基于图像处理的植物根系测量方法、系统及装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开一种基于图像处理的植物根系测量方法、系统及装置，方法包括：获取原始植物根系图像并结合四个标识符进行校正处理，得到校正后植物根系图像；对校正后植物根系图像进行预处理，得到植物根系二值图；基于植物根系二值图得到植物根系骨架拓扑结构，进而获取植物根系的相关信息；基于相关信息进而得到主根表型信息及单级侧根表型信息，通过复杂根系分析算法得到各个复杂根系路径，并测量长度，得到复杂根系长度。本发明专利技术克服了传统测量方法测量过程中主观性强、效率低的缺陷，能够快速、准确植物根系表型参数，满足研究对象对烟苗表型参数的测量需求，可为根系表型研究提供数据参考。考。考。

【技术实现步骤摘要】
基于图像处理的植物根系测量方法、系统及装置


[0001]本专利技术涉及图像处理
，尤其涉及一种基于图像的植物根系测量方法、系统及装置。

技术介绍

[0002]在现有技术中，基于图像处理技术分割水稻根系以此提取根系颜色特征、发散度特征等，但仅能进行全局分析，无法对单独支根进行分析。或者通过自适应阈值分割和形态学变换提取水稻根系，尤其是采用一种特殊的形态学变换去除分割过程中产生的毛刺、断裂现象，为后继研究人员对根系的拓扑结构研究提供了分割思路，缺点是细小根会导致无法保留，作者也没有进一步提供根系拓扑结构分析的研究思路。另外还有人提供了现有根系接触式观察和无接触图像采集技术调研。其中Schubart采用土壤剖面法结合水冲法，Sach采用玻璃隔板观察法，Weaver对根系挖掘方法进行了改进与规范等，但总体而言，根系研究方法仍然以挖掘手动操作法为主。随着技术条件的提升，三维摄影法、核磁共振法、3D激光扫描法等探测直径不小于5mm的根系并将其转换为图像信息。等等。
[0003]在目前对植物根系的研究中，一般对根系测量或分析的研究主要是：
①
通过新型装置提高对根系的分离，边缘后继的观察与手动操作；
②
通过现代化技术，尤其是图像处理、计算机视觉技术，实现对根系的分割、全局特征提取（包括总长度、总横截面积、整体颜色等）。不足之处在于，现代分析需求需要了解根系的拓扑结构特征，例如根系所有根的数量，各个根的长度、各个根的根粗等，即需要对独立单条根进行分析，难点在于不同根之间存在交叉、重叠，对拓扑结构的分析造成了极大的难度。
[0004]本专利主要解决的问题是，对根系拓扑结构分析给出理论依据，并提供具体的解决方案，达到对根系中任一单独根的检测、特征分析，也包括对根系全局特征的分析。

技术实现思路

[0005]本专利技术针对现有技术中的缺点，提供了一种基于图像的植物根系测量方法、系统及装置。
[0006]为了解决上述技术问题，本专利技术通过下述技术方案得以解决：一种基于图像处理的植物根系测量方法，包括以下步骤：获取原始植物根系图像并结合四个标识符进行校正处理，得到校正后植物根系图像，其中，所述四个标识符在原始植物根系图像的四个角；对校正后植物根系图像进行预处理，得到植物根系二值图；基于植物根系二值图得到植物根系骨架拓扑结构，进而获取植物根系的相关信息，所述相关信息至少包括端点集合及交点集合；通过单源路径搜索算法遍历端点集合中所有两两端点形成的第一路径，第一路径上交点数量最多的为主根路径，进而得到主根表型信息，主根表型信息包括主根长度及主根根粗；
通过单源路径搜索算法遍历剩余端点到主根交点集合中各个主根交点形成的第二路径，第二路径上不存在任何交点的为单级侧根，得到单级侧根表型信息，其中，所述单级侧根表型信息包括单级侧根长度；排除端点集合及交点集合中主根及单级侧根所包含的端点及交点，端点集合中剩余端点则为复杂根系所在端点，交点集合中剩余交点则为复杂根系之间相互交错的交点，通过复杂根系分析算法得到各个复杂根系路径，并测量长度，得到复杂根系长度。
[0007]作为一种可实施方式，所述结合四个标识符进行校正处理，得到校正后植物根系图像，包括以下步骤：将四个标识符的中心坐标按照顺时针顺序或逆时针顺序依次设置为C1、C2、C3、C4，其中，C1为第一角标识符中心坐标、C2为第二角标识符中心坐标、C3为第三角标识符中心坐标、C4为第四角标识符中心坐标，并将中心坐标所形成矩形的长宽比设置为a：b；将相邻两个角的标识符中心坐标C1、C4进行矩形拟合，得到 变换后的中心坐标C
2＇
、C
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；基于中心坐标集[C1,C2,C3,C4]与变换后的中心坐标集[C1,C
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,C4]得到变换矩阵；基于变换矩阵对原始植物根系图像进行全局变换处理得到第二图像；将变换后的中心坐标集所形成矩形的长宽比设置为a：c，结合长宽比a：b对第二图像的宽度进行尺度变换且变换比例为b/c，得到校正后植物根系图像。
[0008]作为一种可实施方式，所述通过单源路径搜索算法遍历端点集合中所有两两端点形成的第一路径，第一路径上交点数量最多的为主根，根据切垂线测量算法进而得到主根表型信息，包括以下步骤：根据植物根系骨架拓扑结构、端点集合记作(e1,e2,
…
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)及交点集合记作(c1,c2,
…
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) ，遍历所有任意两端点，根据单源路径搜索算法得到第一路径；交点数量比任意其他两端点所成第一路径上交点数量都多的第一路径为主根路径，将主根路径的长度进行尺度变换即为主根长度；在主根路径选取多个采样点位置，计算每个采样点位置处的切线及角度并做垂线，所述垂线穿过主根宽度即为相应位置处的宽度，将所有采样点位置处的宽度进行统计及处理，得到主根宽度。
[0009]作为一种可实施方式，通过单源路径搜索算法遍历剩余端点到交点集合之间形成的第二路径，第二路径上不存在任何交点的为单级侧根，根据切垂线测量算法得到单级侧根表型信息，包括以下步骤：将端点集合和交点集合去除主根包含的端点和交点，得到新端点集合和新交点集合，新端点集合记作 (e1,e2,
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)的所有第二路径，查找出最短路径，若最短路径上不存在其余交点，则为单级侧根路径；将单级侧根路径的长度经过尺度变换得到单级侧根长度。
[0010]作为一种可实施方式，所述通过复杂根系分析算法得到各个复杂根系路径，包括以下步骤：
将去除主根端点、单级侧根端点后的端点集合记作第二端点集合，所述第二端点集合为复杂根系端点集合；根据最短路径搜索算法查找第二端点集合中距离其最近交点以及最近路径，将所述最近交点记作一级交点，所述最近路径记作第三路径；根据一级交点搜索第二交点集合中是否存在与一级交点之间相连的形成路径的第二交点；若不存在，则停止搜索，所述路径则为第二端点集合中相应端点对应侧根的完整路径，若存在则第二交点集合中相应的交点为二级交点；计算一级交点与二级交点之间的第四路径，选择第四路径中与第三路径所成夹角中的最大夹角，判断所述最大夹角是否满足预设夹角值；若不满足，则第三路径为第二端点集合中相应端点对应侧根的完整路径；若满足，判断二级交点是否位于主根路径上；若位于主根路径上，则停止搜索，所述第三路径与所述第四路径即为相应端点对应侧根的完整路径；若不在主根路径上，用二级交点替换原始一级交本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于图像处理的植物根系测量方法，其特征在于，包括以下步骤：获取原始植物根系图像并结合四个标识符进行校正处理，得到校正后植物根系图像，其中，所述四个标识符在原始植物根系图像的四个角；对校正后植物根系图像进行预处理，得到植物根系二值图；基于植物根系二值图得到植物根系骨架拓扑结构，进而获取植物根系的相关信息，所述相关信息至少包括端点集合及交点集合；通过单源路径搜索算法遍历端点集合中所有两两端点形成的第一路径，第一路径上交点数量最多的为主根路径，进而得到主根表型信息，主根表型信息包括主根长度及主根根粗；通过单源路径搜索算法遍历剩余端点到主根路径上的主根交点集合中各个主根交点形成的第二路径，第二路径上不存在任何交点的为单级侧根，得到单级侧根表型信息，其中，所述单级侧根表型信息包括单级侧根长度；排除端点集合及交点集合中主根及单级侧根所包含的端点及交点，端点集合中剩余端点则为复杂根系所在端点，交点集合中剩余交点则为复杂根系之间相互交错的交点，通过复杂根系分析算法得到各个复杂根系路径，并测量长度，得到复杂根系长度。2.根据权利要求1所述的基于图像处理的植物根系测量方法，其特征在于，所述结合四个标识符进行校正处理，得到校正后植物根系图像，包括以下步骤：将四个标识符的中心坐标按照顺时针顺序或逆时针顺序依次设置为C1、C2、C3、C4，其中，C1为第一角标识符中心坐标、C2为第二角标识符中心坐标、C3为第三角标识符中心坐标、C4为第四角标识符中心坐标，并将中心坐标所形成矩形的长宽比设置为a：b；将相邻两个角的标识符中心坐标C1、C4进行矩形拟合，得到 变换后的中心坐标C
2＇
、C
3＇
；基于中心坐标集[C1,C2,C3,C4]与变换后的中心坐标集[C1,C
2＇
,C
3＇
,C4]得到变换矩阵；基于变换矩阵对原始植物根系图像进行全局变换处理得到第二图像；将变换后的中心坐标集所形成矩形的长宽比设置为a：c，结合长宽比a：b对第二图像的宽度进行尺度变换且变换比例为b/c，得到校正后植物根系图像。3.根据权利要求1所述的基于图像处理的植物根系测量方法，其特征在于，所述通过单源路径搜索算法遍历端点集合中所有两两端点形成的第一路径，第一路径上交点数量最多的为主根，根据切垂线测量算法进而得到主根表型信息，包括以下步骤：根据植物根系骨架拓扑结构、端点集合记作(e1,e2,
…
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m
)及交点集合记作(c1,c2,
…
,c
n
) ，遍历所有任意两端点，根据单源路径搜索算法得到第一路径；交点数量比任意其他两端点所成第一路径上交点数量都多的第一路径为主根路径，将主根路径的长度进行尺度变换即为主根长度；在主根路径选取多个采样点位置，计算每个采样点位置处的切线及角度并做垂线，所述垂线穿过主根宽度即为相应位置处的宽度，将所有采样点位置处的宽度进行统计及处理，得到主根宽度。4.根据权利要求3所述的基于图像处理的植物根系测量方法，其特征在于，通过单源路径搜索算法遍历剩余端点到交点集合之间形成的第二路径，第二路径上不存在任何交点的为单级侧根，根据切垂线测量算法得到单级侧根表型信息，包括以下步骤：将端点集合和交点集合去除主根包含的端点和交点，得到新端点集合和新交点集合，
新端点集合记作 (e1,e2,
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)的所有第二路径，查找出最短路径，若最短路径上不存在其余交点，则为单级侧根路径；将单级侧根路径的长度经过尺度变换得到单级侧根长度。5.根据权利要求1所述的基于图像处理的植物根系测量方法，其特征在于，所述通过复杂根系分析算法得到各个复杂根系路径，包括以下步骤：将去除主根端点、单级侧根端点后的...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱旭华，王闯，刘荣利，卢礼祥，
申请(专利权)人：浙江托普云农科技股份有限公司，
类型：发明
国别省市：