专利名称：：一种扫描植物须根系形态结构的方法
技术领域：
：本发明涉及一种扫描方法，具体涉及一种扫描植物须根系形态结构的方法。
背景技术：
：根系对植物起着支撑作用，是植物的吸水和吸盐器官，在生态系统的生物地球化学循环中扮演着重要角色。按照植物根系形态的不同，一般可将根系分为直根系根系和须根系根系。草本单子叶植物大多数属须根系，例如禾本科植物如稻、麦、各种杂草、苜蓿，有草本双子叶植物如甘薯也有须根系。须根系主根不发达，主要由多条从胚轴和茎上长出的不定根组成，组成该根系的根均不增粗，各条根的粗细近似。这些须根在水土流失严重的地区可明显提高土壤抗侵蚀能力，主要通过直径小于lmm的须根起作用，通过增加土壤水稳性团聚体的数量与粒径等作用来提高土壤的稳定性，以抵抗水流分散；还能有效地增强土壤渗透性，减少径流，从而达到减少土壤冲刷的目的(熊燕梅等，2007)。因此从事须根系研究对于提高土壤抗侵蚀性有着重要意义。另外，根长、根系的吸收面积、根系密度是衡量根系吸收能力的重要指标，根系活跃吸收面积和根系密度大，则吸收营养元素和水的能力增加(李话和张大勇1999)。根系的吸收面积可根据根系的形态结构如长度和直径来计算，根系密度是指单位土壤体积中根的总长度。因此对须根系形态结构的精确测量和分析至关重要。受技术所限，早期利用传统的方法一排水法和甲烯蓝法分别测量须根系的体积和表面积，但是这种方法对于进行大批量须根系植物根系形态结构的研究者来说繁琐、复杂，存在有一定的局限性，因而限制了相关研究的进展。近期以来，随着计算机技术的发展，图像处理系统的引入大大提高了根系形态研究的效率。将根系形态转换计算机能够识别的数字信息，借助自动化智能化的计算机分析处理技术极大的提高了分析的速度和准确性。目前适用于作物形态研究的图象分析的系统有美国CID公司的CIAS、英国DEVICESLTD公司的DIAS、WlNDIAS和Delta-TSCAN，加拿大Regent公司的WinRHIZOTronMF等图象分析系统，专门的计算机图形分析软件也被开发出来用于根系图像信息的分析处理，它们的图象处理与分析的主要过程包括图象获取、图象预处理、图象分割与特征提取、图象分析与处理等(陈久军等，2007)。计算机软、硬件领域突飞猛进的发展虽然能满足这些图形分析系统的需求，但是作为系统的起始端，如何能使图象获取过程中所釆集的图象不仅清晰、对比度好、质量高，更加准确反映待测目标特性成为扫描技术的关键。目前，须根系常用扫描技术一平板扫描法是将根系清洗干净(或者染色)后摆放于扫描仪的玻璃板上，盖上盖板进行扫描。虽然根系也进行了预处理，但是须根系不易摆开，特别是具有重大研究意义的(直径〈lmm)毛细根不易被分开，与排水法相比，根系图象分析结果(根系表面积、根系体积、根系密度)的准确度降低，图像获取过程中不能正确观察到须根系的形态结构，使分析的结果相对实际值要小，且重复之间缺乏精确性。因此平板扫描技术发明以来，进行地下根系研究的科研工作者为了提高须根系分析的精准性一直在极力改善这种根系平板扫描技术，但是至今仍未找到较为精确的扫描方法。1、熊燕梅，夏汉平，李志安，蔡锡安。植物根系固坡抗蚀的效应与机理研究进展。应用生态学报，2007，18(4):895-9042、李话，张大勇。半干旱地区春小麦根系形态特征与生长冗余的初步研究。应用生态学报，1999，10(1):110-1143、陈久军，肖刚，高飞，高济，张元鸣。基于HAB优化算法的图像语义目标对象提取研究。中国图象图形学报，2007，12(8):1359-1366
发明内容针对上述现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种扫描植物须根系形态结构的方法，该方法成本低、效果好、对于进行大量须根系扫描的使用者来说操作方便、可明显提高根系分析的精确性和准确度。实现上述发明目的的技术方案是一种扫描植物须根系形态结构的方法，包括下列步骤1)先制作一个质地好、透光率高的玻璃槽，并在槽四壁的外面涂上黑色；2)然后在玻璃槽内倒入适量的水，并将植物的须根系放入玻璃槽的水中，使须根系在水中完全伸展；3)最后，将玻璃槽放置于扫描仪的玻璃片上，盖上扫描仪盖板直接进行根系扫描。玻璃槽中的水能使须根上的毛细根相互分开，且能固定根系摆放位置，使根系之间不易交织重叠在一起，扫描图像能较清晰的反映根系的数量和形态结构，几次重复间的分析误差小。甲烯蓝法测定根系表面积，排水法测定根系体积是虽传统但较精确的方法，但是二者操作都比较繁琐，且不能同时测定根系密度和形态结构。因此发明的根系扫描法与之相比，操作简单、快捷、能进行大量的根系分析，包括根系密度、表面积、体积。且测量误差小。另外，对于颜色浅的根系，扫描前要进行染色预处理。染色过的根系在水中具有电荷可以相互排斥，对于进行大批量的根系扫描分析者来说可以节省时间。根系放在水槽中可避免盖板直接接触根系，又方便扫描。与现有技术相比，本发明的平板水槽扫描法具有以下优点1.提高了扫描须根系图像分析结果的精确性。2.提高了扫描须根系图像分析结果的准确度，给须根系分析带来了便利条件。3.不仅节省时间，而且操作方便。图1是用本发明的方法和常规方法扫描的狗牙根草须根系的图像比较。图2是用本发明的方法和常规方法从不同角度扫描图像狗牙根草须根系的图像比较。具体实施例方式一种扫描植物须根系形态结构的方法，首先制作一个较精致的玻璃槽，玻璃质地好，透光率高，表面光滑无斑，玻璃槽的长、宽和高度视扫描仪而定。槽的四壁外面涂上黑色，避免光折射影响图像效果。然后将植物的须根系放入玻璃槽的水中，水量以不超过根系表层lcm为宜，须根系在水中完全伸展后，把水槽放置于扫描仪的玻璃片上，然后盖上扫描仪盖板进行根系扫描。从两种扫描方法获得的图像信息中可以看，本发明的方法比常规方法扫描图像采集的信息量大，在不同的角度扫描的根尖数量是常规法的2倍多，能清晰地反映图像的覆盖度。从表1中可以看出常规法扫描出的根系覆盖度比实际值要小。因此本发明的方法对图像信息的精确扫描使根系分析结果更加清晰和准确。如表2所示，常规方法不能将细根分开，见图lb和图2b，不能清晰地扫描毛细根数量和结构形态。所以根系的直径比实际的值大2倍多，扫描的根系数量虽然较少，但是根系的容积相对还是比较高。本发明的方法能将毛细根和主根分开见图la和图2a，图中清晰的反映了毛细根的数量和结构形态；因此所扫描的根系总数量、反映的根系面积和总长度分别比常规法增加了459.6%、10.5°/。和131.7%。以此，可以较精确地计算根系密度。表3中可以看出本发明技术扫描的图像重复性好，精确度非常高。另外，排水法和甲烯蓝法是虽传统但较精确的根系体积、表面积的测量技术，但是不能同时测定根系的形态结构。与排水法和甲烯蓝法相比，两种扫描技术的相对误差有显著性差异，尤其是根系体积，以本发明技术扫描的根系体积和表面积准确度相对传统扫描法大65.64%。以上大量的数据表明水槽平板扫描法可靠，方便，实用。表i分析不同扫描技术的主要根系形态结构的图像信息比较(与扫描图像相对应)处理图像信息比较VECsHECsACsSCs(mm/mm)ICP(%)常规扫描法1381417959158860.03515.1976平板水槽扫描法3068038870347750.10427.7865说明VECs:垂直边缘数量；HECs:水平边缘数量；ACs:平均数量;SCs:标准数量；ICP:图像覆盖度。表2分析不同扫描技术的主要根系形态结构的图像分析结果比较(与扫描图像相对应)<table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table>说明SA:根系面积；AD:根系平均直径；LS:根系长度；OS:扫描根系数量；SV:根系容积；no:不能进行分析。表3分析不同扫描技术的主要根系形态结构的精确度(与扫描图像相对应)<table>tableseeoriginaldocumentpage8</column></row><table>说明缩写同上，精确度指的是运用同一种扫描方法所测定的几次重复之间的误差值；准确度指的是两种方法所测得的根系表面积、根系体积分别与甲烯蓝法、排水法测定结果之间的接近程度，这里用相对误差来表示，相对误差越小，准确度越高；*代表同列数值之间的显著性差异。权利要求1.一种扫描植物须根系形态结构的方法，其特征在于，包括下列步骤1)先制作一个质地好、透光率高的玻璃槽，并在槽四壁的外面涂上黑色；2)然后在玻璃槽内倒入适量的水，并将植物的须根系放入玻璃槽的水中，使须根系在水中完全伸展；3)最后，将玻璃槽放置于扫描仪的玻璃片上，盖上扫描仪盖板直接进行根系扫描。全文摘要本发明公开了一种扫描植物须根系形态结构的方法，该方法是将植物根系放入一个盛有水的精致玻璃槽内，使须根系完全伸展开，把水槽放置于扫描仪的玻璃片上，然后盖上扫描仪盖板进行根系扫描。应用该方法提高了扫描根系图像分析结果的精确性，提高了根系图像扫描的准确度，给须根系植物的根系形态结构分析带来了便利条件。文档编号H04N1/00GK101547277SQ20081023224公开日2009年9月30日申请日期2008年11月13日优先权日2008年11月13日发明者上官周平,燕方,杨慎骄,王凯博,邵瑞鑫申请人:中国科学院水利部水土保持研究所