大豆根系三维构型的非对称性分布与磷吸收关系

作物根系构型的非对称性分布差异，决定了作物在土壤中吸收养分水分的不同能力和范围。因此它在作物选种育种及合理进行间种套种方面有重要指导作用。本课题以大豆为例，对几种不同根构型的基因型进行透明介质培养，利用计算机视觉技术进行实时跟踪测量根构型非对称性分布数据，并进行田间大样本不同时段的裸根测定统计验证。研究这些差异所引起的磷吸收效率的不同，阐明非对称性分布特征与不同土壤层磷吸收效率之间的函数关系模型。.本课题的创新点是利用Hough变换原理进行根系形态三维图象重建、主成分分析降低参数维数和支持向量机回归分析数量关系等崭新数学知识手段实现三维根构型的非对称性分布及功能差异的实时定量解析，为根系形态构型与养分吸收的深入研究开辟新途径和提供重要理论依据。

由于植物根系生长的隐蔽性和复杂性，给直接观察和研究造成困难。很多学者利用计算机技术模拟植物根系的方法可反映现实根系的形态结构、真实生长动态和具有真实感的三维根系，并能获得植物根系生理生态过程和形态结构的并行过程的共同结果。这些方法一般需要通过定标后来重建三维根系，但一般来说三维重建精度都不高，重建之后的三维物体都与原物体相差较远，而且三维重建只能针对具体根系，不具有通用性。本项目利用几何、代数、统计和计算机视觉知识点对多幅不同角度二维图像上根系视频来找出整个大豆三维根系拓扑结构，同时研究一种适宜于拍摄根系的大豆水培方法，并研究大豆根系拓扑结构与磷吸收关系。通过整个课题组人员的3年努力工作，取得了部分成绩。首先，设计出了一套新的实验室拍摄设备，这个新设备由于减少了根系震动使得实验视频效果更佳；第二，定义不同根构型可以用平均基根角度、根宽深比和介质不同层次的根长分布率等三维根构型参数进行较为精确的定量描述；第三，验证了点的圆周轨迹投影为椭圆。对根系上1-3个离散点的点成像进行研究，并通过哈夫变换找到了相应椭圆，对找到的椭圆参数，利用一些几何与仿射原理计算出了根系拓扑结构的各个参数；第四，对一条与多条根系，在保证相机镜头水平和对准转台中心的特殊的拍摄条件下获得了较好的视频结果，同上获得了根系拓扑结构的各个参数；第五，对一条与多条根系，在允许相机倾斜的一般的拍摄条件下获取视频结果，但利用哈夫原理进行椭圆检测时票数较低，获得根系拓扑结构的各个参数值结果不是很理想；第六，采用钼（mù )酸铵分光光度测定各区域层的磷含量，同时测定不同基因型大豆植株体内的磷吸收量，利用支持向量机回归分析或BP神经网络方法研究根长与各区域层磷吸收率的函数关系：以根长作为输入参数，以该品种的在各区域层的磷吸收率为输出参数。用大量的实验和测量数据学习训练回归出两者的数量关系；第七，对不同根系品种的拓扑结构进行方差分析，比较浅根型，中根型和深根型根系结构的差异；第八，对根系拓扑结构中各参数进行相关性分析，寻找平均基根角度、总根长、根宽深比、根系在介质中各层和各方向的根长分布率的相关关系。通过项目研究，了解大豆磷效率的根系生物学基础，提高大豆的磷吸收效率，既可以提高大豆产量又可以减少磷的资源浪费，及多余磷对周围环境的恶化，从而为提高大豆生产以及农业经济效益和环境效益作出贡献。