基于热红外成像和断根修复算法的玉米根系表型检测方法

作     者：卢伟 韩钊 蹇兴亮 Zhou Ji 姜东 丁艳锋 LU Wei;HAN Zhao;JIAN Xing-liang;Zhou Ji;JIANG Dong;DING Yan-feng

作者机构：南京农业大学工学院/江苏省现代设施农业技术与装备工程实验室江苏南京210031 John Innes CentreEarlham InstituteNorwich Research ParkNorwichNR47UHUK 南京农业大学作物表型组学交叉研究中心江苏南京210014 

基　　金：国家自然科学青年科学基金项目(11604154) 江苏省自然科学基金面上项目(BK20181315) 江苏省农机三新工程项目(SZ120170036) Asia Hub南京农业大学-密歇根州立大学联合研究项目(2017-AH-11) 扬州市重点研发计划(现代农业)项目(YZ2018038)资助 

出 版 物：《光谱学与光谱分析》 (Spectroscopy and Spectral Analysis)

年 卷 期：2020年第40卷第9期

页      码：2845-2850页

摘      要：针对土壤遮挡时根系图像信息不全的问题,提出一种热红外成像根系表型检测方法,结合Criminisi改进算法实现根系图像信息的增强和修复,并研究玉米根系表型与种子活力之间的关系。首先,设计一种适应于玉米根系构型的环形双层石英培养装置迫使玉米根系贴壁生长,分别将老化0, 1, 3和6 d的玉米种子种植在环形培养装置中。基于水和土壤比热容具有显著差异的特点,利用水对玉米苗根茎进行滴灌,并通过热空气对培养装置中的玉米根系进行短时热激励,再用红外热像仪采集根系红外热像,利用土壤与根土间隙水流温度的差异实现土壤遮挡处根系的热成像。其次,对预处理后的根系热像,进行端点和最佳匹配对判定,并利用Criminisi改进算法对红外热像中的断根连接,实现根系热红外图像的修补。最后,利用以上方法分别对不同老化天数的玉米种子幼苗进行根系表型检测验证。结果表明,所提出的热红外成像方法可有助于土壤遮挡处根系的表型图像信息增强,比彩色图像提取的根系表型参数精度提高约0.5%~10%。玉米种子老化1d后其根系表型参数总根长(RTL)和总根数(RTN)未见明显差异,但老化3d和6d的种子其根系表型参数具有显著差异, RTL减少20%~35%, RTN减少10%~55%,反映了玉米种子长时间老化后其活力存在显著下降。不同老化天数的玉米根系表型参数RTL和RTN均与老化天数呈显著负相关,可作为种子活力的重要指标参数,其中,种子根系RTN参数对老化更为敏感,更能够直观反映种子的活力水平,老化1和3 d的种子发根与未老化种子相比均推迟1 d;老化6 d的种子其发根则推迟2 d,且后续根系发育一直迟缓。所提的基于热红外成像的根系表型检测结合Criminisi改进算法的根系表型检测方法,可用于作物根系表型高通量无损检测,具有广阔的应用前景。

主 题 词：根系表型 热红外成像 图像修复 种子 无损检测 

学科分类：09[农学] 0901[农学-植物生产类] 

核心收录：

D　O　I：10.3964/j.issn.1000-0593(2020)09-2845-06

馆 藏 号：203968575...