本发明属于植被固土的相关力学分析领域，涉及一种基于ct扫描技术的植物根系组成识别方法。
背景技术：
随着经济发展，当代社会面对着环境污染、资源紧缺，生态系统退化各类严峻问题，人们逐渐认识到生态文明建设的重要性。在建设“美丽中国”的号召之下，针对生态修复方面的科学研究越来越多。其中在水土保持领域，利用植被固土又是现阶段各类研究成果公认的有效手段。
在这类研究之中，往往需要大量取样进行土力学相关试验。但是分析实验数据时，由于植物根部包含在土壤之中，无法直观地得到其生长状况、形态特点，进行的力学分析是低效且不够清晰的。在这种情况下，若能对植物根部进行扫描，得到其三维模型，就能大大地方便这些固土研究中的力学分析。而本发明正是用于解决这类问题的。
拍照式三维扫描仪主要基于光学三角测量原理，首先投影模块将一系列编码光栅投影到物体表面；由采集模块得到相应被调制的图象，然后通过特有的算法获取点云数据的三坐标位置，可以直接运用到植被根部扫描中，但这类仪器体形笨重或价格高昂，在实际研究中不易操作。
本发明提出了一种基于ct断层拍照的植物根部扫描技术，能快速、简便地对包含在土壤样品里的植物根部进行扫描，并得到较为精确的三维模型。
技术实现要素：
本发明需要解决的问题是针对上述现有技术的不足，而提供一种基于ct扫描技术的植物根系组成识别方法。
本技术的主要内容如下：
一种基于ct扫描技术的植物根系组成识别方法，包括以下步骤：
步骤1、根据样品的高度，将样品等分切成若干片，并对切片的截面进行拍摄，得到若干张jpg格式的植物根部断层照片；
步骤2、根据植物根部断层照片进行三维重建，
(2.1)对植物根部断层照片预处理，jpg格式的植物根部断层照片转换为256色bmp图像，再对256色bmp的图像进行图像增强，消除或减少噪声的干扰，得到植物根部断层图像；
(2.2)对植物根部断层图像进行表面绘制：
采集重建数据、对植物根部断层图像中植物根部的边界轮廓曲线进行表面绘制、设置图像光照效果、设置图像的显示效果；
(2.3)对植物根部断层图像进行体绘制：
采集体重构数据、对体重构数据进行预处理、计算数据集在显示平面累计投影、构造三维体重构碎片处理、设置图像的颜色、阴影及显示效果；
步骤3、建立植物根部的矢量模型：
包括提取根系骨架和根结点属性值；具体步骤为：创建初始根节点、创建初始根分支、重构根节点和根分枝、获取新节点的属性值、判定根分支关系和补充根节点。
步骤(2.1)中，用windows自带的画图工具将jpg格式的植物根部断层的照片转换为256色bmp图像；图像增强通过matlab7.0实现，包括直方图修改、图像平滑、图像边缘锐化和彩色增强，可通过直接调用函数实现，包括以下几种方法：一、采用直方图灰度变换法，扩大图像灰度范围，使原图像的细节成分更加清楚；二、通过imadjust、histeq或wiener2函数实现；对比度自适应直方图均衡化，对图像的某个部分均衡化，保护图像边缘的同时，除去图像中的孤立点、线的噪声；三、用adapthisteq、isteq、fspecial、filter2、conv2或medfilt2函数实现；四、平滑与锐化滤波法。
步骤(2.2)中对植物根部断层图像表面绘制包括以下步骤：
步骤2.2.1、进行重建数据的采集，运用傅立叶级数的系数，求出植物根部切片图像其根部边界上若干个点x，y向的坐标值，并为其加上z坐标值；
步骤2.2.2、利用surf函数进行边界轮廓曲线表面绘制，并利用colormap和shading函数设置图像的颜色及阴影效果；
步骤2.2.3、利用light函数设置图像光照效果；
步骤2.2.4、设置图像的显示效果，利用view函数定义观察者视角，利用lighting函数定义显示图像的光线阴影，利用axis函数定义显示图像的轴，当函数view(az，el)取不同的值时，可以得到图像不同的视角，其中az表示图像水平方向旋转的角度，el表示图像垂直方向的高度。
步骤(2.3)中对植物根部断层图像体绘制包括以下步骤：
步骤2.3.1、体绘制数据的采集，使用imread函数读入若干张植物根部断层图像中的数据得到数据集，再用cat函数将数据集创建为一个x×y×n的三维矩阵，构造三维数据集；
步骤2.3.2、根据实际情况，用reducevolume函数对步骤2.3.1中的三维数据集进行预处理，或用smooth函数对步骤2.3.1中的三维数据集进行平滑处理，减少数据量；
步骤2.3.3、利用isosurface函数计算步骤2.3.2中处理后的数据集，在显示平面累计投影，得到平面投影碎片；
步骤2.3.4、利用patch函数对上一步骤中得到的平面投影碎片进行三维重构构造三维体重构碎片，并定义图像的颜色和光线；
步骤2.3.5、设置图像的颜色、阴影及显示效果，利用colormap函数为图像定义颜色集，利用view函数定义观察者视角，利用lighting函数定义显示图像的光线阴影，利用axis函数定义显示图像的轴，使用daspect函数定义x、y、z轴的显示比例。
步骤3中构建矢量模型包括以下步骤：
(3.1)构建初始根节点：
在三维重建模型的基础上，使用重切器对模型进行重切来获取其根节点的三维坐标和面积，得到空间散点集合；
(3.2)构建初始根分支：
对步骤(3.1)中获取的空间散点集合进行分组来构建根分支，提取根系矢量模型，采用空间连通性和最短路径作为分组依据，并将面积变化率、偏转角阈值作为约束条件来提高空间散点分组的正确率，
(3.3)重构根节点和根分枝：
以根分支为处理单元进行三次b样条拟合，最终能得到一条光滑的根分支曲线，消除根节点的位置偏差；
(3.4)获取根节点属性：
使用重切器沿着根分支曲线的切向量进行二次重切，对得到的重切截面图像进行分析提取有用参数，补充根结点的面积、周长和圆率的基本属性值；
(3.5)判定根分支关系：
建立根分支的拓扑结构，根据根构型的特点，利用遍历算法，从主根出发依次向下遍历，以连通性和最短路径为约束条件进行根分支关系的判定，每个根分支结点都有一个父结点和n个子结点，根据其结构特点采用了树形数据结构来保存根分支；
(3.6)补充根节点：
通过插值的方法对稀疏的根分支部分进行结点补充，最终绘制成样品植物根部的三维模型。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：利用ct断层拍照扫描原理，先将样品切片拍照，再利用matlab软件对其进行三维重建，并利用创建模型来提高精度植物根部扫描技术，通过此项技术可更加直观清晰地进行植被固土的相关力学分析，能大大提高最终三维模型的精度，可应用于固土研究中的样品分析。
附图说明
图1为植物根部图像三维重建流程图；
图2为样品植物根部断层图像示意图；
图3为矢量模型创建方法流程图；
图4为样品植物根部三维重建效果示意图；
图5为样品的示意图。
具体实施方式
本发明以土力学三轴试验为例，其样品为直径60mm，高120mm的圆柱状带根土样，如图5(其中顶部削尖部分为取土器取样所致，经削土后得到所需样品)。具体实施方式如下：包括以下步骤：
1、样品切片拍照：
对于高为120mm的圆柱状带根土样，在其圆周面上沿纵轴每隔15mm先划线，再切片，对切片的截面进行拍照，共拍得8张jpg格式的植物根部断层图像，如图2示意。
2、三维重建：
根据植物根部断层图像进行三维重建，主要利用matlab软件，具体实施流程图如图1所示：
(2.1)植物根部断层图像预处理：
主要是将jpg格式的照片转换为matlab可以读取的格式，然后再通过一系列图像增强手段使突出原始图像中需要的信息，弱化不需要的特征。
照片原始图像是采用jpg格式的，可用windows自带的画图工具将其转换为256色bmp图像，以方便matlab所识别。
图像增强主要包括直方图修改、图像平滑、图像边缘锐化和彩色增强等。可通过直接调用函数实现，主要方法有：直方图灰度变换法，可扩大图像灰度范围，并使原图像的细节成分更加清楚。可通过imadjust、histeq、wiener2函数实现；对比度自适应直方图均衡化，对图像的某个部分均衡化，可在保护图像边缘的同时，能除去图像中的孤立点、线的噪声，可用adapthisteq、isteq、fspecial、filter2、conv2、medfilt2等函数实现；还有平滑与锐化滤波法等，通过图像增强可使原始图像变得较清晰，能够较真实地反映图像的结构特征，便于三维重建的处理及显示。
(2.2)植物根部断层图像表面绘制：
步骤2.2.1、进行重建数据的采集，运用傅立叶级数的系数，求出边界上若干个点x，y向的坐标值，并为其加上z坐标值。
步骤2.2.2、进行边界轮廓曲线表面绘制，利用surf函数实现，并可利用colormap、shading函数设置图像的颜色及阴影效果。
步骤2.2.3、设置图像光照效果，利用light函数实现。
步骤2.2.4、设置图像的显示效果，利用view函数定义观察者视角，利用lighting函数定义显示图像的光线阴影，利用axis函数定义显示图像的轴，需要注意的是当函数view(az，el)取不同的值时，可以得到图像不同的视角，其中az表示图像水平方向旋转的角度，el表示图像垂直方向的高度。
(2.3)植物根部断层图像体绘制：
步骤2.3.1、体绘制数据的采集，对现有的8张植物根部断层图像数据进行三维数据集的构造，得到的数据集为一个x×y×n的三维矩阵。在这个步骤中使用imread函数读入现有图像，再使用cat函数创建三维矩阵。
步骤2.3.2、体绘制数据预处理，步骤一中的三维数据集，数据量极大，不仅运行速度慢，并且有可能超出计算机内存。因此需根据实际情况，对数据集进行预处理，减少数据量。可通过reducevolume函数实现。在这之中还可用smooth函数对数据进行平滑处理。
步骤2.3.3、计算数据集在显示平面累计投影，利用isosurface函数实现。
步骤2.3.4、构造三维体重构碎片处理，利用patch函数实现，并且还能定义图像的颜色、光线。
步骤2.3.5、设置图像的颜色、阴影及显示效果，利用colormap函数为图像定义颜色集，利用view函数定义观察者视角，利用lighting函数定义显示图像的光线阴影，利用axis函数定义显示图像的轴，使用daspect函数定义x、y、z轴的显示比例。
3、创建矢量模型：
具体流程图参见图3。
(3.1)创建初始根节点：
在三维重建模型的基础上，使用重切器对模型进行重切来获取其根节点的三维坐标和面积。但由于重切器角度以及截面轮廓不规则将导致获取的根节点坐标和面积存在一定的误差，所以此步中获取的根节点仅为初始根节点，需进一步处理减小误差。
(3.2)创建初始根分支：
首先上一步骤中获取的根节点集合仅为空间散点集合，为了提取到根系矢量模型，需要对这些空间散点进行分组来创建根分支。具体分组策略是采用空间连通性和最短路径作为分组依据，并将面积变化率、偏转角阈值作为约束条件来提高空间散点分组的正确率。
(3.3)重构根节点和根分枝：
为了纠正步骤(3.1)中初始根节点的位置偏差，以根分支为处理单元进行三次b样条拟合，最终能得到一条光滑的根分支曲线，用以替代那些有偏差的根节点。通过此步骤，便将基本消除根节点的位置偏差。为获取到精准的根系矢量模型做准备。
(3.4)获取根节点属性：
在上一步骤中，已经得到了根节点的精确坐标值后，但仍需进一步补充根结点的面积、周长、圆率等基本属性值。获取属性数据的方法是使用重切器沿着根分支曲线的切向量进行二次重切。对得到的重切截面图像进行分析提取有用参数。
(3.5)判定根分支关系：
此步骤将建立根分支的拓扑结构。根据根构型的特点，可判断其近似为一种树形结构，每个根分支结点都有一个父结点和n个子结点。根据其结构特点采用了树形数据结构来保存根分支。并设计一种遍历算法，从主根出发依次向下遍历，以连通性和最短路径为约束条件进行根分支关系的判定。
(3.6)补充根节点：
在上述步骤中，由于某些根分支位置根节点较为稀疏，为了提高根构型参数测量精度，还需要通过插值的方法对根分支部分进行结点补充。
通过这3个步骤，最终可绘制样品植物根部三维模型，其效果示意图如图4。
本发明中涉及的未说明部份与现有技术相同或采用现有技术加以实现。