[发明专利]基于瓦屋状多边形的作物根系表型分析装置及方法

权利要求书

1.一种基于瓦屋状多边形的作物根系表型分析方法，其特征在于，其步骤如下：

步骤一：搭建作物根系表型分析装置：作物根系表型分析装置包括水培系统和图像采集装置，图像采集装置设置在水培系统的前方并实时获取完整根系的彩色图像；

步骤二：将步骤一得到的彩色图像进行图像裁剪，得到包含感兴趣区域的根系图像，利用图像二值化将根系图像进行分割，得到二值化图像；采用连通区域标记法保留二值化图像中面积最大的连通区域，得到根系连通区域的二值化图像；

步骤三：根系全局特征：设定根系二值化图像的左上角为原点建立坐标系，通过表示根系像素点的最左端、最右端和最顶部的像素点确定矩形区域，在矩形区域内进行二均值聚类得到根系分布稠密的阈值线，根据根系二值化图像的最顶部的像素点、最底部的像素点及阈值线上最左端和最右端的像素点确定表征根系整体扩展形态的瓦屋状多边形；

步骤四：根据瓦屋状多边形进行根系形态及生长发育规律的动态表型分析：计算根部宽度、根锥角、深根数量；将瓦屋状多边形分成多个区块，确定各个区块的根系密度，并利用人机交互界面进行图形化显示；根据瓦屋状多边形的几何参数分析植株的生长变化。

2.根据权利要求1所述的基于瓦屋状多边形的作物根系表型分析方法，其特征在于，所述水培系统可同时培育多棵种子，水培系统包括培养盒和控制箱，培养盒设置在控制箱内，所述培养盒中装有模仿土壤阻力的直径为1.5毫米的小玻璃珠，培养盒为由上部开口的玻璃板组成的盒体，培养盒的每个侧面和底面均匀设有通孔，每个通孔的外部的玻璃板上装有插槽，插槽上设有面积大于通孔的挡板；培养盒内设有固定根系的圆柱形网格；当需排出培养盒中的小玻璃珠时，按照通孔的分布高度，从高到低逐次抽出挡板打开通孔；

所述控制箱内循环设有营养溶液，控制箱内设有pH控制器、冷却系统和环境调节系统，pH控制器将营养溶液的pH调节至5.5±0.2，冷却系统将营养溶液温度保持在27±1℃，环境调节系统将培养盒的温度控制在白天28℃、夜间25℃，光照强度为400～450μmol/(m²·s)，相对湿度设定为55％。

3.根据权利要求2所述的基于瓦屋状多边形的作物根系表型分析方法，其特征在于，所述图像采集装置下部设有可移动支架，图像采集装置包括相机和LED，相机和LED均安装在可移动支架上，相机与人机交互界面相连接，人机交互界面为Roots-AD图形用户界面；

所述Roots-AD图形用户界面采用Java语言开发、作为ImageJ的插件，Roots-AD图形用户界面包括自动化的图像预处理模块、根系特征测量模块以及测量数值和图像结果导出模块，系统使用轻量级的图形用户界面设置比例尺校准、选择输入和输出文件夹，及选择使用全自动模式或半自动模式；

所述Roots-AD图形用户界面生成两种类型的结果：将数值型的测量结果导出到逗号分隔的文件中，以便后续的统计分析；产生的输出图像用于说明不同的处理步骤的中间过程。

4.根据权利要求1或3所述的基于瓦屋状多边形的作物根系表型分析方法，其特征在于，所述步骤二中图像裁剪得到包含感兴趣区域的根系图像的方法为：将彩色图像上部的2200行删掉，下部的1000行删掉，左右两侧分别删除1000列，从而将培养盒的边框去除，从而保留培养盒内的图像区域，得到感兴趣区域的图像即为根系图像；

所述图像二值化的实现方法为：只保留根系图像中红色通道的颜色分量，然后通过滑动窗口进行自适应阈值处理得到二值化图像，其中，滑动窗口的大小是培养盒的圆柱形网格的间距。