圖像分辨率對草本植物根系形態(tài)學參數(shù)的影響

張澤悠,汪先軍,郭水良

(上海師范大學 生命與環(huán)境科學學院,上海 200234)

0 引 言

植物根系對于作物的生長發(fā)育和產(chǎn)量形成具有極其重要的影響,但由于作物根系隱藏于地下,人們對根系的了解,是一個從自發(fā)認識到自覺研究的過程.根系是植物的重要組成部分,是植物生長發(fā)育、新陳代謝的主要營養(yǎng)器官.根系形態(tài)參數(shù)是反映根系生長狀況的主要因素,通過定期測量和分析植物根系形態(tài)參數(shù)對于了解、研究植物的生長發(fā)育狀況以及防治病蟲災害均具有重要意義.

隨著時代的發(fā)展,計算機輔助電子影像分析系統(tǒng)的應用提高了根系測定的精度和效率,避免了人為觀察造成的主觀影響.如用EPSON V7000根系掃描儀以及與其配套的WinRhizo根系圖像分析軟件可以一次測定獲得根系長度、面積、體積、平均直徑、根尖數(shù)等多項指標,廣泛地運用于根系形態(tài)和構型研究[1-3].

EPSON V7000根系掃描儀的原理是,利用高質(zhì)量圖形掃描儀獲取高分辨率植物根系彩色圖像或黑白圖像,該掃描儀在掃描面板下方和上蓋中安裝有專門的雙光源照明系統(tǒng),并且在掃面板上預留了雙光源校準區(qū)域.此外,還配備有不同尺寸的專用、高透明度根系放置盤.掃描時,掃面板下的光源和上蓋板中的光源同時掃過高透明度根盤中的根系樣品,這樣可以避免根系掃描時容易產(chǎn)生的陰影和不均勻等現(xiàn)象的影響,有效地保證了獲取的圖像質(zhì)量.

顧東祥等已經(jīng)注意到了掃描儀得到的圖像的灰度閾值對根系形態(tài)參數(shù)的影響[4].他們發(fā)現(xiàn),使用根系分析軟件需要調(diào)節(jié)灰度圖像閾值來分析圖像上粗細不同的根.

掃描儀有不同的分辨率,不同分辨率的圖像在應用根系分析軟件獲得的根系形態(tài)參數(shù)是否不同？是否影響到研究的結果？目前尚無人關注這一問題.另一方面,掃描儀分辨率高低決定了掃描儀所能記錄的圖像的細致程度.但是,掃描分辨率越大,獲得的圖像文件尺寸也越大,需要更長的時間、更多的內(nèi)存.

本研究的目的是,應用北美車前(Plantagovirginica)、加拿大一枝黃花(Solidagocanadensis)、小飛蓬(Conyzacanadensis)和春飛蓬(Erigeronphiladelphicus)4種不同生活型的草本植物,通過不同分辨率下根系形態(tài)參數(shù)的比較,了解圖像分辨率對根系形態(tài)參數(shù)分析結果的影響,并回答應該選擇什么樣的圖像分辨率,既能保證數(shù)據(jù)的精度又能達到節(jié)約時間的目的.

1 材料與方法

于2012年3月從上海師范大學徐匯校園采集北美車前、小飛蓬、加拿大一枝黃花和春飛蓬這6種草本植物.

材料洗凈后通過根系掃描儀測量記錄4種植物的地下部分形態(tài)指標,每種植物均進行了5～8種不同分辨率的測定.其中,北美車前、酢漿草和加拿大一枝黃花均采用50、150、240、300、360、600、800 dpi 7個分辨率,小飛蓬和春飛蓬均采用50、150、240、300、360、600、800、2400 dpi 8個分辨率,牛繁縷采用0、150、240、300、360 dpi 5個分辨率.在此基礎上,再應用掃描儀配套的WinRHIZO根系分析系統(tǒng)軟件對根的長度、面積、直徑、體積、根尖數(shù)、分叉數(shù)等進行定量分析.在獲得根系各形態(tài)學參數(shù)的基礎上,比較不同分辨率在根總長、根投影面積、根體積等方面的區(qū)別.

為了定量反映圖像不同分辨率對根系形態(tài)數(shù)據(jù)的影響,選擇根系形態(tài)學分析中最常用的根長、體積和面積3個指標,借助于Curve-Expert 1.3曲線按擬合軟件建立分辨率(X)和根系形態(tài)指標(Y)之間的函數(shù)關系,選擇極統(tǒng)計上達到極顯著相關的函數(shù)式表達兩者之間的關系.

最后,對3個根系形態(tài)指標進行最大值標準化,以標準化后的數(shù)據(jù)為指標(Y),建立與圖像分辨率之間的函數(shù),應用EXCEL的作圖功能,在同一圖上反映3個根系指標隨著圖像分辨率變化而改變的特點,進而提出每種植物根系分析時的圖像分辨率.

為進一步了解圖像分辨率對根系其他形態(tài)指標的影響,以小飛蓬為例,將形態(tài)指標進行最大值標準化后,進一步分析了圖像分辨率對根分叉數(shù)(fork)、根尖數(shù)(Tip),以及10個直徑等級的根長、面積、體積等形態(tài)指標的影響.

2 結果與分析

4種草本植物根根系總長度、投影面積、總體積、平均直徑等指標見表1、3(對應函數(shù)關系見表2,4).從表1、3和圖1、2的結果來看,根系掃描時的分辨率選擇對根系形態(tài)參數(shù)有強烈的影響.隨著設置的圖像分辨率的提高,根的總長度開始呈現(xiàn)指數(shù)式上升,后趨于某一值,而根的面積、體積和直徑則開始呈指數(shù)式下降,后趨于某一值.4個形態(tài)指數(shù)(Y)與圖像分辨率(X)的關系均可以用Y=A·e(B/X)來表示,而且兩者的相關系數(shù)均在0.99以上(P<0.001).

表1 不同分辨率下北美車前、加拿大一枝黃花根系4個形態(tài)指標

表2 表1各指標對應函數(shù)的關系

表3 不同分辨率下小飛蓬和春飛蓬根系4個形態(tài)指標

表4 表3各指標對應的函數(shù)關系

將4個形態(tài)指標進行最大值標準化處理后,形態(tài)指標(Y)與分辨率(X)的函數(shù)關系也均可以用Y=A·e(B/X)來表達,依據(jù)它們的函數(shù)式,應用EXCEL作出了分辨率與形態(tài)指標關系的曲線圖(圖1、2).

圖1 不同分辨率下北美車前(左)和加拿大一枝黃花(右)根的形態(tài)學參數(shù)

根據(jù)圖1、2的特點,考慮到4個指標的分析需要,不同種類根系分析時(至少在本案例研究中),圖像的分辨率要求不同.例如對于北美車前和加拿大一枝黃花來說,當圖像分辨率在200 dpi以上后,4個形態(tài)的數(shù)據(jù)不再呈指數(shù)式變化,而趨向于各自的某個數(shù)值,考慮到工作時間,建議采用200 dpi的分辨率進行圖像掃描.而對于小飛蓬和春飛蓬,在分辨率200 dpi時,根長這一指標尚沒有達到穩(wěn)定,根長這一指標在分辨率為400 dpi左右時達到基本平穩(wěn),對于這小飛蓬和春飛蓬,建議用400 dpi的分辨率采集圖像進行根系形態(tài)參數(shù)的分析.

圖2 不同分辨率下小飛蓬(左)和春飛蓬(右)根的形態(tài)學參數(shù)

以小飛蓬為對象,進一步的分析表明,掃描精度對根系不同直徑等級的長度、面積和體積的影響也極為明顯.隨著圖像分辨率由低到高,最細一級(1.5

圖3 不同分辨率下小飛蓬不同直徑等級的根長參數(shù)變化

圖4 不同分辨率下小飛蓬不同直徑等級的面積參數(shù)變化

小飛蓬的根尖數(shù)、分叉數(shù)、根系的重疊數(shù)和連接數(shù)等形態(tài)指標也隨著圖像分辨率的變化而變化,都呈現(xiàn)由小到大的趨勢,但是隨著圖像分辨 (X)由低到高,根系交疊數(shù)(Crossing,Y)呈Y=1252.0218·e(-208.4813/x)r=0.9811)變化,即先指數(shù)式提高,后趨緩趨穩(wěn),接近于某個值.根尖數(shù)(Y1)、根交叉數(shù)(Y2)和根系連接數(shù)(Y3)則呈線性增長,分別符合:Y1=88.8862+1.6381·X(r=0.9951),Y2=214.5082+5.6604·X(r=0.9981);Y3=778.9116+9.3201·X(r=0.9970).

圖5 不同分辨率下小飛蓬不同直徑等級的體積參數(shù)變化

圖6 不同分辨率下小飛蓬不同直徑等級根尖數(shù)、分叉數(shù)、交疊數(shù)和連接數(shù)變化

3 結 語

根系分析儀能夠高效地提供研究對象的根系形態(tài)學參數(shù),通過根系特點來反映植物的生理和生長狀態(tài).但是圖像的參數(shù)選擇會對根系分析結果有影響.例如WinRhizo軟件介紹中就提到,在分析根系圖像中較細的分枝根時需要提高圖像閾值,但是較高的閾值亦會增加粗根(如不定根)長度、表面積和體積等指標的測量誤差[5].

通過EPSON V7000根系掃描儀采集根系圖像后,再應用與其配套的WinRhizo根系圖像分析軟件,能夠一次得到根長、面積、體積、直徑,根交叉數(shù)(fork)和根尖數(shù)(Tip),以及10個直徑等級的根長、面積、體積等數(shù)據(jù).本文作者定量分析了不同根系掃描精度前4個指標值的影響.結果表明:圖像的掃描精度對于分析結果有強烈影響.以小飛蓬為例,進一步分析了圖像分辨率對根分叉數(shù)、根尖數(shù)、交疊數(shù)和連接數(shù)的影響,發(fā)現(xiàn)圖像分辨率對這些指標值的影響也極為強烈,而且在不同圖像分辨下的數(shù)據(jù)變化特點更復雜.因此,在應用圖像掃描和根系分析軟件測定根系形態(tài)參數(shù)時,一定要注意圖像分辨率對結果的影響,針對不同類群植物,需要開展預試驗確定恰當?shù)姆直媛?

參考文獻:

[1] 方芳,郭水良,黃華,等.北美車前的種群密度對地上和地下器官形態(tài)的影響[J].熱帶亞熱帶植物學報,2010,12(5):419-424.

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[3] 向小亮,寧書菊,魏道智.根系的研究進展[J].中國農(nóng)學通報,2009,25(17): 105-112.

[4] 顧東祥,湯亮,曹衛(wèi)星,等.基于圖像分析方法的水稻根系形態(tài)特征指標的定量分析[J].作物學報,2010,36(5): 810-817.

[5] Regent Instruments Inc.WinRhizo Basic,Reg & Pro for Washed Root Measurement (User′s Guide)[M].Québec,QC: Regent Instruments Inc,2005.