一种基于CT扫描的花生果壳厚度三维全果表型提取方法与流程

本发明涉及农作物检测领域，更具体的说是涉及一种基于ct扫描的花生果壳厚度三维全果表型提取方法。

背景技术：

1、花生只能收获荚果，通过脱壳后果仁方可用于榨油、食品加工。因此，果壳表型性状直接影响花生的加工生产成本和食品品质优劣。ct断层扫描技术，是以x射线从多个方向沿着头部某一选定断层层面进行照射，测定透过的x射线量，数字化后经过计算机算出该层面组织各个单位容积的吸收系数，然后重建图像的一种技术，可用于分析花生荚果的内外结构，为解析果壳表型提供了技术路径。

2、花生果壳表型的提取，长期是以尺子测长宽、天平称其重为主。根据姜慧芳等所著《花生种质资源描述规范和数据标注》，对荚果长和宽给出了明确测定的说明，对果脊、荚果网纹、果腰给出了定性描述方法，然而面对基因型分析中对于精准表型数据的要求，该方法难以提供有效的连续定量化数据。随着现代图像分析技术、人工智能技术的发展，花生果壳表型的无损测量得以实现。山东省花生研究所张胜忠等于2022年在《作物学报》发表论文，提出利用多角度二维影像的运动恢复结构重建法，重构花生果壳表面，从而提取网纹深度。然而，该技术受限于相机分辨率且无法透视果壳内部结构，因此无法用于花生果壳厚度的无损测定。2022年德国弗劳恩霍夫集成电路研究所(fraunhofer iis)stefan gerth等联合国际热带半干旱地区作物研究所(icrisat)martha domhoefer等在学术期刊《plantmethods》发表论文，提出利用ct的x射线二维影像并结合cnn回归模型预测花生果壳表型性状。该技术成功无损解析了果壳内部结构，然而由于仍然基于二维切片，无法获得真实的三维空间结构，因此仅可用于果壳最大剖面处的性状测定，其他部位信息无法提取。

3、为了全面解析花生果壳厚度分布，利用ct断层扫描技术，解决多角度二维影像的运动恢复结构重建法无法提取果壳内部结构的不足；利用ct断层扫描数据配合数值滤镜和生长模型算法对花生果壳实现三维重构，以三角面法线方向测定全果不同区域果壳厚度，解决x射线二维影像-cnn回归模型预测法测定区域的局限性；最后通过果嘴和果腰特征定位，建立花生果壳经纬度坐标系，从而实现全果壳连续定量分析，解决《花生种质资源描述规范和数据标注》中对果壳厚度定量测定标准不明的问题。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明提供了一种基于ct扫描的花生果壳厚度三维全果表型提取方法。

2、为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

3、一种基于ct扫描的花生果壳厚度三维全果表型提取方法，包括以下步骤：

4、获得的花生果壳空间数据，对果壳三维重建；

5、依据对表面三维曲率的计算，定位果腰、果嘴和果柄三个特征点位置；

6、依据特征点对果壳进行分区并建立果壳经纬度坐标系，同时利用差值算法提取果壳内表面；

7、以指定经纬度样点，基于果壳内表面法线计算样点处果壳厚度；

8、依次对所有样点进行计算，获得全果果壳厚度分布数据集，最终实现花生果壳厚度三维全果表型提取。

9、可选的，对花生果壳空间数据进行点云提取并滤除异常值。

10、可选的，利用临近点三角面算法进行果壳三维重建。

11、可选的，花生果壳厚度三维全果表型提取具体为：以果壳内侧光滑面的三角面法线为轴，利用面-直线-面截距算法，根据经度设置提取不同位置果壳厚度，实现果壳厚度的三维全果表型提取。

12、可选的，还包括利用数值滤镜和生长模型算法对ct断层扫描数据进行分析，进而完成果壳三维重建。

13、经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种基于ct扫描的花生果壳厚度三维全果表型提取方法，基于ct断层扫描技术，配合数值滤镜和生长模型算法对花生果壳实现三维重构，以三角面法线方向测定全果不同区域果壳厚度，同时依据果嘴和果腰特征定位，建立花生果壳经纬度坐标系，实现全果壳连续定量分析。较之于原有方法，具有以下优点：

14、(1)ct断层扫描配合数值滤镜和生长模型算法，提高了果壳内部结构的提取准确度。花生果壳与果仁间具有空隙，同时由于果壳以纤维素和木质素为主，ct值较低；果仁以脂肪、蛋白质和糖类为主，ct值较高。因此，利用数值滤镜和生长模型算法对ct断层扫描数据进行分析，实现花生果壳空间信息的准确提取。

15、(2)果壳三角面法线与果壳经纬度坐标系，实现全荚果果壳厚度的连续定量提取。在准确提取果壳空间数据的基础上，通过果嘴和果腰特征(两者在果壳三维曲面上具有曲率显著性)，定位果壳经纬度，即以果嘴为纬度0°点，果腰依次为纬度10°(二粒花生)、20°(三粒花生)、30°(四粒花生)，果柄为纬度10°点(一粒花生)、20°点(二粒花生)、30°点(三粒花生)、40°点(四粒花生)，果嘴轴线为经度0°线(360°线)，顺时针度数依次增加。以果壳内侧光滑面的三角面法线为轴，利用面-直线-面截距算法，根据经度设置提取不同位置果壳厚度，实现果壳厚度的三维全果表型提取。该方法首次实现了对于花生果壳的定量定位分析。

技术特征：

1.一种基于ct扫描的花生果壳厚度三维全果表型提取方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种基于ct扫描的花生果壳厚度三维全果表型提取方法，其特征在于，对花生果壳空间数据进行点云提取并滤除异常值。

3.根据权利要求1所述的一种基于ct扫描的花生果壳厚度三维全果表型提取方法，其特征在于，利用临近点三角面算法进行果壳三维重建。

4.根据权利要求1所述的一种基于ct扫描的花生果壳厚度三维全果表型提取方法，其特征在于，花生果壳厚度三维全果表型提取具体为：以果壳内侧光滑面的三角面法线为轴，利用面-直线-面截距算法，根据经度设置提取不同位置果壳厚度，实现果壳厚度的三维全果表型提取。

5.根据权利要求1所述的一种基于ct扫描的花生果壳厚度三维全果表型提取方法，其特征在于，还包括利用数值滤镜和生长模型算法对ct断层扫描数据进行分析，进而完成果壳三维重建。

技术总结
本发明公开了一种基于CT扫描的花生果壳厚度三维全果表型提取方法，为农作物检测领域。获得的花生果壳空间数据，对果壳三维重建；依据对表面三维曲率的计算，定位果腰、果嘴和果柄三个特征点位置；依据特征点对果壳进行分区并建立果壳经纬度坐标系，同时利用差值算法提取果壳内表面；以指定经纬度样点，基于果壳内表面法线计算样点处果壳厚度；依次对所有样点进行计算，获得全果果壳厚度分布数据集，最终实现花生果壳厚度三维全果表型提取。本发明基于CT断层扫描，配合数值滤镜和生长模型对花生果壳实现三维重构，以三角面法线方向测定全果不同区域果壳厚度，依据果嘴和果腰特征定位，建立花生果壳经纬度坐标系，实现全果壳连续定量分析。

技术研发人员：张梦,孙子淇,董文召,张扬,刘鸿飞,孙曙光,郝帅帅
受保护的技术使用者：河南省作物分子育种研究院
技术研发日：
技术公布日：2024/3/31