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《植物根系三維矢量模型的構(gòu)建與分析方法》由會員上傳分享，免費在線閱讀，更多相關(guān)內(nèi)容在學(xué)術(shù)論文-天天文庫。
1、學(xué)校代碼：10564學(xué)號：2013206503分類號：TP319.41密級：碩士學(xué)位論文植物根系三維矢量模型的構(gòu)建與分析方法李一海指導(dǎo)教師：周學(xué)成教授學(xué)院名稱：工程學(xué)院專業(yè)名稱：模式識別與智能系統(tǒng)答辯委員會主席：鐘南教授中國·廣州2016年6月華南農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明本人鄭重聲明：所呈交的學(xué)位論文是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下獨立進行研究所取得的研究成果。除了文中特別加以標注引用的內(nèi)容外，本論文不包含任何其他個人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫的作品成果。對本文的研究做出重要貢獻的個人和集體，均已在文中以明確方式標明。本人完全
2、意識到本聲明的法律結(jié)果由本人承擔(dān)。作者簽名：日期：學(xué)位論文提交同意書本學(xué)位論文符合國家和華南農(nóng)業(yè)大學(xué)關(guān)于研究生學(xué)位論文的相關(guān)規(guī)定，達到學(xué)位授予要求，同意提交。導(dǎo)師簽名：日期：學(xué)科帶頭人簽名：日期：摘要根系構(gòu)型是植物根系生長和分支的結(jié)果，它決定了植物吸收和傳導(dǎo)水分、養(yǎng)分的能力。不同的根系構(gòu)型顯著影響著植物對養(yǎng)分、水分的吸收利用效率。根系構(gòu)型分為二維構(gòu)型（或平面構(gòu)型）和三維構(gòu)型（或立體構(gòu)型）。三維構(gòu)型是指不同類型的根系在生長介質(zhì)中的空間分布，包括根系的連接關(guān)系（拓撲結(jié)構(gòu)）與空間分布特征。相對于平面構(gòu)型，三維構(gòu)型能更
3、準確、更全面地反映植物根系在地下介質(zhì)空間中的幾何形態(tài)和分布特征。因此，植物根系三維構(gòu)型的定量檢測和分析近年來逐漸成為國際上根系相關(guān)研究的重要方向和研究熱點。三維構(gòu)型定量化研究的主要技術(shù)瓶頸在于，土壤等生長介質(zhì)的阻隔限制了人們對根系的原位直接觀測，以及根系本身的復(fù)雜性和重疊性構(gòu)成了對其進行精確測量的難度。目前獲取根系原位三維構(gòu)型的技術(shù)方法主要有核磁共振成像（MRI）、X射線層析成像（XCT）和探地雷達成像（GPR）等。華南農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)業(yè)成像檢測技術(shù)研究室在國家自然科學(xué)基金、國家“863”計劃專題項目等多項課題的資助
4、下，相繼開展了基于XCT的植物根系原位成像方法、空間序列圖像的處理與分析方法、原位根系的三維可視化以及基于可視化模型的基本構(gòu)型參數(shù)的測量方法等一系列相關(guān)研究工作，完成了原位根系計算機層析成像系統(tǒng)和三維可視化系統(tǒng)的構(gòu)建與開發(fā)。為了進一步實現(xiàn)植物根系三維構(gòu)型參數(shù)的原位測量與定量分析，在課題組前期研究成果的基礎(chǔ)上，本文重點開展了基于空間序列圖像的植物根系三維矢量模型的構(gòu)建與分析方法研究，旨在研究構(gòu)建一種便于定量描述原位根系空間幾何形態(tài)、更適于三維構(gòu)型參數(shù)測量計算與分析的植物根系三維矢量模型，以顯著減少三維可視化模型的
5、數(shù)據(jù)量和測量計算難度，提高三維構(gòu)型參數(shù)的測量精度和效率。本文完成的主要研究工作如下：（1）通過熟悉課題組前期工作和相關(guān)文獻的閱讀與分析，詳細了解國內(nèi)外植物根系三維構(gòu)型檢測技術(shù)方法的研究概況。根據(jù)對現(xiàn)有植物根系構(gòu)型參數(shù)的計算與分析方法的比較分析，確定了研究工作的總體方案和技術(shù)路線。（2）植物根系原位CT序列圖像的采集與處理。采用基于平板探測器的計算機層析成像系統(tǒng)獲取植物根系樣品的CT序列圖像；經(jīng)過中值濾波和區(qū)域分割處理，然后將其封裝構(gòu)成三維體數(shù)據(jù)作為構(gòu)建植物根系三維矢量模型的原始數(shù)據(jù)。（3）植物根系三維矢量模型的
6、構(gòu)建方法。首先，借助重切技術(shù)對三維體數(shù)據(jù)進行重切以獲取重切CT圖片，根據(jù)重切圖片中各根截面的質(zhì)心、面積、等效圓半徑和等I效圓周長等信息構(gòu)建初始根結(jié)點。在此基礎(chǔ)上，根據(jù)植物根系的形態(tài)特征設(shè)計根結(jié)點分組算法，確定不同根結(jié)點的分支屬性，構(gòu)建不同的根分枝。其次，對上述根分枝結(jié)點進行曲線擬合，以固定間隔采樣擬合曲線上的點作為新根心點，并在各新根心點處再次重切（切面與擬合曲線垂直且經(jīng)過新根心點）三維體數(shù)據(jù)以獲取新根截面，根據(jù)其面積、等效圓半徑以及等效圓周長等信息構(gòu)建新根結(jié)點以取代初始根結(jié)點。最后，通過判定各根分枝的連通性構(gòu)
7、建其拓撲關(guān)系。（4）植物根系三維構(gòu)型參數(shù)的計算測量。在三維矢量模型的基礎(chǔ)上，設(shè)計根數(shù)、根長、根夾角、根體積以及根表面積等根系三維構(gòu)型參數(shù)的計算方法。根數(shù)等于矢量模型的根分枝數(shù)，根長等于根分枝內(nèi)各相鄰根結(jié)點間的距離之和，根夾角定義為子根分枝首根結(jié)點的法向量與父根分枝相應(yīng)分叉根結(jié)點的法向量之間的夾角。根據(jù)植物根系的形態(tài)特征，相鄰根結(jié)點間根段的體積和側(cè)面積可通過將其等效為圓臺來計算；根體積等于根分枝內(nèi)各相鄰根結(jié)點間根段的體積之和；根表面積則等于根分枝內(nèi)各相鄰根結(jié)點間根段的側(cè)面積之和。（5）植物根系三維矢量模型構(gòu)建與分
8、析系統(tǒng)。在Windows平臺上采用C++編程語言，結(jié)合跨平臺圖形用戶界面應(yīng)用程序開發(fā)框架Qt、醫(yī)學(xué)圖像分割與配準工具箱ITK（InsightSegmentationandRegistrationToolkit）以及三維可視化工具箱VTK（VisualizationToolkit），設(shè)計開發(fā)了一套植物根系三維矢量模型的構(gòu)建與分析原型系統(tǒng)，完成了上述矢量模型構(gòu)建算法的程序設(shè)計與調(diào)試。（6）
