基于圖像處理的根系圖像信息監(jiān)測系統(tǒng)的研究

基于圖像處理的根系圖像信息監(jiān)測系統(tǒng)的研究

根系是一個(gè)固定的植物，在土壤中吸收水分、養(yǎng)分和養(yǎng)分。它不僅是土壤資源的直接利用，也是土壤環(huán)境中酸、堿、鹽、旱等因素的直接受害者。植物根系的對(duì)土壤的影響是顯而易見的，因此根系的研究是許多科學(xué)家的中心領(lǐng)域。但由于植物根系生長環(huán)境的隱蔽性,研究方法欠缺,至今人們對(duì)根系的動(dòng)態(tài)生長過程、根系的生老病死與其生存環(huán)境之間的關(guān)系仍知之甚少,尤其是細(xì)根。1982年國際上成立了國際根系研究學(xué)會(huì)(InternationalSocietyofRootResearch,ISRR),在2001年11月(日本名古屋)召開的第6屆國際根系研究大會(huì)上將根系研究的新方法列為九大議題之一。關(guān)于根系研究法,國內(nèi)外都曾做過大量的探索,創(chuàng)造了各種各樣的方法,以前采用的挖掘法、水培法、氣培法(又稱霧培法)、塑料管土柱法、網(wǎng)袋法、根箱法、根鉆法、地窖法、同位素示蹤法等等至今仍在使用,這些方法對(duì)于特定的研究對(duì)象和特定的研究目的都發(fā)揮了一定的作用,但它們都未能與現(xiàn)代化的數(shù)碼技術(shù)結(jié)合起來,難以實(shí)現(xiàn)信息化管理、動(dòng)態(tài)跟蹤和非破壞性測定,仍然依賴于手工采集數(shù)據(jù),直接測定工作量大、準(zhǔn)確性差。由于近年來數(shù)碼技術(shù)、特征識(shí)別技術(shù)以及圖像處理技術(shù)的日益成熟,人們開始嘗試將信息技術(shù)應(yīng)用到根系監(jiān)測和根型分析領(lǐng)域,出現(xiàn)了數(shù)字化、可視化、信息化、無損動(dòng)態(tài)監(jiān)測等根系研究的新動(dòng)向,如微根室法(也稱微根管法)、X-射線斷層攝影法(CT技術(shù))、根系三維模擬、電子探針等。特別是微根管法發(fā)展迅速,自1937年創(chuàng)立以來,經(jīng)多次改進(jìn),目前已經(jīng)進(jìn)入到了數(shù)字化、自動(dòng)化的新時(shí)代,被公認(rèn)為是原位非破壞性監(jiān)測細(xì)根動(dòng)態(tài)的最好方法。該監(jiān)測系統(tǒng)(代表性產(chǎn)品為美國產(chǎn)的CI-600系統(tǒng))由三大部分組成,即:①插(埋)入土壤中的透明玻璃管,通過管壁與土壤間的界面可以觀察到根系的生長動(dòng)態(tài);②可在管內(nèi)滑桿上自由移動(dòng)的高分辨率掃描探頭,并將掃描圖像自動(dòng)輸入到計(jì)算機(jī)中;③CIAS圖像分析軟件,自動(dòng)計(jì)算出每張圖片的全部根系長度。該系統(tǒng)的先進(jìn)性是顯而易見的,但也存在著許多不足:①受觀察視窗的限制,可視范圍小,僅能觀察到管壁周圍的一小部分;②技術(shù)要求高,操作復(fù)雜;③儀器價(jià)格昂貴,使用局限性大。因此研發(fā)技術(shù)簡單、操作方便、視窗開闊、成本低廉、應(yīng)用范圍廣的根系動(dòng)態(tài)監(jiān)測方法勢在必行。筆者利用普通的高分辨率數(shù)碼相機(jī)和圖像處理軟件等構(gòu)建了根系圖像信息監(jiān)測系統(tǒng),并應(yīng)用于根系生長動(dòng)態(tài)的無損監(jiān)測實(shí)驗(yàn)研究,取得了較好的效果。1圖像信息監(jiān)控系統(tǒng)的構(gòu)建1.1圖像識(shí)別和ct掃描都是在外部接入點(diǎn),在一般資料比所用儀器設(shè)備主要有高分辨率數(shù)碼相機(jī)、圖像處理軟件和電子計(jì)算機(jī)。數(shù)碼照相機(jī)500萬像素以上的分辨率即可(2000元左右),成本很低。通過數(shù)碼相機(jī)拍照獲取根系圖像,這是該系統(tǒng)與其他方法的根本區(qū)別,也是優(yōu)勢所在。微根室法采用的是CanonScan1240U掃描頭,斷層攝影法采用的是CT掃描技術(shù),都是為了無損攝取根系圖像。目前1000萬像素以上的高分辨率數(shù)碼相機(jī)已經(jīng)上市,圖像質(zhì)量完全可以滿足根系測定分析的要求。通過定點(diǎn)、連續(xù)多次攝取根系圖像,輸入到計(jì)算機(jī)中儲(chǔ)存起來,然后使用彩色圖象處理軟件Photoshop8.0和AreaMeasure或ArcViewGIS3.2等測定分析根系的相關(guān)參數(shù),即可分析評(píng)價(jià)根系生長發(fā)育的動(dòng)態(tài)過程。1.2檢測根系長度風(fēng)險(xiǎn)目前所有的根系圖像方法(CT技術(shù)除外)都要求以透明界面為前提,本方法也不例外。筆者以水培植物為研究對(duì)象,對(duì)該系統(tǒng)的根系圖像采集、處理及其精度檢驗(yàn)進(jìn)行了相關(guān)分析。首先根系圖像采集時(shí),由于圖像上的根系大小僅表示其所占像素的多少,為了換算成實(shí)際的尺寸,必須先在待測根平面上安裝標(biāo)尺(參照系),然后對(duì)準(zhǔn)待測根系觀察面(簡稱攝影平面)聚焦清晰后拍照。通過定點(diǎn)、多次連續(xù)拍照可獲得待測根系生長過程的動(dòng)態(tài)信息,然后應(yīng)用計(jì)算機(jī)上的圖像處理軟件處理圖像。待測根與標(biāo)尺參照系一同拍照為消除攝影和判讀過程中各種操作可能帶來的誤差創(chuàng)造條件(見圖1、圖2)。以測定根系長度為例,進(jìn)行了手工測量與電腦軟件測定的對(duì)比檢驗(yàn),結(jié)果表明,該系統(tǒng)的測定誤差不超過3%。具體方法是:選取5條有代表性的植物根進(jìn)行測定,首先用數(shù)顯游標(biāo)卡尺精確測量根長度(重復(fù)3次),然后用數(shù)碼相機(jī)(CanonPowershotProl型,800萬像素)拍照3次(3次重復(fù)),將攝取的根系圖像輸入計(jì)算機(jī)中,使用圖像處理軟件Photoshop8.0求算根長度,并以實(shí)測值作為真值求算相對(duì)誤差(見表1)。表1中1～3號(hào)根為直根,手工實(shí)測值與電腦測定值的相對(duì)誤差很小,4～5號(hào)根有一定的彎曲度,相對(duì)誤差稍大,但均不超過3%,這在實(shí)際應(yīng)用中是可以接受的,可見,電腦測定值完全可以反映根系的實(shí)際長度。在處理過程中,由于根系較細(xì),盡管能夠?qū)⒏祱D像放大若干倍,但準(zhǔn)確判斷根基和根尖的部位仍十分關(guān)鍵,由操作熟練的同一個(gè)人測定可以在一定程度上消除視覺誤差的影響。2根本材料的量控制植物根系是三維空間內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng),將根系圖像映射到二維平面上時(shí),難免有變形或信息不對(duì)稱的現(xiàn)象發(fā)生,關(guān)鍵在于找出影響因素及其規(guī)律,并盡量控制在誤差可接受的范圍內(nèi)。當(dāng)采用根箱法(土壤基質(zhì))或地窯法(野外植被)等有一面安裝透明玻璃壁時(shí),可以通過玻璃壁與土壤界面觀察并攝取根系圖像,圖像變形較小;但如果在水培條件下,根系可以在三維空間內(nèi)自由生長,則只有在攝影平面上延伸的根條才能測定出準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。因此,必須選擇位于攝影平面上的根條作為觀測根,并予以編號(hào),由它們的生長發(fā)育狀況來推測整株根系的生長發(fā)育狀況(與傳統(tǒng)的抽樣調(diào)查法類似)。2.1相對(duì)誤差對(duì)測定結(jié)果的影響在植物水培條件下,基質(zhì)是透明的,根系是散開的,選定的觀測根在生長過程中有可能偏離攝影平面而形成一定的夾角,當(dāng)夾角達(dá)到90°時(shí),則根條在圖像上將變成一個(gè)點(diǎn)。筆者用模擬實(shí)驗(yàn)確定了根條傾斜角度的測定誤差。由表2可見,隨著傾斜夾角的增加,相同長度的電腦測定值卻逐漸變小,說明夾角大小對(duì)測定結(jié)果有影響。當(dāng)夾角為15°時(shí),電腦測定值的相對(duì)誤差為3.05%,當(dāng)夾角為20°時(shí),相對(duì)誤差增加到6.1%。據(jù)此可以推算,當(dāng)相對(duì)誤差設(shè)定為5%時(shí),其夾角應(yīng)該在15°～20°之間。應(yīng)用平面幾何的直角三角形邊角關(guān)系求算,當(dāng)夾角為17.8°時(shí),其測定誤差為5%。因此,只要觀測根在攝影平面前后17.8°內(nèi)延伸,就可以保證其圖像測定值的相對(duì)誤差不超過5%。2.2測量值的分析安裝標(biāo)尺是將電腦數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成實(shí)際尺寸的必要條件,標(biāo)尺位置應(yīng)與觀測根在同一平面上(即攝影對(duì)焦平面)。影像學(xué)原理表明:同樣一個(gè)物體,距離近時(shí)則成像大,距離遠(yuǎn)時(shí)則成像小,從而失去了可比性。為了檢驗(yàn)標(biāo)尺位置對(duì)測定誤差的影響,筆者進(jìn)行了如下實(shí)驗(yàn):在桌面上劃定一系列間隔1cm的平行線,用三腳架固定照相機(jī)的位置,并依次對(duì)各距離內(nèi)的標(biāo)尺進(jìn)行拍照(重復(fù)3次),然后用圖像處理軟件測量標(biāo)尺上1cm長度的測定值(表3)。從表3中可以看出,當(dāng)標(biāo)尺逐漸后退時(shí)相應(yīng)的測量值也逐漸減小。統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明:標(biāo)尺位移距離與電腦測定值呈顯著的直線負(fù)相關(guān)(R2=0.9897);每后退1cm的距離,平均減小0.02個(gè)單位。據(jù)此可以求算出,當(dāng)后退3cm時(shí),與起點(diǎn)的相對(duì)誤差為5%。如果向前移動(dòng)標(biāo)尺也會(huì)產(chǎn)生同樣的測定誤差。因此,若以5%作為允許誤差,則標(biāo)尺位置在觀測根前后3cm的范圍內(nèi)均可得到滿足。2.3光照、背景對(duì)根系圖像的影響攝取清晰的根系圖像是應(yīng)用該方法的首要條件。為了獲得清晰度高、尺寸大小合適的根系圖像,主要應(yīng)注意以下環(huán)節(jié):①曝光強(qiáng)弱是影響圖像清晰度的重要因素。在室內(nèi)實(shí)驗(yàn)時(shí),往往由于光照不足而需要附加補(bǔ)充光源或開啟閃光燈,當(dāng)開啟閃光燈時(shí),由于透明玻璃的反光作用,會(huì)在照片上留下光斑,可能會(huì)影響到標(biāo)尺或觀測根的判讀,最好選在自然光照充足的地方開展,這樣對(duì)植物的生長也有利。由于研究對(duì)象、場所各不相同,是否需要補(bǔ)充光源,應(yīng)根據(jù)拍照當(dāng)時(shí)的光照條件通過攝影效果對(duì)比來決定。②攝影距離的遠(yuǎn)近與要求的圖像尺寸大小有關(guān),在一定條件下,距離越近,取景范圍越小,但物體成像越大。為了獲得較大且清晰度高的根系圖像,一般距離50～100cm為宜,用三角架固定照相機(jī),以免抖動(dòng)。照相機(jī)的高低應(yīng)大體與被攝目標(biāo)(觀測根和標(biāo)尺)等高。③背景顏色對(duì)根系圖像的清晰度也有影響。在玻璃箱水培條件下,用紅、黃、黑、白4種顏色分別進(jìn)行了對(duì)比實(shí)驗(yàn),結(jié)果表明,紅色和黑色的效果較好。紅色和黑色與白色幼嫩根系的對(duì)比度較大,從而使根系的影像更加鮮明、突出。3觀測根的測定和根系厚度為了檢驗(yàn)該方法的動(dòng)態(tài)監(jiān)測效果,筆者進(jìn)行了植物根系鹽脅迫響應(yīng)的試驗(yàn)研究。試驗(yàn)材料為蘇柳172(Salix×jiangsuensecv.‘J172’),插穗長20cm,直徑0.8～1.0cm。首先扦插于蛭石基質(zhì)中,待根長1cm左右時(shí),洗凈后移入透明玻璃培養(yǎng)箱中(每箱4株)。營養(yǎng)液為1/2hoagland,以NaCl作為脅迫因子,鹽分梯度分為2、4、6、8g/L,以無鹽處理為對(duì)照。選擇生長健壯、通直、無瑕疵的代表性根條作為觀測根,并逐一編號(hào),每株選定1～4條根且均在同一攝影平面上,然后安裝固定一個(gè)3～4cm長的透明標(biāo)尺作為參照系。該標(biāo)尺必須與觀測根位于同一個(gè)垂直平面上,以便拍照對(duì)焦和測定分析之用(圖1、圖2)。最后將插穗用泡沫塑料固定于培養(yǎng)箱內(nèi),調(diào)整高度和方向,使根系全部浸入到培養(yǎng)液中,并使攝影平面正對(duì)前方。用黑布將培養(yǎng)箱罩嚴(yán)(遮光),只有拍照的時(shí)候才揭開。調(diào)查開始后,每隔2d拍照一次,每次每株拍攝2～3張圖片,同時(shí)詳細(xì)觀察記載整株的生長狀況。將根系圖像輸入到計(jì)算機(jī)中進(jìn)行處理。現(xiàn)以根系長度為例,追蹤根系的動(dòng)態(tài)生長過程(表4)。根長度是反映根系生長狀況最敏感的指標(biāo)。從表4可以看出:①每條觀測根隨著時(shí)間的延長而不斷增長,證明利用筆者介紹的研究方法能夠準(zhǔn)確地跟蹤監(jiān)測根系的動(dòng)態(tài)變化,達(dá)到數(shù)字化、可視化、信息化、動(dòng)態(tài)無損監(jiān)測的目的;②在同等條件下,每個(gè)根條的生長狀況各不相同,離差較大,因此選取較多的觀測根(大樣本)才能具有較好的代表性,真正反映根系的整體水平;③鹽脅迫對(duì)根系生長有顯著影響,從根系的平均生長狀況統(tǒng)計(jì)中看得更清楚。雖然各鹽度的根長度起點(diǎn)(4月20日)基本一致,但隨著時(shí)間的推移,鹽度越大,根系生長的速度越慢,甚至生長停止;④實(shí)驗(yàn)開始1周(4月26日)后出現(xiàn)了一般認(rèn)為的反?，F(xiàn)象,即2、4g/L2個(gè)鹽度水平反而超過了對(duì)照的生長量,表明適量的NaCl能夠刺激根系生長,以減輕或抵消鹽害的壓力,但地上部分的新梢生長量并未超過對(duì)照。因此,植物的地上、地下并不都具有一致性。4試驗(yàn)結(jié)果的分析植物根系研究,特別是無損動(dòng)態(tài)研究難度很大,研究方法欠缺、數(shù)據(jù)采集困難是其癥結(jié)所在。筆者將高端數(shù)碼技術(shù)產(chǎn)品——數(shù)碼相機(jī)應(yīng)用于根系動(dòng)態(tài)監(jiān)測研究領(lǐng)域,并與電子計(jì)算機(jī)、彩色圖像處理軟件以及根系培養(yǎng)裝置有機(jī)結(jié)合,創(chuàng)立了根系圖像信息監(jiān)測系統(tǒng)研究平臺(tái)(可簡稱為根系照相法),并對(duì)根系圖像信息的采集、測定誤差以及相關(guān)的應(yīng)用條件等進(jìn)行了探索,試驗(yàn)結(jié)果證明該研究方法是可行的,能夠?qū)崿F(xiàn)根系研究的信息化、可視化、動(dòng)態(tài)跟蹤監(jiān)測的目的,可以作為本科生實(shí)驗(yàn)教學(xué)和一般根系動(dòng)態(tài)研究的有效工具。與目前最先進(jìn)的美國產(chǎn)品CI-600根系生長監(jiān)測系統(tǒng)相比,該方法具有以下優(yōu)點(diǎn):①技術(shù)簡單、操作方便,只要會(huì)使用數(shù)碼相機(jī)和計(jì)算機(jī)軟件就可以完成根系圖像的采集和信息處理,且測量誤差不超過3%;②一機(jī)多用,組裝靈活;③視窗開闊