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基于图像处理技术的狭叶锦鸡儿叶片解剖结构农学分析研究

添加时间:2018-10-21 19:26:16   浏览:次   作者: www.dxlwwang.com
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本文是一篇农学硕士论文,农业工程设施与装备部门、农业高新企业、科技开发园区、规划设计院所和科研教学单位的规划、设计、开发、建设、管理、教学或试验研究等工作。(以上内容来自百度百科)今天为大家推荐一篇农学硕士论文,供大家参考。

 
1 绪论
 
1.1 研究背景
草原退化是人为活动或不利自然因素引起草地生态系统逆行演替的一种过程,是草地荒漠化的主要表现形式之一[1]。其结构特征、能量流动与物质循环等功能的恶化是草原生态系统逆行演替的一种过程。我国天然草原的主体多数分布在生态十分脆弱的干旱与寒冷地区,近年来,由于气候变化、人为活动等因素的影响,草原退化现象十分严重,且退化趋势日益加剧。目前我国草原“三化”(退化、沙化、盐碱化)严重,并且每年仍以 66.7 万公顷的速度发展,仅内蒙古自治区退化草原面积约占草原总退化面积的 60%,其中,中度以上草原退化面积高达 53%。草原生产力严重下降,平均产草量较 20 世纪 50 年代减少 30%—50%,严重地区高达 60%—80%[2]。草原生态危机的日益加剧,已严重影响到牧区经济的发展和人类的生存环境。内蒙古草原是中国天然大牧场,也是我国北方重要的天然生态屏障。近年来,内蒙古草原退化严重,其中鄂尔多斯尤为突出,鄂尔多斯高原是我国半干旱地区一个相对独立的自然单元,生态系统非常特殊和敏感。草原类型由东向西为:典型草原、荒漠草原和草原化荒漠,其中荒漠草原分布相对广泛。由表 1 知,荒漠草原由于干旱高温等气候特点,植被多以旱生植物为主,且盖度和草产量相对较低。由于荒漠草原群落特点,生态系统相对更脆弱,退化后恢复更困难。因此,加强对荒漠草原的保护与治理变得尤为重要。植物作为生态系统的第一生产者,受环境变化的影响是直接而多方面的。叶片是植物进化过程中对环境变化较敏感且可塑性较大的器官,在不同选择压力下已经形成各种适应类型,其结构特征最能体现环境因子的影响或植物对环境的适应。结构是功能的基础,植物结构的变化必然影响到生理生态功能的改变[3, 4]。因此研究植物叶片解剖结构对环境变化的响应与适应关系,是探索植物对环境变化的适应机制和制定相应对策的基础。
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1.2 国内外研究现状
 
1.2.1 环境选择压力对植物叶片结构特征的影响
① 水分胁迫植物叶片内外部结构变化随着全球气候变迁,干旱发生频繁,水分短缺成为干旱地区限制植物生产力的主要因素(Klich,2000),因而近年来在植物对旱生环境的响应与适应方面研究较多。研究表明,随着生境干旱程度的加剧,植物叶片比叶面积减小,气孔密度增加且孔面积减小,叶表皮细胞变厚,切向壁加厚,具有内皮层;叶肉栅栏组织发达,细胞层数增加而体积减小,海绵组织相对减少,细胞间隙减小,网状叶脉和维管束鞘细胞增多[5~11]。
② 盐胁迫植物叶片内外部结构变化大量研究表明,植被生境盐分胁迫与水胁迫叶片结构的变化较类似,随着盐分浓度的增大,叶片肉质、椭圆形且叶表面密被绒毛;气孔下陷,孔径和面积减小,呈不规则型,气孔导度下降;表皮由一层平坦而排列紧密的长方形或方形细胞构成,表面变薄且有较厚的角质膜;栅栏组织细胞长度和海绵组织层数、细胞直径和细胞间隙变小,从而使叶肉厚度减小,其机制可能与耐旱机制相似[12~14]。
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2 图像获取
 
2.1 供试植物确定
强旱生小灌木狭叶锦鸡儿是荒漠草原优势物种,在试验区分布十分广泛,其具有良好的防风固沙和保持水土能力,且饲用价值较高,其对草原荒漠化治理具有重要作用。植物进行光合和蒸腾作用的主要器官是叶片,其对环境变化最敏感,故近年来针对狭叶锦鸡儿叶片形态结构与环境因子相关性研究较多。众多学者对狭叶锦鸡儿叶片解剖结构进行了研究,认为叶片结构随生态环境的变化出现明显差异(常朝阳和张明理,1997;燕玲等,2002;李晶等,2007)[49~51];随着干旱程度加剧、温度升高和辐射增大等,锦鸡儿属强旱生植物表皮气孔下陷、密度增大,气孔指数上升,表皮毛密度增加(马成仓等,2011;李一帆等,2008;杨九艳等,2009)[52~54]。内部解剖结构角质层厚度增加,栅栏组织密度增大,叶肉组织由环栅栏型向全栅型转变(邱靖等,2014;李爱平等,2010)[55, 56]。从上述可知,国内外对狭叶锦鸡儿叶片解剖结构对环境因子变化响应与适应进行了广泛研究。但目前众多研究结果和进展未能提供令人满意的答案,大部分研究是在实验室控制条件下,并且主要集中在单因子或少数因子影响方面,且深度有限,各解剖结构指标测量费时费力。对于自然条件下,某一生态主导因子作用下植物解剖结构变化的研究较少,因此拟选择狭叶锦鸡儿作为后续试验的供试植物,采用图像处理技术实现其叶片解剖结构指标准确提取,探讨自然条件下狭叶锦鸡儿叶片解剖结构对荒漠草原环境变化的响应机制。
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2.2 解剖结构图像获取
狭叶锦鸡儿叶解剖结构图像获取过程如图 2 所示。首先根据生态学和统计学要求,合理选取狭叶锦鸡儿叶片;然后进行石蜡切片、染色、封片等处理;最后利用生物光学显微镜和计算机采集图像和存储,以备后续处理。切片技术是研究植物内部解剖结构的重要手段,特别是植物学工作者研究植物内部形态结构和变化的常用手段。迄今为止,已有的切片方法有:离析法、徒手切片法、压片法和石蜡切片法等[57, 58]。其中石蜡切片法是最常规和最常用的切片方法。而石蜡切片法针对不同处理对象各处理环节存在差异,需反复进行试验,确定最优条件。本研究在参照李正理和李和平提出的石蜡切片方法基础上[59, 60],将 FAA 固定液中固定的狭叶锦鸡儿叶片(每个样地随机选择 8 片)进行石蜡切片。根据狭叶锦鸡儿自身结构、形态和质地特点,对传统石蜡切片法进行了改进。经改进后,切片破碎率较低,结构边缘平整,组织清晰。
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3 图像预处理............ 15
3.1 图像类型 ......... 15
3.1.1 二值图像 ..... 15
3.1.2 灰度图像 ..... 15
3.1.3 彩色图像 ..... 16
3.2 图像增强 ......... 19
3.2.1 灰度调节 ..... 20
3.2.2 平滑去噪 ..... 36
3.2.3 图像锐化 ..... 56
3.3 小结.............. 60
4 图像分割.............. 61
4.1 图像源选择 ....... 62
4.2 狭叶锦鸡儿叶片解剖结构整体部分分割 ..... 62
4.3 狭叶锦鸡儿叶片解剖结构木质部分割 ...... 71
4.4 狭叶锦鸡儿叶片解剖结构表皮细胞分割 .... 88
4.4.1 交互式图像分割算法...... 88
4.4.2 试验与结果分析 .......... 94
4.5 小结 ............. 97
5 特征指标提取 ......... 98
5.1 叶片整体部分特征提取........ 98
5.2 木质部数目(MZG)提取...... 107
5.3 表皮细胞平均厚度提取....... 108
5.4 小结 ............ 111
 
6 叶片解剖结构对干旱胁迫下草原退化梯度的响应
 
6.1 样地确定
试验地选在内蒙古鄂尔多斯市鄂托克旗境内,鄂托克旗地处东经 106°41′~108°54′,北纬 38°18′~40°11′之间,其中苏木镇包括:乌兰镇、棋盘井镇、蒙西镇、木凯淖镇、苏米图苏木和阿尔巴斯苏木,如图 76 所示。其草原类型为沙地荒漠草原亚类,平均海拔1441m。鄂托克旗气候类型为温带温暖型干旱、半干旱大陆性季风气候,冬季漫长寒冷、夏季短促炎热,日照丰富,四季分明,风多雨少,气候干燥,降水少且时空分布不均。近 10 多年间,全旗年均降水量为 237.4mm,年均蒸发量为 2470mm,年均蒸发量是年均降水量的 9 倍多,全年较干旱。4~9 月份生长季降水量为 241.8mm,占全年降水量的 91.24%,全旗境内相对湿度多年平均为 48%,无霜期约为 129 天。全年日照时长近 3000 小时,年均气温 9.6oC,全旗气温呈现东北低西北高趋势,极端最高气温为 39.6oC。春冬两季风沙强烈,严重退化区常会产生扬沙甚至沙尘暴,风沙天气主要集中出现在春季,占全年大风日数的 48%,尤以 5 月份最为严重,占春季大风日数的 73%。近几年大风天气瞬时风速达 24.4m/s,年均风速达到了 3.1m/s 左右[137]。
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结论
 
通过理论分析和试验研究,实现了草原退化梯度的划分,经植被优势度对比分析,确定了狭叶锦鸡儿为后续切片试验供试植物,并实现了其叶片解剖结构图像采集;应用数字图像处理技术,实现了狭叶锦鸡儿叶片解剖结构图像的增强、去噪、锐化等预处理,从而提高了图像质量和改善了图像视觉效果;完成了对与草原退化相关性显著结构的分割和指标提取,分析了叶片解剖结构指标与草原退化相关关系。本研究为狭叶锦鸡儿的保护利用、荒漠草原退化防治和植物解剖学的研究提供理论依据和技术支持。研究的主要成果和结论如下:
1、确定试验区草地退化程度,将其分为:照区(CK)、轻度退化区(LD)、中度退化区(MD)和重度退化区(HD)。通过野外调查和对前人研究基础分析,将狭叶锦鸡儿作为后续试验供试植物;
2、图像处理技术对解剖结构图像处理结果如下:
a、对比了线性灰度变换、非线性变换、直方图均衡化、限制对比度自适应直方图均衡化和直方图规定化对图像增强效果,得出限制对比度自适应直方图均衡化对图像增强效果明显,自动化程度较高;
b、为克服原改进巴特沃斯同态滤波法中截止频率难确定问题,提出一种改进的同态滤波算法。在原滤波器基础上,对控制滤波函数斜率方程 D (u ,v)频域取中值方式,快速确定了0D 值,达到了最佳亮度不均校正效果。后续应用改进的高频巴特沃斯滤波器对图像锐化,相较 Prewitt 算子、Sobel 算子和 Laplace 算子图像锐化结果,改进高频强调巴特沃斯算子图像锐化效果较好,图像细节和边缘十分清晰,对噪声不敏感;
c、提出了一种图像联合盲去噪算法。该算法采用平滑区直方图重构和拟合法对图像类型进行估计。通过分块策略的 SVD 域图像噪声估计法,实现了噪声强度准确估计。应用基于几何均值滤波(geometric mean filtering,GMF)和三维块匹配滤波(block-matching and 3-D filtering,BM3D)联合去噪法,在目标区域去噪效果不变情况下,算法耗时显著降低,实现了图像准确降噪。
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参考文献(略)

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论文关键字:图像处理技术 狭叶锦鸡 解剖结构