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

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Crimini-si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％,RT N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3d的种子发根与未老化种子相比均推迟1d;老化6d的种子其发根则推迟2d,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.