基于XCT序列图像的植物根系三维矢量模型构建方法-江苏农业科学.PDF

江苏农业科学　２０１７年第４５卷第１４期 — １７９— 李一海，周学成，陈富强．基于ＸＣＴ序列图像的植物根系三维矢量模型构建方法［Ｊ］．江苏农业科学，２０１７，４５（１４）：１７９－１８４． ｄｏｉ：１０．１５８８９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００２－１３０２．２０１７．１４．０５０ 基于ＸＣＴ序列图像的植物根系三维矢量模型构建方法 １ １，２ １ 李一海 ，周学成 ，陈富强 （１．华南农业大学工程学院，广东广州５１０６４２；２．华南农业大学南方农业机械与装备关键技术教育部重点实验室，广东广州５１０６４２） 　　摘要：为实现植物根系三维构型参数的原位、无损、准确、快速和自动化测量，提出一种基于Ｘ射线计算机断层摄 影术（Ｘ－ｒａｙｃｏｍｐｕｔｅｄｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ，简称ＸＣＴ）序列图像的植物根系三维矢量模型构建方法。首先，根据根系的形态特 征设计了根结点、根分枝、根系统３个基本结构；其次，对植物根系三维体数据（ＸＣＴ序列图像）重切以提取根截面，并 根据根截面质心和面积构建初始根结点，继而对根结点分组以构建初始根分枝，再通过重构根结点、重获根结点面积 和根分枝关系判定构建完整的根系统（矢量模型）；再次，基于矢量模型设计根数、根长度、根体积、根表面积以及根夹 角的计算方法；最后，在Ｗｉｎｄｏｗｓ平台上利用图形用户界面开发工具Ｑｔ、可视化工具包ＶＴＫ和医学图像分割与配准工 具包ＩＴＫ实现上述结构和算法，并将上述参数的计算结果与手工测量值进行对比，验证所提出方法的可行性与准确性。 　　关键词：植物根系；ＸＣＴ；矢量模型；三维构型 　　中图分类号：ＴＰ３９１　　文献标志码：Ａ　　文章编号：１００２－１３０２（２０１７）１４－０１７９－０５ 　　根系是植物赖以吸收养分、水分的重要器官，其构型描述 型参数的原位、无损、准确、自动和快速测量提供一个全新的 了根系在土壤空间中的分布性状，对植物的吸收能力有着决 工具，对植物根系的定量研究具有重要意义。 定性的影响。根系构型的检测与分析方法一直是植物表型检 １　植物根系三维矢量模型构建的基本原理 测的重要研究内容，而三维原位构型的自动检测和分析方法 是该领域目前亟待解决的一个技术瓶颈。因此，对植物根系 首先，用 １６０ｋＶＸＣＴ系统采集根系样本断层序列图像， 三维构型参数进行原位、无损、准确、自动和快速地测量具有 然后对其进行滤波和分割；其次，将已分割的序列图像读进计 ［１３］ 重要的意义。挖掘法、钉板法、土钻法以及土柱法等传统根系 算机内存，组成三维体数据，对其重切以提取重切片 ，根据 研究方法均无法满足要求，而借助Ｘ射线计算机断层摄影术 重切片中各根截面的质心和面积构建初始根结点，并根据根 （Ｘ－ｒａｙｃｏｍｐｕｔｅｄｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ，简称 ＸＣＴ）技术则有望实现上 系的形态特征设计算法对上述根结点分组以构建根分枝；再 ［１］ 述目标 。ＸＣＴ技术被应用于植物根系研究已有３０多年历 次，对各根分枝进行曲线拟合，以固定间隔采样拟合曲线上的 史［２－３］，但由于成像分辨率低等因素的限制，过去大多数研究 点作为新根心点，并在各新根心点处再次重切（切面与拟合 都偏向图像分割与可视化方面［４－６］，虽然曾有研究人员基于 曲线垂直且经过新根心点）三维体数据以获取新根截面，根 ［７］ ＸＣＴ技术测量植物根系构型参数，但效果并不理想 。随着 据新根截面的面积、等效圆半径以及等效圆周长等信息构建 ＸＣＴ技术的发展，其成像分辨率已大大提高，用其对植物根 新根结点以