[发明专利]一种基于CT扫描技术的植物根系组成识别方法

权利要求书

1.一种基于CT扫描技术的植物根系组成识别方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1、根据样品的高度，将样品等分切成若干片，并对切片的截面进行拍摄，得到若干张jpg格式的植物根部断层照片；

步骤2、根据植物根部断层照片进行三维重建，

（2.1）对植物根部断层照片预处理，jpg格式的植物根部断层照片转换为256色BMP图像，再对256色BMP的图像进行图像增强，消除或减少噪声的干扰，得到植物根部断层图像；

（2.2）对植物根部断层图像进行表面绘制：

采集重建数据、对植物根部断层图像中植物根部的边界轮廓曲线进行表面绘制、设置图像光照效果、设置图像的显示效果；

（2.3）对植物根部断层图像进行体绘制：

采集体重构数据、对体重构数据进行预处理、计算数据集在显示平面累计投影、构造三维体重构碎片处理、设置图像的颜色、阴影及显示效果；

步骤3、建立植物根部的矢量模型：

包括提取根系骨架和根结点属性值；具体步骤为：创建初始根节点、创建初始根分支、重构根节点和根分枝、获取新节点的属性值、判定根分支关系和补充根节点。

2.根据权利要求1所述的基于CT扫描技术的植物根系组成识别方法，其特征在于：步骤（2.1）中，用windows自带的画图工具将jpg格式的植物根部断层的照片转换为256色BMP图像；图像增强通过MATLAB7.0实现，包括直方图修改、图像平滑、 图像边缘锐化和彩色增强，可通过直接调用函数实现，包括以下几种方法：一、采用直方图灰度变换法，扩大图像灰度范围，使原图像的细节成分更加清楚，可通过 imadjust、histeq或wiener2函数实现；二、对比度自适应直方图均衡化，对图像的某个部分均衡化，保护图像边缘的同时，除去图像中的孤立点、线的噪声，可用adapthisteq、isteq、fspecial、filter2、conv2或medfilt2函数实现；三、平滑与锐化滤波法。

3.根据权利要求1所述的基于CT扫描技术的植物根系组成识别方法，其特征在于：步骤（2.2）中对植物根部断层图像表面绘制包括以下步骤：

步骤2.2.1、进行重建数据的采集，运用傅立叶级数的系数，求出植物根部切片图像其根部边界上若干个点x，y向的坐标值，并为其加上z坐标值；

步骤2.2.2、利用surf函数进行边界轮廓曲线表面绘制，并利用colormap 和shading函数设置图像的颜色及阴影效果；

步骤2.2.3、利用light函数设置图像光照效果；

步骤2.2.4、设置图像的显示效果，利用view函数定义观察者视角，利用lighting函数定义显示图像的光线阴影，利用axis函数定义显示图像的轴，当函数view(AZ，EL)取不同的值时，可以得到图像不同的视角，其中 AZ 表示图像水平方向旋转的角度，EL 表示图像垂直方向的高度。

4.根据权利要求1所述的基于CT扫描技术的植物根系组成识别方法，其特征在于：步骤（2.3）中对植物根部断层图像体绘制包括以下步骤：

步骤2.3.1、体绘制数据的采集，使用imread函数读入若干张植物根部断层图像中的数据得到数据集，再用cat函数将数据集创建为一个x×y×n的三维矩阵，构造三维数据集；

步骤2.3.2、根据实际情况，用reducevolume函数对步骤2.3.1中的三维数据集进行预处理，或用smooth函数对步骤2.3.1中的三维数据集进行平滑处理，减少数据量；

步骤2.3.3、利用isosurface函数计算步骤2.3.2中处理后的数据集，在显示平面累计投影，得到平面投影碎片；

步骤2.3.4、利用patch函数对上一步骤中得到的平面投影碎片进行三维重构构造三维体重构碎片，并定义图像的颜色和光线；

步骤2.3.5、设置图像的颜色、阴影及显示效果，利用colormap函数为图像定义颜色集，利用view函数定义观察者视角，利用lighting函数定义显示图像的光线阴影，利用axis函数定义显示图像的轴，使用daspect函数定义 x、y、z轴的显示比例。

5.根据权利要求1所述的基于CT扫描技术的植物根系组成识别方法，其特征在于：步骤3中构建矢量模型包括以下步骤：

（3.1）构建初始根节点：

在三维重建模型的基础上，使用重切器对模型进行重切来获取其根节点的三维坐标和面积，得到空间散点集合；

（3.2）构建初始根分支：

对步骤（3.1）中获取的空间散点集合进行分组来构建根分支，提取根系矢量模型，采用空间连通性和最短路径作为分组依据，并将面积变化率、偏转角阈值作为约束条件来提高空间散点分组的正确率，

（3.3）重构根节点和根分枝：

以根分支为处理单元进行三次 B样条拟合，最终能得到一条光滑的根分支曲线，消除根节点的位置偏差；

（3.4）获取根节点属性：

使用重切器沿着根分支曲线的切向量进行二次重切，对得到的重切截面图像进行分析提取有用参数，补充根结点的面积、周长和圆率的基本属性值；

（3.5）判定根分支关系：

建立根分支的拓扑结构，根据根构型的特点，利用遍历算法，从主根出发依次向下遍历，以连通性和最短路径为约束条件进行根分支关系的判定，每个根分支结点都有一个父结点和 n 个子结点，根据其结构特点采用了树形数据结构来保存根分支；

（3.6）补充根节点：

通过插值的方法对稀疏的根分支部分进行结点补充，最终绘制成样品植物根部的三维模型。