水稻根系三维建模及可视化方法研究进展

摘要

根系是水稻获取养分的主要器官,水稻根系三维建模及可视化有助于进一步了解其根系的形态、结构和功能.随着计算机视觉和非侵入性技术的不断发展,根系形态和功能研究已进入数字化和可视化的阶段.近年来许多研究者分别从制作出土根系手绘图、计算机断层扫描(CT)等非侵入性技术、数学建模以及仿真模拟等方面推进水稻根系三维建模及可视化的研究.根系数据的获取是三维建模的有效前提,根据是否破坏根系原有生长环境,根系数据探测被分为破坏性探测和原位探测两类,本文对比分析了两种探测方式的方法和特点.从人工观察测量、机器视觉、光学仪器或断层扫描的三维数字化等方面对水稻根系的三维建模进行了阐述,总结了水稻根系三维建模及可视化的研究进展,并对当下主流三维重构技术进行分类和对比,总结了不同根系三维重构方法在重建效果、成本、操作水平等方面的优劣势.此外,由于根系生长在复杂多变的土壤环境中,不同时期根系的生长发育受土壤紧实度,水分、养分分布等因素的影响而存在差异,且受限于土壤的不透明和不稳定性,更多水稻根系的三维建模研究主要停留在根系基本指标与非环境因素(如土层深度、时间)的统计拟合及单环境因子对水稻根系生理生态的影响上,而根系与多环境因子动态交互方面的研究较少.在高度非结构化的根系数据处理困难的情况下,探究水稻根系与环境的动态转化过程及根系生长与多环境因子的定量关系模型将成为未来根系三维建模研究的重要方向,为构建更具真实意义的可视化模型提供基础.