基于变径圆寻迹法的水稻根系表型装置与方法
发布时间：2021-12-17 20:53
水稻根系是吸收无机物和支撑水稻植株的重要器官,水稻根系相关性状与水稻的健康以及水稻产量有密切的联系。然而由于根系土壤的不透光性,以及根系脆弱易损伤的特点,相关辅助工具和测量方法的研究进展相对缓慢,根系表型研究和商业应用仍处在研究阶段,许多科研机构仍然在使用低效率的人工测量的方式进行测量。针对市场和研究机构对根系高效率和大批量表型测量的需求,本文探索了与水稻根系相关的根系表型研究和参数测量方法。首先根据水稻的生长特点,选择合理的实验培养方案和图像采集方案。其次结合图像处理技术和水稻根系的形态特点,提出“变径圆寻迹法”实现了对水稻根系的完整分割,以及主根和次根的拓扑关系识别。此外,本文就水稻根系相关参数进行了需求汇总,根据不同根系的形态参数和生长发育阶段,制定了相关的测量方法。并且针对水稻大批量的表型需求,设计和制作自动化表型平台。设备可实现对水稻幼苗的自动化运输、成像、存储操作,可实现大批量的实验样本的动态监测。并利用MATLAB图像处理平台,进行了相关表型参数测量算法的实现,为科研人员提供了一个可靠高效的测量工具。
【文章来源】：上海交通大学上海市 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：86 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
一种快速测量根系长度的装置
图 1-2 根系测量软件，左为 Gia Root 右为 RootNav[10,11]Fig.1-2 The Root measurement software Gia Root andRootNav[10,11]通过上图可见水稻即便在发育初期，须根系就已经相当密集，理论上高通量测定和测定精度要是一对不易协调的矛盾。GiaRoots 以及 Iyer-Pascuzzi 等人开发的软件是目前针对水稻适用性最佳的高通量全自动化测定软件，但是也无法避免根系在交错和重叠较多时的测定误差，同时也无法测定指定根段的长度和直径分布。此外，其他根系测定软件都暂时无法做到对无需平铺和手动分散根系的水稻幼苗根系图像进行测定。目前大部分自动化测定软件是指在图像处理过程中无需人工干预，如指定根基和根尖，修正程序自动匹配的根系路径等。而半自动软件一方面要求根系图像中避免过多的根系遮挡和重叠，可能需要平铺分散根系进行拍照，一方面在软件测定过程中可能需要人工对软件的失误进行修正。RootNaV 是由 Michael P. Pound 等人开发的半自动化测定软件，该软件结合了聚类分析和连续性分析，避免了光照不均和噪声对分割结果的影响，并且在手动确定根基后，软件可以通过 A*算法（路径最短算法）自动寻找根的中心线得到骨架图像[13]。Guillaume Lobet 等人基于一种循迹算法和 Image J 平台开发了半自动
图 1-3 RootReader2D 扫描仪和植株培养容器[13]Fig.1-3 RootReader2D Scanners and plant culture containers[13]RootReader2D 也是一款可适用于水稻根系测定的高通量扫描和处理系统，当用户需要单独测定某条根段时需要用鼠标进行选取起始点，软件通过 Dijkstra 最小路径算法分割该根段，该软件不能处理生长时间较长的植株根系[15]。此外，还有一些科研机构开发的免费根系测量软件，如半自动化软件RootScape，RootTip Trace，RootTrace，RootFlowRT 等[1617 18-19]。以及针对发育初期，形态简单的植株幼苗设计的自动化软件，如 Aria，ARTT，BRAT,ElonSim,GrowthExplorer 等[2021 22 23-24]。1.4 课题研究内容和目标根系的表型测量工作作为考察农作物表型性状和育种水平的的首要环节，其作业一直依赖手工标记测量或者采用高精检测机构中昂贵的 XCT 机器进行检测。手工标记测量效率低、误差大，而 XCT 机器价格高昂、结构复杂、工作环境苛刻，
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于Image J软件的水稻根毛长度测量[J]. 付艳茹,须健. 湖北农业科学. 2015(07)
[2]论植物表型组和植物表型组学的概念与范畴[J]. 潘映红. 作物学报. 2015(02)
[3]植物中硅矿化作用的硅同位素示踪研究[J]. 丁悌平,田世红,孙立,马国瑞,周剑雄,吴良欢,万德芳,水茂兴,王成玉,陈振宇,高建飞. 地球学报. 2009(02)
[4]基于图像处理方法的根系分形维数估计[J]. 卢焕达,周丽娟. 农机化研究. 2006(12)
[5]不同类型水稻根系形态特性实验方法的比较与分析[J]. 黄燕湘,罗丽华,何静. 实验技术与管理. 2006(07)
[6]水稻根系生长动态的研究[J]. 董桂春,王余龙,吴华,周小冬,王坚刚,蔡惠荣,蔡建中. 扬州大学学报. 2002(04)
[7]分形理论在植物根系结构研究中的应用[J]. 廖成章,余翔华. 江西农业大学学报. 2001(02)
[8]综合全局二值化与边缘检测的图像分割方法[J]. 赵雪松,陈淑珍. 计算机辅助设计与图形学学报. 2001(02)
[9]水稻根系研究方法[J]. 林文,郑景生,姜照伟,李义珍. 福建稻麦科技. 1997(04)
[10]快速测量植物根系长度的方法[J]. 刘顺康. 土壤. 1995(02)
博士论文
[1]植物根系图像监测分析系统[D]. 刘九庆.东北林业大学 2005
硕士论文
[1]基于图像处理的植物根系分割及定量分析系统的研究与实现[D]. 朱鑫.重庆大学 2014
本文编号：3540921
【文章来源】：上海交通大学上海市 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：86 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
一种快速测量根系长度的装置
图 1-2 根系测量软件，左为 Gia Root 右为 RootNav[10,11]Fig.1-2 The Root measurement software Gia Root andRootNav[10,11]通过上图可见水稻即便在发育初期，须根系就已经相当密集，理论上高通量测定和测定精度要是一对不易协调的矛盾。GiaRoots 以及 Iyer-Pascuzzi 等人开发的软件是目前针对水稻适用性最佳的高通量全自动化测定软件，但是也无法避免根系在交错和重叠较多时的测定误差，同时也无法测定指定根段的长度和直径分布。此外，其他根系测定软件都暂时无法做到对无需平铺和手动分散根系的水稻幼苗根系图像进行测定。目前大部分自动化测定软件是指在图像处理过程中无需人工干预，如指定根基和根尖，修正程序自动匹配的根系路径等。而半自动软件一方面要求根系图像中避免过多的根系遮挡和重叠，可能需要平铺分散根系进行拍照，一方面在软件测定过程中可能需要人工对软件的失误进行修正。RootNaV 是由 Michael P. Pound 等人开发的半自动化测定软件，该软件结合了聚类分析和连续性分析，避免了光照不均和噪声对分割结果的影响，并且在手动确定根基后，软件可以通过 A*算法（路径最短算法）自动寻找根的中心线得到骨架图像[13]。Guillaume Lobet 等人基于一种循迹算法和 Image J 平台开发了半自动
图 1-3 RootReader2D 扫描仪和植株培养容器[13]Fig.1-3 RootReader2D Scanners and plant culture containers[13]RootReader2D 也是一款可适用于水稻根系测定的高通量扫描和处理系统，当用户需要单独测定某条根段时需要用鼠标进行选取起始点，软件通过 Dijkstra 最小路径算法分割该根段，该软件不能处理生长时间较长的植株根系[15]。此外，还有一些科研机构开发的免费根系测量软件，如半自动化软件RootScape，RootTip Trace，RootTrace，RootFlowRT 等[1617 18-19]。以及针对发育初期，形态简单的植株幼苗设计的自动化软件，如 Aria，ARTT，BRAT,ElonSim,GrowthExplorer 等[2021 22 23-24]。1.4 课题研究内容和目标根系的表型测量工作作为考察农作物表型性状和育种水平的的首要环节，其作业一直依赖手工标记测量或者采用高精检测机构中昂贵的 XCT 机器进行检测。手工标记测量效率低、误差大，而 XCT 机器价格高昂、结构复杂、工作环境苛刻，
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于Image J软件的水稻根毛长度测量[J]. 付艳茹,须健. 湖北农业科学. 2015(07)
[2]论植物表型组和植物表型组学的概念与范畴[J]. 潘映红. 作物学报. 2015(02)
[3]植物中硅矿化作用的硅同位素示踪研究[J]. 丁悌平,田世红,孙立,马国瑞,周剑雄,吴良欢,万德芳,水茂兴,王成玉,陈振宇,高建飞. 地球学报. 2009(02)
[4]基于图像处理方法的根系分形维数估计[J]. 卢焕达,周丽娟. 农机化研究. 2006(12)
[5]不同类型水稻根系形态特性实验方法的比较与分析[J]. 黄燕湘,罗丽华,何静. 实验技术与管理. 2006(07)
[6]水稻根系生长动态的研究[J]. 董桂春,王余龙,吴华,周小冬,王坚刚,蔡惠荣,蔡建中. 扬州大学学报. 2002(04)
[7]分形理论在植物根系结构研究中的应用[J]. 廖成章,余翔华. 江西农业大学学报. 2001(02)
[8]综合全局二值化与边缘检测的图像分割方法[J]. 赵雪松,陈淑珍. 计算机辅助设计与图形学学报. 2001(02)
[9]水稻根系研究方法[J]. 林文,郑景生,姜照伟,李义珍. 福建稻麦科技. 1997(04)
[10]快速测量植物根系长度的方法[J]. 刘顺康. 土壤. 1995(02)
博士论文
[1]植物根系图像监测分析系统[D]. 刘九庆.东北林业大学 2005
硕士论文
[1]基于图像处理的植物根系分割及定量分析系统的研究与实现[D]. 朱鑫.重庆大学 2014
本文编号：3540921
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