Automatyczny pomiar długości korzeni siewek pszenicy z hodowli hydroponicznej przy wykorzystaniu metod przetwarzania i analizy obrazów

• Autorzy: Gocławski J. , Sekulska-Nalewajko J. , Gajewska E. , Wielanek M.

Warianty tytułu

EN

An automatic root length measurement of wheat seedlings from hydroponic culture using the methods of image processing and analysis

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

W artykule przedstawiono automatyczną metodę pomiaru długości systemu wiązkowego korzeni pszenicy z hodowli hydroponicznej opartą o przetwarzanie i analizę obrazu. Badanie tej cechy ma istotne znaczenie w ocenie stopnia tolerancji roślin na działanie czynników środowiskowych wpływających na ich produktywność. W proponowanej metodzie zastosowano uproszczoną procedurę przygotowania preparatów korzeni oraz założono minimalne nakłady sprzętowe w formie standardowego skanera i komputera osobistego. Zawiera ona segmentację barwnego obrazu korzeni, szkieletyzację uzyskanego obrazu binarnego, a następnie odtworzenie, z płaskich szkieletów, topologii trójwymiarowych drzew korzeniowych poszczególnych korzeni wiązki, określonych w pracy jako korzenie 1. rzędu. Analiza struktur danych tych drzew umożliwia odtworzenie w rastrze obrazu przebiegu osi korzeni 1. rzędu i ich bocznych odgałęzień. Długości korzeni są wyliczane wzdłuż tych osi, po uprzednim wygładzeniu ich przebiegu przy użyciu funkcji sklejanych trzeciego stopnia. Pomiary długości korzeni 1. rzędu przeprowadzone dla serii 10 obrazów (ok. 50 korzeni) wykazały niewielką rozbieżność z wynikami pomiarów metodą manualną -średnio 1,94%.

EN

In the paper an automatic method of length measurement has been presented for the roots of wheat from hydroponic culture, based on image processing and analysis. Evaluation of this feature of root systems is important for the estimation of plant tolerance to environmental factors influencing their productivity. In the proposed method simplified procedure of root preparation is applied and low-cost equipment is assumed consisting of typical scanner device and personal computer. The method includes root image segmentation in colour space, binary image skeletonization and then 3D trees topology reconstruction from 2D skeletons of all individual fibrous roots defined as 1. order roots. The analysis of tree data structures enables the reconstruction of axes of 1. order roots and their lateral branches in the image raster. Root lengths are calculated along these axes following cubic splines smoothing of their routes. The measurements of 1. order roots, carried out for the series of 10 images (about 50 roots) revealed only small differences from the results obtained with manual method - 1,94% in average.

Słowa kluczowe

PL

system korzeniowy; pszenica; pomiar długości; segmentacja obrazu; obraz chrominancji; drzewo korzeniowe; szkieletyzacja; krzywa sklejana

EN

root system; wheat; length measurement; image segmentation; chroma image; skeletonization; root tree; spline curve

• Wydawca: Wydawnictwa AGH
• Czasopismo: Automatyka / Akademia Górniczo-Hutnicza im. Stanisława Staszica w Krakowie
• Rocznik: 2009
• Tom: T. 13, z. 3/1
• Strony: 831--847
• Opis fizyczny: Bibliogr. 21 poz., rys., wykr., tab.

Twórcy

autor

Gocławski J.

• Katedra Informatyki Stosowanej, Politechnika Łódzka

autor

Sekulska-Nalewajko J.

• Katedra Informatyki Stosowanej, Politechnika Łódzka

autor

Gajewska E.

• Katedra Fizjologii i Biochemii Roślin, Uniwersytet Łódzki

autor

Wielanek M.

• Katedra Fizjologii i Biochemii Roślin, Uniwersytet Łódzki

Bibliografia

• [1] Bernsen J., Dynamic thresholding of grey-level images. Proceedings 8th International Conference on Pattern Recognition, 1986, 1251-1255.
• [2] Bouma T.J., Nielsen K.L., Koutstaal В., Sample preparation and scanning protocol for computerised analysis of root length and diameter. Plant and Soil, vol. 218, 2000, 185-196.
• [3] Delta-T Devices Ltd, http://www.delta-t.co.uk/products.html7product200509281 8743.
• [4] Ewig R., Kaspar Т., Accurate perimeter and length measurement using an edge chord algorithm. Journal of Computer Assisted Microscopy, vol. 7, 1995, 99-100.
• [5] Hasthorpe J. and Mount N., The generation of river channel skeletons from binary images using raster thinning algorithms. Available at: http://ncg.nuim.ie/gisruk/materials/proceedings/PDF/P7.pdf, 2007.
• [6] Hoagland D.R., Arnon A.I., The water-culture method for growing plants without soil. California Agricultural Experiment Station Circular, vol. 347, 1950, 1-39.
• [7] Kimura K., Yamasaki S., Root length and diameter measurement using NIHImage: application of the line-intercept principle for diameter estimation. Plant and Soil, vol. 234, 2001, 37-46.
• [8] Kimura K., Kikuchi S., Yamasaki S., Accurate root length measurement by image analysis. Plant and Soil, vol. 216, 1999, 117-127.
• [9] Kirchhof G., Measurement of root length and thickness using a hand-held computer scanner. Field Crops Research, vol. 29, 1992, 79-88.
• [10] Lam L., Lee S., Suen Y, Thinning Methodologies -A Comprehensive Survey. IEEE Transactions on Pattern Analysis and Machine Inteligence, vol. 14, 1992, 869-885.
• [11] Lambert P., Carron Т., Symbolic fusion of luminance-hue-chroma features for region segmentation. Pattern Recognition, vol. 32, 1999, 1857-1872.
• [12] Lebowitz R.J., Digital image analysis measurement of root length and diameter. Environmental and Experimental Botany, vol. 28, 1988, 267-273.
• [13] Lynch and Brown labs at Penn State University: http://roots.psu.edu/en/RootLength
• [14] Malina W., Smiatacz M., Metody cyfrowego przetwarzania obrazów. Akademicka Oficyna Wydawnicza EXIT, Warszawa, 2005.
• [15] Regent Instruments Inc., WinRHIZO for root analysis. Available at: http://www.regent.qc.ca/products/Brochures/WinRHIZO .pdf.
• [16] Smit A.L., Sprangers J.F., Sablik P. W., Groenwold J., Automated measurement of root length with a three-dimensional high-resolution scanner and image analysis. Plant and Soil, vol. 158, 1994, 145-149.
• [17] Smit A.L., Bengough A.G., Engels С, Van Noordwijk M., Pellerin S., Van de Geijn S.C., Root Methods: A Handbook. Springer Verlag, 2000.
• [18] Tadeusiewicz R., Korohoda P., Komputerowa analiza i przetwarzanie obrazów. Wydawnictwo Fundacji Postępu i Telekomunikacji, Kraków, 1997.
• [19] The Mathworks, Image processing toolbox user's guide. Available at: http://www.math-works.com/access/helpdesk/help/pdf_doc/images/images_tb.pdf.
• [20] The Mathworks, Spline toolbox user's guide. Available at: http://www.mathworks.com/access/helpdesk/help/pdf_doc/splines/splines.pdf.
• [21] Zobel R., Sensitivity Analysis of Computer-Based Diameter Measurement from Digital Images. Crop Sciences, vol. 43, 2003, 581-593.