基于Micro-CT的水稻茎部性状无损提取关键技术研究
发布时间：2021-06-17 10:37
水稻是中国乃至世界最主要的粮食作物之一,提高水稻产量和品质关系着全球社会经济发展和稳定。因此,如何培育出产量高又品质好的优良水稻品种一直是水稻栽培和育种专家的研究热点之一。近年来水稻功能基因组和分子育种得到快速发展,每天有成百上千的不同水稻品种等待筛选,水稻表型参数的高通量测量将为水稻品种筛选和鉴定提供强力的技术支持。水稻茎秆对植株起到了养分输送与支撑的作用,而筛选出具有抗倒伏能力的水稻品种,将直接关系到水稻产量和品质的提升。因此,高通量、准确无损测量水稻茎秆分蘖内部结构表型性状,对于水稻遗传改良育种和栽培研究具有十分重要的意义。目前,传统的水稻茎秆分蘖表型性状获取与筛选主要依靠人工完成,利用游标卡尺和量角器等计量工具测量茎秆分蘖相关表型性状都存在有损、低效、可重复性差等缺点,不适用于高通量大规模筛选和鉴定水稻品种,成为严重制约水稻功能基因组和水稻改良育种发展的瓶颈。随着光学成像技术、计算机科学技术和自动化集成控制技术等学科的发展,高通量、准确无损测量水稻茎秆分蘖表型性状成为可能,进而为水稻育种和栽培专家提供相应的表型性状支撑。本文开展了水稻茎秆分蘖内部结构重建和应用研究,提出了一种基...
【文章来源】：华中农业大学湖北省 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：128 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
Micro-CT系统的内部结构实物图
基于Micro-CT的水稻茎部性状无损提取关键技术研究27茎秆380张投影图像所需的时间大约为228s（0.6s×380）。同时，Micro-CT系统中的RGB相机采集水稻的侧视可见光图像，同步采集20张RGB图像，采集图像的时间周期为每间隔19张CT投影图像采集一张RGB图像，采集1张RGB图像的时间周期为11.4s（0.6s×19），采集时间小于0.1s几乎可以忽略不计，因此，采集完一株盆栽水稻20张RGB图像所需时间大约为216.6s（11.4s×19）。此外，人工搬运水稻盆栽植株还需要花费时间大约50s，一株盆栽水稻总共需要花费的时间大约为278s（228s+50s）。Micro-CT系统的图像采集时序图如图2-2所示。图2-2Micro-CT系统的图像采集时序图Fig.2-2Imageacquisitionsequencediagramofmicro-CTsystem利用Micro-CT系统扫描水稻茎秆的整体操作过程包括以下步骤：1、打开X射线源冷却装置，使水温保持在20℃；2、利用平板探测器提供的软件进行偏移校准和增益校准；3、打开X射线源，检查RGB相机和PLC控制器连接情况；4、平板探测器开始采集水稻茎秆的投影图像，RGB相机同步采集水稻的侧视可见光图像；5、当380张水稻茎秆的投影图像和20张水稻的侧视RGB图像采集完成后，单株盆栽水稻的图像采集完成，换下一盆水稻进行图像采集；6、当所有水稻图像全部采集完成，停止图像采集软件。水稻茎秆的图像采集参数为：管电压40kV，输出功率40W，平板探测器的曝光时间200ms，采集380张投影图像，步进角度为0.6°，空间分辨率为97μm，偏移校准和增益校准均采集128张投影图生成模板。Micro-CT系统整体控制程序是基于LabVIEW软件编写，生成简易的人机交互界面，方便研究人员操作，Micro-CT系统的工作流程如图2-3所示。
华中农业大学2019届博士研究生学位（毕业）论文30具体方法如下：选择2颗直径较小的钢珠作为简单成像模体，求出钢球的质心坐标并看作空间中的两个点。将这两个钢珠嵌于泡沫材料中并保持固定不动，对其进行扫描，采集钢珠360°内投影图，此时每个钢球质心的投影轨迹为一椭圆。然后对每个钢球质心计算空间中相隔180°的两个点距离，得到最短距离s的两个端点坐标(ui1,vi1)、(ui2,vi2)，最长距离l的两个端点坐标(ui3,vi3)、(ui4,vi4)，其中i=1,2为两个钢球的编号，再利用公式2-19，可求出几何参数v0。再由每个钢球质心投影数据求得椭圆中心坐标，通过拟合直线U=a+bV，得到直线方程中的a和b，进而计算出几何参数u0和，其中u0=a+bv0，=tan-1b。ii2i10i2i1lvvSDDv2vv(2-19)式中，vi1和vi2是每个钢球质心相隔180°最短距离s的两个端点纵坐标，SDD是微焦斑X射线源与平板探测器的距离，li是每个钢球质心相隔180°最长距离。图2-4Micro-CT系统几何参数示意图Fig.2-4Illustrationofmicro-CTsystemgeometricparameters在使用该方法时，应注意两钢球的投影图应在中平面两侧，控制平板探测器角度θ和σ小于2°。通过计算得出平板探测器角度后，应不断微调平板探测器角度，直至几何参数<0.05°，同时使得几何参数u0和v0尽可能靠近平板探测器的中心，即u0=960±15，v0=768±30。最终利用本方法校准Micro-CT系统后的几何参数为：
【参考文献】：
期刊论文
[1]提高水稻产量的途径[J]. 胡世勇,何敏. 河南农业. 2016 (29)
[2]中国水稻高产栽培技术创新与实践[J]. 李建平. 农业开发与装备. 2017(03)
[3]水稻表型组学研究概况和展望[J]. 段凌凤,杨万能. 生命科学. 2016(10)
[4]基于4波段作物光谱测量仪的小麦分蘖数预测[J]. 张猛,孙红,李民赞,Zhang Qin,郑立华. 农业机械学报. 2016(09)
[5]基于反投影坐标快速算法的木材CT检测系统研究[J]. 葛浙东,侯晓鹏,鲁守银,戚玉涵,张国梁,周玉成. 农业机械学报. 2016(03)
[6]全球主要粮食作物产量变化及其气象灾害风险评估[J]. 钱永兰,毛留喜,周广胜. 农业工程学报. 2016(01)
[7]中国水稻高产栽培技术创新与实践[J]. 朱德峰,张玉屏,陈惠哲,向镜,张义凯. 中国农业科学. 2015(17)
[8]Using ORYZA2000 to model cold rice yield response to climate change in the Heilongjiang province, China[J]. Jingting Zhang,Liping Feng,Haiping Zou,De Li Liu. The Crop Journal. 2015(04)
[9]石蜡切片法中染色技术的改良[J]. 王秀文. 植物研究. 2015(01)
[10]寒地水稻抗倒伏品种筛选[J]. 刘伟. 中国稻米. 2014(04)
博士论文
[1]中国水稻种植农户土地经营规模与绩效研究[D]. 刘强.浙江大学 2017
[2]面向农业领域的大数据关键技术研究[D]. 郭雷风.中国农业科学院 2016
[3]重庆市水稻估产要素及模型研究[D]. 苟喻.西南大学 2015
[4]水稻植株穗部性状在体测量研究[D]. 段凌凤.华中科技大学 2013
[5]双模式小动物成像系统关键技术研究[D]. 杨孝全.华中科技大学 2010
[6]适于小动物研究的μCT系统开发研制[D]. 方正.华中科技大学 2008
硕士论文
[1]苗期和大田生长阶段与水稻抗旱相关性状QTL定位研究[D]. 刘宇强.东北农业大学 2013
[2]养分管理对寒地水稻抗倒伏性能和产量的影响[D]. 张明聪.东北农业大学 2010
本文编号：3235035
【文章来源】：华中农业大学湖北省 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：128 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
Micro-CT系统的内部结构实物图
基于Micro-CT的水稻茎部性状无损提取关键技术研究27茎秆380张投影图像所需的时间大约为228s（0.6s×380）。同时，Micro-CT系统中的RGB相机采集水稻的侧视可见光图像，同步采集20张RGB图像，采集图像的时间周期为每间隔19张CT投影图像采集一张RGB图像，采集1张RGB图像的时间周期为11.4s（0.6s×19），采集时间小于0.1s几乎可以忽略不计，因此，采集完一株盆栽水稻20张RGB图像所需时间大约为216.6s（11.4s×19）。此外，人工搬运水稻盆栽植株还需要花费时间大约50s，一株盆栽水稻总共需要花费的时间大约为278s（228s+50s）。Micro-CT系统的图像采集时序图如图2-2所示。图2-2Micro-CT系统的图像采集时序图Fig.2-2Imageacquisitionsequencediagramofmicro-CTsystem利用Micro-CT系统扫描水稻茎秆的整体操作过程包括以下步骤：1、打开X射线源冷却装置，使水温保持在20℃；2、利用平板探测器提供的软件进行偏移校准和增益校准；3、打开X射线源，检查RGB相机和PLC控制器连接情况；4、平板探测器开始采集水稻茎秆的投影图像，RGB相机同步采集水稻的侧视可见光图像；5、当380张水稻茎秆的投影图像和20张水稻的侧视RGB图像采集完成后，单株盆栽水稻的图像采集完成，换下一盆水稻进行图像采集；6、当所有水稻图像全部采集完成，停止图像采集软件。水稻茎秆的图像采集参数为：管电压40kV，输出功率40W，平板探测器的曝光时间200ms，采集380张投影图像，步进角度为0.6°，空间分辨率为97μm，偏移校准和增益校准均采集128张投影图生成模板。Micro-CT系统整体控制程序是基于LabVIEW软件编写，生成简易的人机交互界面，方便研究人员操作，Micro-CT系统的工作流程如图2-3所示。
华中农业大学2019届博士研究生学位（毕业）论文30具体方法如下：选择2颗直径较小的钢珠作为简单成像模体，求出钢球的质心坐标并看作空间中的两个点。将这两个钢珠嵌于泡沫材料中并保持固定不动，对其进行扫描，采集钢珠360°内投影图，此时每个钢球质心的投影轨迹为一椭圆。然后对每个钢球质心计算空间中相隔180°的两个点距离，得到最短距离s的两个端点坐标(ui1,vi1)、(ui2,vi2)，最长距离l的两个端点坐标(ui3,vi3)、(ui4,vi4)，其中i=1,2为两个钢球的编号，再利用公式2-19，可求出几何参数v0。再由每个钢球质心投影数据求得椭圆中心坐标，通过拟合直线U=a+bV，得到直线方程中的a和b，进而计算出几何参数u0和，其中u0=a+bv0，=tan-1b。ii2i10i2i1lvvSDDv2vv(2-19)式中，vi1和vi2是每个钢球质心相隔180°最短距离s的两个端点纵坐标，SDD是微焦斑X射线源与平板探测器的距离，li是每个钢球质心相隔180°最长距离。图2-4Micro-CT系统几何参数示意图Fig.2-4Illustrationofmicro-CTsystemgeometricparameters在使用该方法时，应注意两钢球的投影图应在中平面两侧，控制平板探测器角度θ和σ小于2°。通过计算得出平板探测器角度后，应不断微调平板探测器角度，直至几何参数<0.05°，同时使得几何参数u0和v0尽可能靠近平板探测器的中心，即u0=960±15，v0=768±30。最终利用本方法校准Micro-CT系统后的几何参数为：
【参考文献】：
期刊论文
[1]提高水稻产量的途径[J]. 胡世勇,何敏. 河南农业. 2016 (29)
[2]中国水稻高产栽培技术创新与实践[J]. 李建平. 农业开发与装备. 2017(03)
[3]水稻表型组学研究概况和展望[J]. 段凌凤,杨万能. 生命科学. 2016(10)
[4]基于4波段作物光谱测量仪的小麦分蘖数预测[J]. 张猛,孙红,李民赞,Zhang Qin,郑立华. 农业机械学报. 2016(09)
[5]基于反投影坐标快速算法的木材CT检测系统研究[J]. 葛浙东,侯晓鹏,鲁守银,戚玉涵,张国梁,周玉成. 农业机械学报. 2016(03)
[6]全球主要粮食作物产量变化及其气象灾害风险评估[J]. 钱永兰,毛留喜,周广胜. 农业工程学报. 2016(01)
[7]中国水稻高产栽培技术创新与实践[J]. 朱德峰,张玉屏,陈惠哲,向镜,张义凯. 中国农业科学. 2015(17)
[8]Using ORYZA2000 to model cold rice yield response to climate change in the Heilongjiang province, China[J]. Jingting Zhang,Liping Feng,Haiping Zou,De Li Liu. The Crop Journal. 2015(04)
[9]石蜡切片法中染色技术的改良[J]. 王秀文. 植物研究. 2015(01)
[10]寒地水稻抗倒伏品种筛选[J]. 刘伟. 中国稻米. 2014(04)
博士论文
[1]中国水稻种植农户土地经营规模与绩效研究[D]. 刘强.浙江大学 2017
[2]面向农业领域的大数据关键技术研究[D]. 郭雷风.中国农业科学院 2016
[3]重庆市水稻估产要素及模型研究[D]. 苟喻.西南大学 2015
[4]水稻植株穗部性状在体测量研究[D]. 段凌凤.华中科技大学 2013
[5]双模式小动物成像系统关键技术研究[D]. 杨孝全.华中科技大学 2010
[6]适于小动物研究的μCT系统开发研制[D]. 方正.华中科技大学 2008
硕士论文
[1]苗期和大田生长阶段与水稻抗旱相关性状QTL定位研究[D]. 刘宇强.东北农业大学 2013
[2]养分管理对寒地水稻抗倒伏性能和产量的影响[D]. 张明聪.东北农业大学 2010
本文编号：3235035
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