图像分辨率对草本植物根系形态学参数的影响

张泽悠,汪先军,郭水良

(上海师范大学 生命与环境科学学院,上海 200234)

0 引 言

植物根系对于作物的生长发育和产量形成具有极其重要的影响,但由于作物根系隐藏于地下,人们对根系的了解,是一个从自发认识到自觉研究的过程.根系是植物的重要组成部分,是植物生长发育、新陈代谢的主要营养器官.根系形态参数是反映根系生长状况的主要因素,通过定期测量和分析植物根系形态参数对于了解、研究植物的生长发育状况以及防治病虫灾害均具有重要意义.

随着时代的发展,计算机辅助电子影像分析系统的应用提高了根系测定的精度和效率,避免了人为观察造成的主观影响.如用EPSON V7000根系扫描仪以及与其配套的WinRhizo根系图像分析软件可以一次测定获得根系长度、面积、体积、平均直径、根尖数等多项指标,广泛地运用于根系形态和构型研究[1-3].

EPSON V7000根系扫描仪的原理是,利用高质量图形扫描仪获取高分辨率植物根系彩色图像或黑白图像,该扫描仪在扫描面板下方和上盖中安装有专门的双光源照明系统,并且在扫面板上预留了双光源校准区域.此外,还配备有不同尺寸的专用、高透明度根系放置盘.扫描时,扫面板下的光源和上盖板中的光源同时扫过高透明度根盘中的根系样品,这样可以避免根系扫描时容易产生的阴影和不均匀等现象的影响,有效地保证了获取的图像质量.

顾东祥等已经注意到了扫描仪得到的图像的灰度阈值对根系形态参数的影响[4].他们发现,使用根系分析软件需要调节灰度图像阈值来分析图像上粗细不同的根.

扫描仪有不同的分辨率,不同分辨率的图像在应用根系分析软件获得的根系形态参数是否不同？是否影响到研究的结果？目前尚无人关注这一问题.另一方面,扫描仪分辨率高低决定了扫描仪所能记录的图像的细致程度.但是,扫描分辨率越大,获得的图像文件尺寸也越大,需要更长的时间、更多的内存.

本研究的目的是,应用北美车前(Plantagovirginica)、加拿大一枝黄花(Solidagocanadensis)、小飞蓬(Conyzacanadensis)和春飞蓬(Erigeronphiladelphicus)4种不同生活型的草本植物,通过不同分辨率下根系形态参数的比较,了解图像分辨率对根系形态参数分析结果的影响,并回答应该选择什么样的图像分辨率,既能保证数据的精度又能达到节约时间的目的.

1 材料与方法

于2012年3月从上海师范大学徐汇校园采集北美车前、小飞蓬、加拿大一枝黄花和春飞蓬这6种草本植物.

材料洗净后通过根系扫描仪测量记录4种植物的地下部分形态指标,每种植物均进行了5～8种不同分辨率的测定.其中,北美车前、酢浆草和加拿大一枝黄花均采用50、150、240、300、360、600、800 dpi 7个分辨率,小飞蓬和春飞蓬均采用50、150、240、300、360、600、800、2400 dpi 8个分辨率,牛繁缕采用0、150、240、300、360 dpi 5个分辨率.在此基础上,再应用扫描仪配套的WinRHIZO根系分析系统软件对根的长度、面积、直径、体积、根尖数、分叉数等进行定量分析.在获得根系各形态学参数的基础上,比较不同分辨率在根总长、根投影面积、根体积等方面的区别.

为了定量反映图像不同分辨率对根系形态数据的影响,选择根系形态学分析中最常用的根长、体积和面积3个指标,借助于Curve-Expert 1.3曲线按拟合软件建立分辨率(X)和根系形态指标(Y)之间的函数关系,选择极统计上达到极显著相关的函数式表达两者之间的关系.

最后,对3个根系形态指标进行最大值标准化,以标准化后的数据为指标(Y),建立与图像分辨率之间的函数,应用EXCEL的作图功能,在同一图上反映3个根系指标随着图像分辨率变化而改变的特点,进而提出每种植物根系分析时的图像分辨率.

为进一步了解图像分辨率对根系其他形态指标的影响,以小飞蓬为例,将形态指标进行最大值标准化后,进一步分析了图像分辨率对根分叉数(fork)、根尖数(Tip),以及10个直径等级的根长、面积、体积等形态指标的影响.

2 结果与分析

4种草本植物根根系总长度、投影面积、总体积、平均直径等指标见表1、3(对应函数关系见表2,4).从表1、3和图1、2的结果来看,根系扫描时的分辨率选择对根系形态参数有强烈的影响.随着设置的图像分辨率的提高,根的总长度开始呈现指数式上升,后趋于某一值,而根的面积、体积和直径则开始呈指数式下降,后趋于某一值.4个形态指数(Y)与图像分辨率(X)的关系均可以用Y=A·e(B/X)来表示,而且两者的相关系数均在0.99以上(P<0.001).

表1 不同分辨率下北美车前、加拿大一枝黄花根系4个形态指标

表2 表1各指标对应函数的关系

表3 不同分辨率下小飞蓬和春飞蓬根系4个形态指标

表4 表3各指标对应的函数关系

将4个形态指标进行最大值标准化处理后,形态指标(Y)与分辨率(X)的函数关系也均可以用Y=A·e(B/X)来表达,依据它们的函数式,应用EXCEL作出了分辨率与形态指标关系的曲线图(图1、2).

图1 不同分辨率下北美车前(左)和加拿大一枝黄花(右)根的形态学参数

根据图1、2的特点,考虑到4个指标的分析需要,不同种类根系分析时(至少在本案例研究中),图像的分辨率要求不同.例如对于北美车前和加拿大一枝黄花来说,当图像分辨率在200 dpi以上后,4个形态的数据不再呈指数式变化,而趋向于各自的某个数值,考虑到工作时间,建议采用200 dpi的分辨率进行图像扫描.而对于小飞蓬和春飞蓬,在分辨率200 dpi时,根长这一指标尚没有达到稳定,根长这一指标在分辨率为400 dpi左右时达到基本平稳,对于这小飞蓬和春飞蓬,建议用400 dpi的分辨率采集图像进行根系形态参数的分析.

图2 不同分辨率下小飞蓬(左)和春飞蓬(右)根的形态学参数

以小飞蓬为对象,进一步的分析表明,扫描精度对根系不同直径等级的长度、面积和体积的影响也极为明显.随着图像分辨率由低到高,最细一级(1.5

图3 不同分辨率下小飞蓬不同直径等级的根长参数变化

图4 不同分辨率下小飞蓬不同直径等级的面积参数变化

小飞蓬的根尖数、分叉数、根系的重叠数和连接数等形态指标也随着图像分辨率的变化而变化,都呈现由小到大的趋势,但是随着图像分辨 (X)由低到高,根系交叠数(Crossing,Y)呈Y=1252.0218·e(-208.4813/x)r=0.9811)变化,即先指数式提高,后趋缓趋稳,接近于某个值.根尖数(Y1)、根交叉数(Y2)和根系连接数(Y3)则呈线性增长,分别符合: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).

图5 不同分辨率下小飞蓬不同直径等级的体积参数变化

图6 不同分辨率下小飞蓬不同直径等级根尖数、分叉数、交叠数和连接数变化

3 结 语

根系分析仪能够高效地提供研究对象的根系形态学参数,通过根系特点来反映植物的生理和生长状态.但是图像的参数选择会对根系分析结果有影响.例如WinRhizo软件介绍中就提到,在分析根系图像中较细的分枝根时需要提高图像阈值,但是较高的阈值亦会增加粗根(如不定根)长度、表面积和体积等指标的测量误差[5].

通过EPSON V7000根系扫描仪采集根系图像后,再应用与其配套的WinRhizo根系图像分析软件,能够一次得到根长、面积、体积、直径,根交叉数(fork)和根尖数(Tip),以及10个直径等级的根长、面积、体积等数据.本文作者定量分析了不同根系扫描精度前4个指标值的影响.结果表明:图像的扫描精度对于分析结果有强烈影响.以小飞蓬为例,进一步分析了图像分辨率对根分叉数、根尖数、交叠数和连接数的影响,发现图像分辨率对这些指标值的影响也极为强烈,而且在不同图像分辨下的数据变化特点更复杂.因此,在应用图像扫描和根系分析软件测定根系形态参数时,一定要注意图像分辨率对结果的影响,针对不同类群植物,需要开展预试验确定恰当的分辨率.

参考文献:

[1] 方芳,郭水良,黄华,等.北美车前的种群密度对地上和地下器官形态的影响[J].热带亚热带植物学报,2010,12(5):419-424.

[2] 马献发,宋凤斌,张继舟.根系对土壤环境胁迫响应的研究进展[J].中国农学通报,2011,27(5):44-48.

[3] 向小亮,宁书菊,魏道智.根系的研究进展[J].中国农学通报,2009,25(17): 105-112.

[4] 顾东祥,汤亮,曹卫星,等.基于图像分析方法的水稻根系形态特征指标的定量分析[J].作物学报,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.