植物根系分支过渡区段中心线的校正方法

摘要

如何原位、无损、自动地测量土壤介质中植物根系的三维表型参数，明确植物体基因型和表型信息相关性，改善植物吸收水分和养分的能力，理解其与周围环境的关系，一直是包括根系生物学在内相关领域的学者致力研究的课题。随着X射线成像技术的发展，研究人员尝试通过X射线计算机层析成像（X-ray Computed Tomography, 简称XCT）技术对生长土壤等介质中的根系进行原位检测。在这一技术方案中，三维矢量模型构建是从分割后的根区序列图像和三维根系模型中提取植物根系表型参数的关键环节，是实现三维根系表型参数测算和分析的重要基础。　　根系三维矢量模型的构建，首先是从准确获取三维根系的中心线或曲线骨架开始的。根系中心线或曲线骨架的获取，因数据基础的不同可以分成两种类型：基于横截面的提取方法和基于三维模型（包括实体模型、表面模型和点云模型等）的提取方法。基于横截面的提取方法，首先从原位根系CT序列图像中分割得到各层的根系断面区域数据，然后计算各区域的质心作为根心点，并将各根心点根据连通拓扑关系连接形成根系中心线。这种方法对于单支根系或独立分支根系中心线的提取，具有算法原理简单、提取骨架的中心性好、易于实现、算法复杂度低、运行效率高等优点。但是，对于根系的分支过渡区段，这种方法在算法原理上却存在着致命的缺陷，将导致根系中心线的提取出现“融合”和“断裂”两种错误。融合和断裂错误不仅导致了分支过渡区段中根系中心线拓扑关系的错误和位置偏差，而且也直接带来了分支点的定位和分支拓扑关系的错误。　　为此，在充分利用横截面法提取根系中心线优势的基础上，针对其在提取根系分支过渡区段中心线上存在的原理性缺陷或错误，本文从根系分支过渡区段的准确定位开始，就如何避免中心线的融合错误、如何恢复其拓扑关系等问题开展了相关研究，并提出了基于凹点检测的过渡区根系断面分离方法和基于三次曲线插值的过渡区根系中心线重建方法，对横截面法产生的融合和断裂错误进行了校正，以确保后续三维矢量模型构建的正确性和准确性。本文完成的主要工作如下：　　（1）研究目标和技术方案的确定。通过对课题组前期工作的了解和大量的文献阅读分析，详细了解到国内外有关三维骨架和中心线提取方法的研究概况和存在的问题，明确将基于横截面法的根系分支过渡区段中心线的校正作为本文的研究目标，并提出了研究工作的总体方案和技术路线。　　（2）根系分支过渡区段的定位方法。通过分析不同根段中根系区域的变化特征，提出了利用根区的剩余凸包像素点个数和圆度值变化特征为约束条件，确定了分支过渡根段的定位规则，并设计了相应的定位算法，实现了根系分支过渡区段的定位。　　（3）基于凹点检测的过渡区段中根系区域的分离方法。在分支过渡根段内，针对CT序列图像中的根系截面区域及其轮廓变化特征，提出了通过凹点检测实现过渡区段内根系截面区域的分离方法。首先计算根系各区域的凸包，并标记凸包点之间对应的根区轮廓点，计算根区轮廓点到凸包边缘的距离，将距离最远的根区轮廓点作为根系截面轮廓中的凹点。然后，将凹点间的连线作为根系截面区域分离的界线，实现过渡区段中根系截面区域的分离。最后，分别计算分离后各自区域的质心点作为新的分支根心点，进而实现对分支过渡根段中心线的校正。　　（4）定位插值曲线方法的中线校正。在定位出分支过渡根段内的CT序列图像后构建骨架点云模型，将骨架点分成三部分：分支过渡根段外、分支过渡根段内圆度小于阈值和圆度大于阈值三部分；对比位于分支过渡根段外中主根中最后一个骨架点所在层数，与分支过渡根段内圆度小于阈值的第一个骨架点所在层数大小，以确定分支起始点；将分支起始点分别与分支过渡根段外的骨架点进行三次插值，补充分支过渡根段内的骨架点作为新分支上的点，以实现中心线的校正。　　（5）实现分支过渡根段的骨架线校正算法并做验证。在Windows系统上使用Visual Studio 2013编辑器，用C++编程语言，图像图形分析库VTK、OPENCV，实现了上述所提出的关键算法，并用该算法对测试根和模拟根进行测试以验证两种中线校正算法的效果。同时通过本文算法、重切法以及手工测量计算根夹角，对比分析进而验证定位算法的准确性。本文算法、手工测量分支过渡内根长，对比分析进而验证中线校正算法的实用性。　　综上所述，本文利用X射线成像、计算机图像和计算机图形学等科学技术，对基于CT序列图像构建的骨架模型中，分支过渡段骨架点的拓扑关系改善方法做重点研究，并对该过渡根段的中线进行校正，以获得符合植物生长特征的骨架中线模型，用以构建精确的矢量模型进行根系表型参数测量。

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1前言

1.1研究背景和意义

1.2国内外相关研究现状

1.2.1原位无损根系检测相关研究现状

1.2.2三维模型的骨架研究现状

1.2.3构建根系骨架相关研究现状

1.2.4课题的提出

1.3研究目标、内容和技术路线

1.3.1研究目标

1.3.2研究内容

1.3.3 技术路线

2.1引言

2.2样本根系CT序列图像

2.2.1非分支过渡根段CT图像

2.2.2分支过渡根段CT图像

2.3根系CT序列图像轮廓特征

2.3.1圆度值统计

2.3.2面积变化统计

2.3.3剩余凸包像素点数统计

2.4分支过渡根段定位算法的设计

2.5实验分析与讨论

2.6小结

3.1引言

3.2区域分离中线校正算法的设计

3.2.1凹点检测区域分离

3.2.2构建根系骨架点云模型

3.2.3构建骨架中线

3.3实验分析与讨论

3.4小结

4.1引言

4.2曲线插值中线校正算法的设计与描述

4.2.1构建根系骨架点云模型

4.2.2定位分支过渡段起始点

4.2.3三次参数方程插值曲线

4.3实验分析与讨论

4.4小结

5结果与分析

5.1本文算法验证

5.2重切法校正分支过渡段中线

5.3其他方法构建根系骨架模型

5.3.1基于体素模型的骨架提取

5.3.2基于表面网格模型的骨架提取

5.3.3基于点云模型的骨架提取

5.4小结

6.1总结

6.2展望

致 谢

参 考 文 献

附录：攻读学位期间发表的学术论文和专利