1、根，是植物的重要營(yíng)養(yǎng)器官之一，主要功能是吸收土壤中的水分及溶解在其中的離子，并且可以貯存植物光合作用產(chǎn)生的有機(jī)物質(zhì)，對(duì)植株也有一定的支持作用。根系汲取水分、養(yǎng)分的空間范圍以及與其他根系爭(zhēng)奪資源的能力都取決于根系形態(tài)構(gòu)型特征，如長(zhǎng)度、表面積、空間分布等，因此對(duì)根系形態(tài)的研究意義重大。
　　 根系結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，根與根之間相互遮擋，并且土壤介質(zhì)是不透明，這些因素導(dǎo)致我們很難去研究根系的動(dòng)態(tài)生長(zhǎng)情況以及與周圍的土壤環(huán)境的相互作用。研究作

2、物根系的傳統(tǒng)方法主要有釘板法、容器法、氣培法、管栽法、網(wǎng)袋法等。這些傳統(tǒng)方法的采樣方式都會(huì)對(duì)根系造成一定程度的破壞。通過人為手段使根系與土壤分離開來，之后再測(cè)量根系的各類形態(tài)參數(shù)。通過這些途徑進(jìn)行取樣和測(cè)量都需要花費(fèi)較多的時(shí)間和人力、所得結(jié)果與真實(shí)值誤差也較大，很難實(shí)現(xiàn)根系的原位取樣和準(zhǔn)確測(cè)量。
　　 核磁共振成像技術(shù)(MRI)能夠在不破壞物質(zhì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的前提下迅速、準(zhǔn)確地分析物質(zhì)結(jié)構(gòu)，因而在科研和生產(chǎn)生活中得到了廣泛的應(yīng)用。MR

3、I技術(shù)最廣為人知的應(yīng)用是醫(yī)學(xué)臨床，另外在物理學(xué)、化學(xué)、生物學(xué)、地質(zhì)學(xué)等各學(xué)科內(nèi)也有非常廣泛的應(yīng)用。
　　 本論文以玉米根系為研究對(duì)象，將MRI技術(shù)可作為一種無損檢測(cè)的方法，研究了利用MRI圖像結(jié)合VTK技術(shù)對(duì)玉米根系形態(tài)進(jìn)行三維重建及可視化的方法。對(duì)幾種可能影響根系MRI成像質(zhì)量的外界環(huán)境因素進(jìn)行了分析。為了進(jìn)一步提高成像的質(zhì)量、精度和速度，分析探討了三維體繪制算法對(duì)于玉米根系的三維重建效果，利用Visual C++編程設(shè)計(jì)結(jié)合

4、可視化工具包VTK自主開發(fā)了一個(gè)基于Windows系統(tǒng)平臺(tái)的植物根系三維可視化系統(tǒng)。
　　 本文的主要研究?jī)?nèi)容及結(jié)論如下：
　　 1)探討了外部環(huán)境因素(如成像參數(shù)設(shè)置、土壤介質(zhì)種類、土壤體積含水率等)對(duì)玉米根系MRI成像效果的影響。根據(jù)根系樣本的MRI圖像分析比較，選擇了適合玉米根系的MRI成像參數(shù)設(shè)置為：層厚/層距(Thk/sp)：2mm/1mm；重復(fù)時(shí)間(TR)：1800ms；回波時(shí)間(TE)：10.2ms。不同類

5、型土壤生長(zhǎng)介質(zhì)的試驗(yàn)結(jié)果表明，文中所選取的三種土壤介質(zhì)的類型對(duì)于根系MRI圖像的成像效果并無顯著影響。不同梯度土壤體積含水率的試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)土壤體積含水率為5％～20％時(shí)，土壤體積含水率的變化并未對(duì)玉米根系MRI圖像品質(zhì)產(chǎn)生明顯的影響。
　　 2)優(yōu)化了玉米根系MRI圖像的預(yù)處理(包括圖像濾波、圖像插值、圖像分割等)方式。研究不同的圖像預(yù)處理方法對(duì)原始玉米根系MRI斷層圖像的處理效果。分析后選取了最優(yōu)的預(yù)處理方法組合，為接下來

6、的三維可視化過程提供優(yōu)化的數(shù)據(jù)源，以提高三維重建的效果。選擇了鄰域平均濾波、中值濾波、輪廓波濾波3種圖像濾波處理方法進(jìn)行比較，結(jié)果表明Contourlet濾波處理信噪比遠(yuǎn)高于另外2種濾波方式，可見Contourlet算法更適用于根系MRI圖像的平滑處理過程。選用閾值分割和區(qū)域生長(zhǎng)法對(duì)平滑處理后的玉米根系MRI圖像進(jìn)行分割效果研究，結(jié)果表明基于閾值的圖像分割方法的分割效果明顯優(yōu)于區(qū)域生長(zhǎng)法，能夠更加準(zhǔn)確地從MRI圖像中將植物根系對(duì)象于背景

7、區(qū)分開來。
　　 3)研究了根系三維可視化的實(shí)現(xiàn)算法及其改良。結(jié)合VTK工具包中封裝的圖像三維重建算法，采用經(jīng)典的光線投射體繪制方法對(duì)玉米根系MRI圖像進(jìn)行三維模型重構(gòu)，并且進(jìn)一步研究了光線投射體繪制的改良算法。通過快速三線性插值、投射光線離散化及光線提前截止3個(gè)方面進(jìn)行改進(jìn)，在不損失圖像質(zhì)量的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了三維重建的加速。經(jīng)改良后繪制速度提高了31.9％。
　　 4)基于上述算法開發(fā)了一個(gè)基于根系MRI圖像的三維可視化軟