一种用于植物根毛计数的新方法及其通过图像超分辨率技术进行的改进

《IEEE Transactions on AgriFood Electronics》：A Novel Approach for Plant Root Hair Counting and its Improvement via Image Super-Resolution

根毛计数是植物生物学和农学研究的重点，传统手动计数存在效率低、准确性差的问题。本研究提出基于图像超分辨率（ISR）的创新方法，通过预处理提升图像分辨率（4倍放大），有效解决重叠根毛识别难题。实验表明，该技术使甜椒和拟南芥根毛计数分别从37增至68、44增至88，显著优于传统方法。首次系统验证了ISR在植物根系分析中的应用价值，为农业可持续发展提供技术支撑。

　　

摘要：

根毛计数是植物生物学和农学研究中的一个专门领域，它为了解植物健康、养分吸收和整体生长潜力提供了宝贵的见解。根毛是从根表皮延伸出来的微小结构，显著增加了根系的表面积，约占植物根系总面积的70%，从而提高了植物从土壤中吸收水分和养分的能力。理解根毛计数的重要性需要考虑植物生理学的多个方面以及土壤与植物之间的相互作用。尽管有这些好处，但根毛的计数工作（尤其是手动计数）可能既繁琐又耗时，而且由于个人感知差异，结果往往不够准确。因此，我们提出了一种新的根毛计数方法，并进一步观察到在预处理阶段使用图像超分辨率技术后，根毛计数结果的准确性有所提高。我们的方法能够应对实际挑战，甚至可以计数重叠的根毛。通过将根际环境可视化到二值空间中，我们发现对于甜椒根毛的计数，手动计数时的数量从37个增加到了68个；而对于拟南芥根部的图像，手动计数时的数量从44个增加到了88个。据作者所知，这项研究专门针对使用超分辨率技术改进根毛计数方法而设计，属于同类研究中的首创，目前尚未获得相关认可。

引言

根毛[1]是植物的重要特征，对确保植物的健康、生长和发育[2]起着关键作用。根毛从根表皮细胞表面延伸出来，极大地增加了根系可用于吸收养分和水分的表面积[3]。它们显著提升了植物的生理效率和生态竞争力。根毛直接参与从土壤中吸收水分和必需矿物质的过程。对于那些在土壤中不易移动的养分（如磷和钾）来说，根毛尤为重要[4]。通过增加与土壤直接接触的根表面积，根毛增强了植物获取和吸收这些重要养分的能力[5]。这些细长的管状结构使根毛能够穿透土壤颗粒之间的微小空间，从而将水分输送到更粗大的根结构中。除了吸收养分和水分外，根毛还有助于将植物固定在土壤中[7]。这种固定的作用增强了植物的稳定性，使其更能抵抗风力和水流等环境因素造成的侵蚀和位移。根毛的固定作用还支持植物的直立生长，使植物能够更好地获取光照并与传粉者互动[8]。根毛还在促进与有益土壤微生物的相互作用中发挥着关键作用，包括与真菌和固氮细菌的共生关系。这些相互作用提高了土壤肥力，增强了养分的吸收效率[9]。根毛的存在显著影响了这些共生关系的效率和效果。根毛能够感知并响应环境条件（如土壤湿度和养分水平），使植物能够根据变化的环境调整其生长和生理状态。这种适应性有助于植物在多样或变化的环境中提高生存能力和竞争优势。从农业角度来看，根毛的存在和效率是培育抗旱性和耐贫瘠土壤作物的重要特征[10]。具有强健根毛系统的植物可能需要更少的水分和肥料，从而促进更可持续的农业实践[10]。因此，总根毛的数量对植物的养分吸收和水分利用至关重要，有助于其生长、发育和整体健康。根毛在最大化表面积、增强吸收能力以及促进与土壤生物相互作用方面的作用突显了其在植物生物学中的重要性。基于这些优势，本研究具有以下贡献：1)

手动计数根毛是一项繁琐且耗时的任务。现有研究对根毛分析的关注不足。因此，我们提出了一种新的高效根毛计数方法。

2)

本研究还采用了无监督图像超分辨率（ISR）技术来提高图像分辨率。如图1所示，这些技术被用来探讨ISR对根毛可视化和计数改进的影响。我们的现有ISR方法CLSR[11]在可视化效果上表现最佳，这一点通过无参考图像质量评估（NR-IQA）指标在植物根图像上的应用得到了验证，从而全面评估了该技术的有效性。图1.

图1展示了超分辨率（放大倍数为4）对从RootCam[6]获取的拟南芥根图像中根毛计数结果的影响。

3)

为了进行全面评估，我们仔细研究了文献中提出的各种根毛计数算法。这种比较分析填补了根毛研究领域的空白，并为不同算法如何影响根毛计数评估提供了宝贵的见解，尤其是在ISR技术应用方面。