基于核磁共振成像技术的作物根系原位无损检测研究

【摘要】植物生长信息的获取和生长状况诊断是实施精准农业技术的一个重要环节。根系是植物在生命进化过程中适应陆地生活而逐步形成的一个重要器官,植物对水分和养分的吸收利用能力与根系在土壤中的空间分布状况密切相关。根系的空间分布状况显著影响植物对水分养分的吸收利用效率、碳源分配及植物自身适应环境胁迫等其他重要生理功能。此外,根系也表现出一定的塑性,土壤资源异质等外部环境条件可以对根系形态分布产生影响。因此,弄清根系与周围生长介质土壤之间的相互作用规律也就显得尤为重要。然而,土壤介质的非透明性以及植物根系统自身形态结构的复杂性使得根系研究十分困难,远不能满足现代根系生物学的研究需求。本论文以玉米作为主要研究对象,应用核磁共振成像、数字图像处理技术和计算机图形学技术,建立了一套玉米根系形态构型信息的识别获取方法,包括根系核磁共振试验最佳条件的建立,根系模型的三维交互式测量及其形态构型参数的定量分析,完成了多梯度氮、磷胁迫下根系形态构型的定量分析,实现了玉米根系形态构型的原位无损检测。主要研究内容和创新性成果如下：(1)建立了根系核磁共振成像的最佳试验条件,围绕作物根系核磁共振研究的几个基本问题展开研究,从生长介质、根系类型以及磁共振成像参数三个方面,对影响根系核磁共振成像的多个因素进行分析研究。分析总结影响根系磁共振成像质量的因素,交叉组合影响因素制备出21个根系试验样本,进行根系核磁共振成像试验。根系核磁共振成像的最佳条件是：3.0T主磁场强度+根系+普通壤土+35%土壤体积含水率。(2)研究了多种基于轮廓波变换理论的图像去噪算法。对于弱噪声的根系核磁共振图像,小波去噪算法和轮廓波去噪算法都取得了较好的去噪效果,其PSNR均大于88,较好的保留了图像中的有效信息。对于强噪声的根系核磁共振图像,小波去噪算法和轮廓波去噪算法的去噪效果都出现不同程度的下降,其PSNR下降到82左右。试验结果表明,基于轮廓波变换理论的图像去噪算法优于相应小波算法,根系核磁共振图像的细节特征保留较好。虽然小波去噪算法的整体平滑性较好,但根系的边缘细节被模糊化,直径值较小的根系目标被减弱或消除掉,出现局部失真现象。(3)提出了一种基于作物根系统自身空间几何结构特性的三维图像分割算法。依据根系核磁共振序列图像之间,尤其是上下相邻的连续根系核磁共振序列图像之间的分枝根灰度数据属性以及分枝根空间属性都呈现出规律性变化的特性,构造出根系核磁共振序列图像三维分割的约束条件。从作物根系的根茎层出发,采用逐层递推的分割思路,在根系模糊分割的基础上,设计了基于根系统几何特征的综合图像分割方法,清除各层图像中非根轴区域的伪根系成像,从而实现根系核磁共振序列图像的三维精确分割。对65幅连续根系核磁共振序列图像的试验结果表明,本文提出的基于作物根系统自身空间几何结构特性的三维图像分割算法能够实现根系核磁共振序列图像的三维精确分割。对65幅根系核磁共振序列成像总体分割效果较好,除了16#、22#、29#系核磁共振成像切片之外,其他根系核磁共振成像切片的在根系像素损失率Lop和面积误差率EoA平均值分别处于4.1%和1.6%左右。(4)提出了新的根系构型评价体系,实现了对作物根系统三维空间构型的全面定量描述。对3个氮梯度、3个磷梯度胁迫下的玉米植株展开研究,运用可视化技术实现了根系的原位无损检测,采用所构建的根系构型参数评价体系进行定量分析。研究结果表明,高氮肥处理的玉米根系统在根系构型中表现出根系分布浅,根系总量低,分支根空间分布均匀等特点。对于根系平均水平角,各梯度氮胁迫下的根系样本之间差异不大,其根系平均水平角值处于42.29°～47.68°之间。对于磷胁迫处理,高磷肥处理的玉米根系统在根系构型中表现出根系分布浅,分支根多,根系总量高等特点。而低磷、低氮胁迫处理结果相类似,根系形态构型表现为大量的光合作用产物用于了根系伸长和扩展。在多梯度磷胁迫情况下,玉米根系平均水平角之间差异显著。在高磷胁迫下,玉米根系平均水平角值处于48.620左右。而低磷胁迫情况下,根系平均水平角则达到59.720左右。上述研究成果实现了对苗期玉米根系构型信息的原位无损获取,为进一步制定合理的玉米水肥灌溉策略提供技术支持,对于提高玉米栽培过程中的水肥利用效率具有十分重要的实际意义。
【作者】张建锋；
【导师】何勇；龚向阳；
【作者基本信息】浙江大学，农业电气化与自动化，2014，博士
【关键词】精准农业；玉米根系；核磁共振成像；模糊聚类分割；可视化；根系形态构型；氮胁迫；磷胁迫；

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