[发明专利]一种植物根系三维矢量模型构建方法

说明书

本发明公开了一种植物根系三维矢量模型构建方法，属于自动化检测技术领域。模型构建方法的步骤是：利用层析成像技术获取到植物根系的断层序列图像数据；根据根系的线状特性采用横截面算法提取根系骨架点。然后利用基于连通性的路径规划算法对根系骨架点分组建立根分支拓扑结构。最后采用分支重切算法提取骨架点的属性参数(半径、面积、周长等)以形成最终的根系矢量模型。本发明构建的模型充分利用了植物根系特有的形态特征，可被作为植物根系表型参数检测的数据模型。

技术领域

本发明涉及无损检测研究领域，特别涉及一种植物根系三维矢量模型构建方法。

背景技术

目前针对植物根系所构建的模型多是骨架模型，骨架模型虽然可以在简化数据量的同时很好的表示植物的形态结构，但由于根系分支形态的多样性和复杂性，构建真实根系中的三维骨架模型是一个极具挑战的工作。并且通用的骨架模型提取方法所获取的拓扑关系只能表示结点之间的邻接关系。并不能够表示根分支之间的邻接关系以及根系的分层结构。骨架模型缺少一些必要的半径、周长、表面积等属性信息。这将不利于最后的根系三维表型参数的提取。

因此，需要提供一种可以表示根系分支关系和属性信息的矢量模型来更好完成根系表型参数检测。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种植物根系三维矢量模型构建方法，构建的模型为矢量模型，该模型是以骨架模型为基础进行拓展和改进，能够有效表示植物根系的分支拓扑关系和层次结构。

本发明的目的通过以下的技术方案实现：一种植物根系三维矢量模型构建方法，包括步骤：

(1)获取图像：利用层析成像技术获取到植物根系的断层序列图像数据；

(2)根系骨架点云提取：根据根系的线状特性采用横截面算法提取根系骨架点云；

(3)分支拓扑构建：利用基于连通性的路径规划算法对根系骨架点分组，建立根分支拓扑结构；

(4)补充根属性值：基于步骤(3)的根分支拓扑结构，以断层序列图像为数据源，提取根节点、根分支、根系统的属性，以形成最终的根系三维矢量模型。

优选的，所述步骤(2)中，采用横截面算法提取根系骨架点云的步骤是：提取每一张断层序列图像横截面中的连通区域，计算各个连通区域的质心，根据根系的柱体线状特性将该质心位置作为骨架点，提取每张断层序列图像的根系骨架点，得到根系的初始骨架点云。

由于根系表面较为粗糙以及存在一些包状凸起，所以可能导致提取到一些伪骨架点，为了避免这种情况，根据伪骨架点所在的截面面积一般较小的特点对其进行删除。更进一步的，检测连通区域的面积是否小于预设的阈值，如果是，则将该连通区域对应的骨架点判定为伪骨架点并将其剔除。

优选的，所述步骤(3)中，提取的根系骨架点具有Z向有序性，采用基于连通性的路径规划算法是以连通性分析为核心思想，并将面积变换率和偏转角以及最短路径作为进一步的约束条件，来完成根分支拓扑结构的构建。

更进一步的，根分支拓扑结构的构建步骤是：

(3-1)遍历断层序列图像，选取当前遍历的切片图像S1和下一张切片图像S2，其中S1中得到的根结点为已分组结点，S2中根结点为未分组结点；这里所述的根结点即为上述的骨架点；

(3-2)遍历S1中的根结点：计算和S1中当前根结点n1满足连通性的S2中的候选根结点集N2，当点集N2的个数大于1，使用面积变化率筛选，选取面积变化最小的根结点作为当前分组的新结点加入其中，否则直接将点集N2中的结点加入当前分组，重复该步骤直到S1中的结点全部遍历过一遍；