基于线阵CCD植物微根系图像监测分析系统

第41卷第3期

2005年5月林业科学SCIE NTI A SI LVAE SI NIC AE V ol 141,N o 13May ,2005

基于线阵CCD 植物微根系图像监测分析系统

刘九庆1　汤晓华2　陈　健1　谢永华1　蒋云飞1

(11东北林业大学机电工程学院　哈尔滨150040;　21清华大学机械工程系　北京100084)

摘　要:　开发基于线阵CC D 植物活体微根系图像监测分析系统,消除面阵CC D 图像桶形畸变,实现微根系生长无损原形监测。环形微根系扫描结合纵向深度位移,系统实现微根管内微根系全景图像扫描。通过基于分形理论的计算机微根系图像处理系统完成所采集图像的分析,系统可自动完成基于像敏单元的定量化获取微根系生长关

键特性值及其生长动态特性计算。本系统可应用于农林行业苗木培养、作物生长模型研究等领域。

关键词:　线阵CC D ;植物微根系;图像监测;微根系分布密度;动态特性

中图分类号:S41 文献标识码:A 文章编号:1001-7488(2005)03-0121-04

收稿日期:2004-12-30。

基金项目:哈尔滨市青年科学研究基金项目资助(2002AFQX J010)。

The Plant Fine R oots Image Monitor Analysis System B ased on Linear CCD

Liu Jiuqing 1　T ang X iaohua 2　Chen Jian 1　X ie Y onghua 1　Jiang Y un fei 1

(11College o f Mechanic and Electronic Engineering ,Northeast Forestry Univer sity Harbin 150040;　

21Department o f Mechanic Engineering ,T singhua Univer sity Beijing 100084)

Abstract :　The live plant fine roots image m onitor analysis system based on linear CC D was exploited ,which elim inated the area CC D doliform aberration of the image ,and realized unbroken analyzing the form of fine roots.C ombining circle fine roots scan w ith portrait depth displacement ,the system realized fine roots panorama image scan inside the m inirhizotron.By the com puter fine roots image procession system based on the fractal theory ,the collected image was analyzed.The fine roots key grow th parameters and the dynam ic grow th traits can be automatically calculated out quantitatively by the system based on pixel level.The system can be used in the fields of nursery planting and the crop grow ing m odule research in agriculture and forestry.K ey w ords :　Linear CC D ;plant fine roots ;image m onitoring ;distributing density of fine roots ;dynam ic traits

植物微根系的生长、衰老、死亡和分解过程研究越来越为植物研究学者、生态学家所重视(G ill et al .,2000;Lauenroth ,2003)。植物微根系观测研究很不方便,经过长期研究归纳出以下方法:田间直接方法、直接观察方法和间接观察方法,其中国外又以直接观察法中的微根管法发展应用较快。微根管法于1937年首次被提出来应用于微根系生长研究(Johns on et al .,2001),即以一定的角度向土壤中插入透光性较好的玻璃管或塑料管,通过管壁与土壤间的界面进行微根系生长全过程原方位无损观察。最初的微根管技术只能实现肉眼观察,经逐渐改进采用通过事先安装于玻璃或透明塑料管中的潜望镜来观察土壤中微根系生长的动态过程。安装袖珍望远镜以放大微根系图像,配以袖珍相机,拍照记录微根系的生长动态过程。在此基础上已开发出许多新的观测手段,包括根潜望镜(Richards ,1984)、内诊镜(N oordwijk et al .,1985)和小型彩色摄像仪(Hendrick et al .,1993),并配备录像带进行自动摄像以观察微根系生长的动态过程(Cheng et al .,1990)。

随着半导体技术的不断发展,特别是CC D 技术的成熟,配以计算机使得微根系微根管观测技术实现了数字化。如Bartz T echnology C orporation 开发的微根管观测系统可以方便地实现数字化图像的采集、记录、存贮及基于计算机图像处理技术的微根系动态参数测量,快速准确,极大地减轻了工作量(Smit et al .,2003),采集图像质量完全可以满足分析要求。但是现有微根系图像采集系统均采用面阵CC D ,如Bartz T echnology C orporation 的产品就是先经45°棱镜反射后将图像映射在CC D 靶面上,实现图像的数字化采集。其缺点是为消除图像畸变,每次采集的微根系图像面积只能不大于CC D 面阵靶面积,限制了微根系观测范围;另外由于微根管为圆截面,而靶面为平面,故每次图像采集后须在软件中完成微根系尺寸校正计算,存在影响测量精度的因素;除此外实现同深度全景观测图像采集需加附件,操作过程比较繁琐,自动化程度较低。

本文提出基于线阵CC D 的便携式微根系微根管监测分析仪系统,有效克服上述缺陷,实现计算机控制