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层切压实土壤中绿豆根系的图像处理 ※ 肖潇，戈振扬 ，于英杰，易怀锋，盛庆伟，李立成 （昆明理工大学现代农业工程学院，昆明650500） 摘 要：对植物根系生长及根构型进行三维模拟仿真的重要基础是要准确地获取根系生长过程中的根构型参数。但因生长在土壤中 的根系难于观测，探索获取根构型参数的有效方法一直是相关研究的难点。本文根据绿豆在不同压实土壤中根系生长情况假设，设计 了一种层切法对土壤中的绿豆根系进行层切，用数码照相机采集根土断层图像，并通过图像处理识别根土断层中的根系，获得根系的 坐标。在栽培绿豆容器中，在垂直方向每隔一定距离切割根土样本，采集切割断面图像。对获取的系列根土断面图像，采用在MATLAB 中的图像处理程序，对绿豆根土断面图像分别进行灰度变换、噪声滤波、二值化和阈值分割等处理，得到绿豆根系在根土断面上的位 置坐标。由于土壤压实会影响绿豆的根构型，从采集得到的不同压实土壤中根土断面图像中分割根系较为困难，本文采用不同阈值分 割消除了样本图像中土壤对根系的灰度干扰，获得了根系的分布。并根据根系的拓扑规则，对绿豆根系进行几何重建。 关键词：层切法；根土断层图像；MATLAB 图像处理 中图分类号： 3 3 3 0.8g/cm ，1.3 g/cm 和1.7 g/cm 三组不同压实度的根土 0 引 言 [2] 为研究对象，每组选取三个实验样本 。由于土壤压实 随着虚拟植物研究的逐步深入，植物的几何形态的 度不同，其植株生长的快慢也有很大的差别。实验发现， 提取和仿真正成为国内外研究的重点课题。特别是植物 容重为0.8g/cm3 的绿豆植株两天后先长出幼苗，容重为 3 3 根系分布繁杂，分根很多，而且其生长的随机性，在土 1.3g/cm 五天后长出幼苗，而容重为1.7 g/cm 则不会长 壤中难以获得其原始的形态特征。为了获得植物根系在 出幼苗。因为土壤在层切时会散掉，待幼苗长出后，保 土壤中的真实分布，现在有许多方法对植物根系进行观 持土壤中足够的水分，将其放入零下18 摄氏度的冰箱冷 测，如传统的钉板法、容器法、玻璃壁与玻璃管法、同 冻室里，冷冻24 小时后拿出来层切，并用数码照相机获 [1] 位素测定法、多孔膜技术以及根室等 。这些方法难以 取层切后的图像。 保持根系的完整以及获得根系在土壤中的原始形态或者 难以得到完整、准确的数据。目前国内外较为先进的是 利用CT 进行断层扫描技术，此技术可以能够准确提取 土壤中根系的形态特征，但存在着设备价格昂贵、实验 室难以实现等问题。本文根据CT 断层扫描技术的原理， 探讨采用物理层切方法，对在压实土壤中的植物根系进 行分层切割，获取根土断层图像，并对根土断层图像进 行处理，得到根系在土壤切片中的坐标点，为分析各断 3 层切片根轴的连通性奠定了基础，也为根系的几何重建 (a)容重为1.3 g/cm 冷冻后的幼苗 提供了一种新的思路。 1 层切压实土壤的图像获取 本文采用市场上常有的绿豆（Vigna radiata）作为 研究对象，先将其浸泡12 小时，待其发芽后分别种植于 纸杯中土壤的同一深度。分别选取容重分别为