基于深度学习的多光谱微根管表型自动成像技术应用

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基于深度学习的多光谱微根管表型自动成像技术应用

发表时间：2022-05-30 15:19:46点击：942

来源：北京博普特科技有限公司

根系是土壤和植物的动态界面,对植物和土壤均具有重要意义。但由于根系深处地下,观测研究十分不便,导致根系研究在广度、深度上均落后于地上部分。随着对根系在植物表型研究、生态系统以及碳平衡中重要作用的认识，根系渐渐成为相关领域的研究热点之一。

微根管技术的诞生和应用,使根系研究手段得到了进一步发展,成为根系研究技术发展的重要里程碑。微根管技术主要由透明观察管、观测设备和记录设备组成,观测设备曾先后使用了普通镜子、观察镜和相机(或摄像机),记录设备也相应地经历了手工绘制、传统黑白、彩色相片或录像带以及高清晰数字图像。同时,还开发了多种图像自动分析系统,使该项技术日臻完善。微根管技术可以以非破坏方式,定期对同一根系的出现、生长、衰老、死亡和消失进行连续观察,对根系伸长、根系密度、扎根深度、侧根伸展、分枝特性、菌根特性以及细根动态、根系生命周期和分解等进行观测研究,同时,也可开展根系对不同处理响应的研究。因此,微根管技术必将在农业、林业和环境等科学领域得到越来越广泛的应用。传统的RGB可见光成像技术是利用颜色识别根系，前提是根系和土壤之间要有比较明显的色差，但实际根系生长在土壤中，颜色差异并不明显，这样根系识别可能会造成比较大的误差，RGB可见光成像技术使用就会受限。歌本哈根将多光谱成像技术和传统的RGB成像技术进行了对比，显示多光谱成像技术基于光谱特征在根系识别上的明显优势，并且对多光谱成像另一项功能进行了初步探讨——即光谱特征对于根系生化特性的识别（例如细根发生、成熟、衰老、死亡的周转过程；根际分泌物成分的变化；根系病害等），显示了多光谱成像技术在根系研究领域的巨大潜力。鉴于传统微根管法受限于常规RGB相机的信息采集功能以及配套软件的数据处理能力，更为强大的，同时具有光谱和图像学信息有点的多光谱根系表型成像被应用于该领域研究并取得了突破性、革新性的进展。

Videometer作为技术领先的多光谱成像系统生产商，开发了系列多光谱成像设备如VideometerLab 4多光谱成像系统、VideometrMR根系多光谱成像系统、VideometerLiq固、液两用多光谱成像系统并与丹麦歌本哈根大学联合开发了Radimax深根研究用微根管多光谱成像系统，目前利用Videometer系统发表的文章已经超过了300篇，是当前表型研究领域发表文章多、应用广泛的多光谱成像系统。

哥本哈根大学、丹麦理工大学以及丹麦Videometer公司的专家利用该设备在Plant and Soil上发表了题为A multispectral camera system for automated minirhizotron image analysis的文章，早些利用该设备进行研究的文章题为Frontiers in Plant　Sciences，Screening of Barley Resistance Against Powdery Mildew by Simultaneous High-Throughput Enzyme Activity Signature Profiling and Multispectral Imaging。该系列文章的发表时植物根系表型成像领域的突破性进展。

丹麦Videometer公司开发的根系原位多光谱表型成像系统，是做根系研究的革新性专业装备，无论对于浅根系蔬菜、作物、草还是深根系乔木，都具有现实性研究意义。目前在根系研究尤其是表型研究领域中，对于玉米根系和小麦根系所作的研究比较多，但大多还采用传统不可重复的挖掘方法。植物根系多光谱表型原位成像出现，改变了这种情况，使得植物研究人员在对根系进行研究的过程中，可以使用原位的方式，无损伤的进行监测。

根系是植物主要吸水、营养物等器官，通过对根系监测和研究，能优化水肥方案，促进农作物、林业等产业增产增效，有利于土地荒漠化治理、土壤修复等。但长期以来，对根系研究主要是采用挖掘法、土钻法、土柱法、容器法、剖面法等传统方法，采样破坏性大、工作量大，严重阻碍了根系研究的深入开展。《科学》杂志曾出版专辑认为，“人类对自己脚下土壤的了解远远不及对宇宙的了解”，更是佐证了地下生态学研究难度之大。因此，对根系研究方法的选择和改进，对科研结果影响巨大。

根是植物的关键器官，要实现产量稳定，有效利用来自土壤资源至关重要。但作物基因型之间的根性状表型变异多数还未知，田间根系发育筛查昂贵且耗力。因此，函待开发在田间进行全生长植物根系性状、特别是位于土壤深层的根系研究的新方法。

科学家等利用多光谱成像系统对植物植株、根系进行成像额深度学习研究，取得了前瞻性的成果。该研究以深根系大麦为研究对象，将大麦下方埋了有3m长的微根管，使用Videometer公司的Videometer MR多光谱成像系统，定期通过根窗透明面对根系成像分析。原始光谱图像经过Videometer自带软件一系列深度学习算法处理后得到目标根系图像，随后进行阈值分割、模糊聚类等模型分析，得到根系的形态学数据。

丹麦根本哈根大学科学家近另外发表的一篇文章题为Construction of a large-scale semi-feld facility to study genotypic diferences in deep root growth and resources acquisition，主要内容如下：研究人员开发了一种新型表型设施(RadiMax)用于在半田间条件下研究根系生长以及土壤资源获取。设施包括4个单元，每个单元面积为400m2，分别安装有150根微根管，允许对0.4 m–1.8 m或 0.7 m–2.8 m土壤深度间隔的根进行观察。根系观测通过多光谱微根光成像系统实现。植物生长行与水分梯度垂直，设施安装有多深度亚灌溉系统以及移动雨棚。水梯度可实现将根观测与冠层胁迫反应进展相关联。

结论:要验证以上技术概念，选择了栽培种春大麦 (Hordeum vulgare L.) ，种植在该系统中进行为期两季的研究。利用该系统可观测到不同深根生长基因型差异，在水梯度下，可观测到地上部的生理反应。尽管进一步技术开发和技术验证还在进行中，半田间设施不失为一种在土壤深层鉴别土壤资源有效利用的根基因差异的新方法。

丹麦Videometer公司开发的根系原位多光谱表型成像系统，是做根系研究的革新性专业装备，无论对于浅根系蔬菜还是浅根系乔木，都具有现实性研究意义。目前在根系研究尤其是表型研究领域中，对于玉米根系和小麦根系所作的研究比较多，但大多还采用传统不可重复的挖掘方法。植物根系多光谱表型原位成像出现，改变了这种情况，使得植物研究人员在对根系进行研究的过程中，可以使用原位的方式，无损伤的进行监测。