问题，之后为重建的表面网格模型进行网格简化处理，以减少冗余数据；2）通过网格收缩获取中心线。对网格模型构建余切拉普拉斯算子，通过迭代求解收缩方程实现网格收缩。迭代终止后得到近似一维曲线的网格模型。其后通过移除不必要的网格边界，得到一维根系中心线；3）中心线后处理。针对收缩过程造成的中心线偏移问题，引入中心化等步骤进行解决。对中心化后的中心线构建拓扑关系并进行样条曲线拟合，从而得到具有拓扑关系的、平滑的根系中心线。　　（3）改进算法的测试与分析。对算法进行实现，并对不同根系进行中心线提取实验，与已有的中心线提取方法进行了对比分析。同时对根系分支夹角、长度参数进行计算，并与人工测量结果进行了对比分析。结果表明，本文方法无需繁琐的参数调整过程，对不同形态根系模型具有较好的适用性、鲁棒性，同时参数测量结果证明了本文方法得到的中心线用于根系构型参数测量的准确性。　　（4）植物根系三维中心线提取系统的开发。使用C++编程语言，结合VTK及Qt等程序库，采取面向对象的思想进行系统开发。实现包括所提出的中心线提取算法、根系模型重建、可视化等一系列功能。

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