根系是植物从土壤等介质环境中获取水分和养分的重要器官,根系研究是植物生理学、植物形态学等学科的重要研究课题之一。根系构型是指根系在生长介质中的空间造型和分布,包括根系的邻接关系和层级关系,其直接影响植物吸收水分和养分的能力。因此根系构型研究是植物研究中的关键问题。然而,由于根系生长环境的特殊性及其构型的复杂性使得传统的测量方法难以对植物根系进行原位、快速、无损、准确的测量分析。针对根系测量方法存在的问题,华南农业大学农业成像检测技术研究室在国家自然科学基金等项目的资助下,开展了基于X射线计算机层析成像的根系原位成像方法、CT空间序列图像的分割方法、基于序列图像的三维可视化方法以及根系三维骨架提取方法等一系列研究和探索工作。本文研究内容正是基于研究室前期研究成果的基础上,以三维可视化模型为基础,进一步探索研究植物根系三维矢量模型的快速构建方法以及基于矢量模型的植物根系三维构型参数的原位、快速、准确测量方法。本文完成的研究工作主要包括:(1)植物根系原位CT序列图像的采集与处理。采用160kv专用CT成像系统获取了3组生长在土壤介质中的根系CT序列图像:样本1为1486层分辨率为512×512的16位断层序列图像;样本2为338层分辨率为484×484的16位断层序列图像;样本3为319层分辨率为484×484的16位断层序列图像。对上述数据分别进行了适当的滤波和分割处理,并将处理后的空间序列图像进行三维体数据封装作为数据源。(2)植物根系三维矢量模型的快速构建方法。首先,根据植物根系的结构特性,采用横截面算法提取根系骨架点。同时,对截面连通区域进行属性参数提取,为各骨架点补充半径、面积、周长等属性特征值,以构建初始根结点点集。然后,利用基于连通性的路径规划算法将根结点进行拓扑分组,以构建根系分支拓扑结构。接着,对每个根系分支进行拟合重构,并通过垂直重切获取各根系分支的横截面。最后,以横截面数据为基础,进一步对各关键根结点的属性参数(半径、面积、周长等)进行校正,进而形成最终的根系三维矢量模型。在此过程中,设计了根切片、根结点、根分支、根系统等数据结构,用以保存矢量模型数据。(3)植物根系三维构型参数的自动测量方法。以根系三维矢量模型为基础,开展了根系三维构型参数的计算测量方法研究。根据根系形态特征和相关研究的需要,共设计完成了22种根系构型参数的测算方法,分为系统参数和分支参数两大类。根系统参数主要包括根长、体积、表面积等参数信息,根分支参数主要包括分支等级、分支长度、分支体积等参数信息。(4)植物根系三维构型参数测量原型系统的实现。在Qt界面应用程序开发框架下,使用C++编程语言并结合开源计算机视觉库OpenCV、医学图像分割与配准工具箱ITK(Insight Segmentation and Registration Toolkit)以及三维可视化工具箱VTK(Visualization Toolkit),编程实现了本文所提出的相关算法,并设计开发了一套原型系统。(5)算法验证和数据分析。为了检验本文方法的精确性和鲁棒性,分别对原位状态和裸根状态下的多组根系样本数据,采用本文提出的算法进行了根长、体积、表面积、根夹角等参数的测量。并将实验结果与常规测量方法进行对比。同时,为评估算法的执行效率,采用相同的数据、相同的运行环境,对比分析了算法的执行时间。结果表明该算法获取的参数精准度较好、执行效率较高。综上所述,本文重点研究了植物根系三维矢量模型的快速构建方法和三维构型参数的自动测量方法,开发了植物根系三维构型参数自动测量系统。实现了对原位根系的三维可视化、三维矢量模型构建、构型参数自动测量和定量分析等功能。为根系构型参数的原位、快速、准确测量提供了一种有效的技术平台。