專利名稱：小麥種子種皮厚度測量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及種皮厚度測量技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種小麥種子種皮厚度測量方法。
背景技術(shù)：
種子種皮是種子外面的覆被部分，由好幾層細(xì)胞組成，主要成分為纖維素，具有保護(hù)種子不受外力機械損傷和防止病蟲害入侵的作用。種皮對于種子的儲藏具有重要作用， 種子在貯藏過程中通過種皮進(jìn)行水分和氣體的交換，種皮較厚會在一定程度上阻止水分和氣體的交換進(jìn)而導(dǎo)致種子萌發(fā)率降低。種子萌發(fā)率偏低對播種、出苗產(chǎn)生阻礙，種子利用率降低。小麥種皮厚度會影響小麥的加工品質(zhì)，特別是影響出粉率的大小。小麥出粉率是指去除麥皮后產(chǎn)出的面粉質(zhì)量與小麥質(zhì)量的比率。籽粒皮薄比皮厚的小麥容重值大，出粉率高，經(jīng)濟價值高。種皮厚度也是育種過程中需要進(jìn)行篩選鑒定的重要性狀，一般來說白皮麥皮薄，紅皮麥皮厚。小麥育種時育種家通常需咬開小麥用肉眼來查看種皮厚度情況。因此， 農(nóng)作物種子種皮厚度的測量對選種育種、糧食加工、種子儲藏等都具有重要意義。現(xiàn)有的農(nóng)作物種皮厚度測量方法有用牙咬開種子目測觀察法、掃描電鏡法、顯微鏡法、測微尺法、磨粉法等。掃描電鏡測量種皮厚度的方法，需要對種子進(jìn)行預(yù)處理，先把種子固定在3%的戊二醛中，再用各級酒精脫水，然后自然干燥，用導(dǎo)電膠帶貼在樣品臺上，鍍膜后在掃描電鏡下觀察，可清晰看到種皮的細(xì)胞結(jié)構(gòu)，直接讀取種皮厚度。目前常用的顯微鏡法是在可見光下通過觀察種子顯微標(biāo)本的種皮細(xì)胞并用目鏡測微尺直接讀取種皮厚度實現(xiàn)測量，由于種皮和胚乳部分在可見光下直接觀測差異不大， 因此需要用相應(yīng)的化學(xué)試劑對種子切片進(jìn)行染色，染色的目的是利于清晰地觀察種皮中不同細(xì)胞組織的形態(tài)。顯微標(biāo)本制作過程細(xì)致而復(fù)雜，制作時間長，實驗條件需要嚴(yán)格控制， 制作過程應(yīng)用的化學(xué)試劑會造成一定的環(huán)境污染，對實驗員技術(shù)要求較高。測微尺法是通過測量從種子上剝離下來的種皮實現(xiàn)種皮厚度測量，小麥的種皮不容易直接剝離，一般需要先浸泡再進(jìn)行精細(xì)手工操作，種皮剝離過程時間長，浸泡過的種子種皮會膨脹，剝離下來后需烘干然后進(jìn)行測量，烘干的種皮容易碎裂不利于直接測量，另外常用的螺旋測微尺的精度為O. Olmm,估讀一位到O. OOlmm,而小麥種皮厚度通常在幾十個微米左右，因此儀器本身的精度不夠，讀值時誤差較大。小麥種皮厚度本身不均勻，因此測量種皮某個位置的厚度難以反映種皮厚度的整體情況。磨粉法測量的是一定量的小麥群體種子磨粉后的麥皮重量，能間接反映種皮厚度，適用于不同品種間小麥種皮厚度的整體比較，無法實現(xiàn)單粒小麥的種皮厚度測量。
發(fā)明內(nèi)容
(一 )要解決的技術(shù)問題本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是如何提供一種小麥種子種皮厚度測量方法，以實現(xiàn)對單粒小麥種子種皮厚度的快速、準(zhǔn)確測量。
(二)技術(shù)方案為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供一種小麥種子種皮厚度測量方法，其包括步驟A :使用刀片直接切開小麥種子制作種子的切片；B :針對所述切片，利用紅外顯微成像系統(tǒng)采集小麥種子的紅外顯微光譜圖像；C :根據(jù)所述紅外顯微光譜圖像，提取能夠反映種皮和內(nèi)部組織差異的小麥種子的特征圖像；D :對所述特征圖像進(jìn)行處理，獲得種皮圖像；E :標(biāo)定所述種皮圖像的比例尺，根據(jù)所述比例尺以及所述種皮圖像中對應(yīng)種皮厚度的像素數(shù)量，計算單粒小麥種子的種皮厚度。優(yōu)選地，所述步驟A具體包括步驟Al :選取飽滿的小麥種子作為測量對象；A2 :用刀片直接切取小麥種子中間部分，獲得小麥種子的切片；所述切片的兩個切面平整且平行，并且所述切片的厚度介于I. 8mm到2mm。優(yōu)選地,所述步驟B具體包括步驟BI:掃描背景光譜；B2 :掃描所述切片的顯微可見圖像；B3 :在所述顯微可見圖像中選擇檢測區(qū)域并進(jìn)行定位，然后在12500 2000CHT1光譜范圍內(nèi)進(jìn)行紅外光譜圖像掃描，獲得小麥種子的紅外顯微光譜圖像。優(yōu)選地，所述步驟C具體包括步驟Cl :根據(jù)所述紅外顯微光譜圖像，獲得小麥種子的平均吸光度圖像、單波長圖像或者峰比率圖像；C2:根據(jù)所述平均吸光度圖像、單波長圖像或者峰比率圖像，獲得能夠反映種皮和內(nèi)部組織差異的小麥種子的特征圖像。優(yōu)選地，所述步驟D具體包括步驟Dl :將所述特征圖像轉(zhuǎn)化為灰度圖像；D2 :選取閾值對所述灰度圖像進(jìn)行二值化處理，實現(xiàn)小麥種子與背景的分離，并得到二值化圖像；D3:對所述二值化圖像進(jìn)行形態(tài)學(xué)圖像處理，去掉非種皮區(qū)域的圖像，得到種皮圖像。優(yōu)選地,所述步驟D2中，采用Otsu算法選取所述閾值。優(yōu)選地，所述步驟D3中，采用腐蝕、膨脹、腐蝕與膨脹相結(jié)合或者重構(gòu)的方法對所述二值化圖像進(jìn)行形態(tài)學(xué)圖像處理。優(yōu)選地,所述步驟E具體包括步驟El :標(biāo)定所述種皮圖像的比例尺；E2 :計算所述種皮圖像中對應(yīng)種皮厚度的像素數(shù)量；E3 :根據(jù)等比例原理，由所述種皮圖像的比例尺和對應(yīng)種皮厚度的像素數(shù)量，計算單粒小麥種子的種皮厚度。優(yōu)選地，所述步驟El中，根據(jù)所述切片的最大直徑，以及所述最大直徑對應(yīng)的像素數(shù)量，標(biāo)定所述種皮圖像的比例尺；或者通過同步采集已知尺寸的標(biāo)準(zhǔn)板的圖像，標(biāo)定所述種皮圖像的比例尺。優(yōu)選地，所述步驟E2中，通過計算多處種皮厚度對應(yīng)的像素數(shù)量平均值的方式， 獲得所述種皮圖像中對應(yīng)種皮厚度的像素數(shù)量；或者根據(jù)種皮區(qū)域像素數(shù)和種皮周長，等效獲得所述種皮圖像中對應(yīng)種皮厚度的像素數(shù)量。(三)有益效果本發(fā)明的小麥種子種皮厚度測量方法，通過采集小麥種子切片的紅外顯微光譜圖像，并根據(jù)所述紅外顯微光譜圖像進(jìn)行處理和計算，以簡單的操作步驟，實現(xiàn)了對單粒小麥種子種皮厚度的快速、準(zhǔn)確測量。并且，所述方法不需要使用化學(xué)試劑，安全環(huán)保；制作切片操作簡單，不需要進(jìn)行石蠟包埋處理；所述方法不需要人工主觀判斷，避免了人為誤差；所述方法還可以應(yīng)用于其他作物(如玉米)的種皮測量，具有廣泛的應(yīng)用前景。
圖I是本發(fā)明實施例所述的小麥種子種皮厚度測量方法流程圖；圖2是本發(fā)明實施例所述小麥種子的平均吸光度圖像示意圖；圖3是本發(fā)明實施例所述種皮圖像示意圖；圖4是本發(fā)明實施例所述的比例尺標(biāo)定方法示意圖。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖和實施例，對本發(fā)明的具體實施方式
作進(jìn)一步詳細(xì)描述。以下實施例用于說明本發(fā)明，但不用來限制本發(fā)明的范圍。圖I是本發(fā)明實施例所述的小麥種子種皮厚度測量方法流程圖。如圖I所示，所述方法包括步驟A :使用刀片直接切開小麥種子制作種子的切片。所述步驟A具體包括步驟Al :選取飽滿的小麥種子作為測量對象。步驟A2 :用刀片直接切取小麥種子中間部分，獲得小麥種子的切片；所述切片的兩個切面平整且平行，并且所述切片的厚度介于I. 8mm到2mm。需要說明的是，所述切片不需要進(jìn)行石蠟包埋，相比傳統(tǒng)方法，操作步驟更加簡單。本實施例中選用的小麥種子的品種包括農(nóng)大195、京冬17和揚州13。所選種子均籽粒飽滿，并且在執(zhí)行步驟A2前，小麥種子的表面均被清理干凈。對于上述3個品種，共取4個切片農(nóng)大195和京冬17各取I個切片，揚州13從兩粒種子中取兩個切片。后續(xù)對所述4個切片均按照相同的步驟分別進(jìn)行測量。步驟B:針對所述切片，利用紅外顯微成像系統(tǒng)采集小麥種子的紅外顯微光譜圖像。本實施例所用實驗儀器是傅里葉變換紅外顯微成像系統(tǒng)。打開儀器電源之前，須加液氮冷卻MCT (mercury cadmium telluride，紅外光譜儀檢測器的一種)檢測器。打開儀器電源和電腦，查看顯微鏡能量值并作記錄，若能量值達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn)要求，儀器會自動給出警告信息。打開儀器參數(shù)設(shè)置窗口，選擇光路和激發(fā)光波段，選用近紅外波段NIR。調(diào)節(jié)焦距，設(shè)置實驗參數(shù)，各參數(shù)為成像面積5000 μ mX 5000 μ m,空間分辨率25 μ mX 25 μ m，波數(shù)分辨率為64CHT1，掃描次數(shù)32，近紅外7800-2000CHT1。
所述步驟B具體包括步驟BI :掃描背景光譜。近紅外波段反射模式下需用聚四氟作為背景，掃描的背景光譜用于消除空氣中水分和C02對要采集的紅外光譜圖像的影響。步驟B2 :將所述切片固定在載條片上，使小麥種子腹溝所在線平行于載條片的邊，聚焦后掃描所述切片的顯微可見圖像。步驟B3 :在所述顯微可見圖像中選擇檢測區(qū)域并進(jìn)行定位，然后在12500 2000cm-1光譜范圍內(nèi)進(jìn)行紅外光譜圖像掃描，獲得小麥種子的紅外顯微光譜圖像。所采集的紅外顯微光譜圖像是關(guān)于紅外吸收強度、波長數(shù)、二維空間(x，y)定位信息的四維數(shù)據(jù)。步驟C :根據(jù)所述紅外顯微光譜圖像，提取能夠反映種皮和內(nèi)部組織差異的小麥種子的特征圖像。所述步驟C具體包括步驟Cl :根據(jù)所述紅外顯微光譜圖像，獲得小麥種子的平均吸光度圖像、單波長圖像或者峰比率圖像。步驟C2 :根據(jù)所述平均吸光度圖像、單波長圖像或者峰比率圖像，獲得能夠反映種皮和內(nèi)部組織差異的小麥種子的特征圖像。所述紅外顯微光譜圖像是一個四維數(shù)據(jù)，其數(shù)據(jù)顯示模式有平均吸光度圖像、單波長圖像、峰比率圖像。平均吸光度圖像是以每一個數(shù)據(jù)點的紅外光譜圖為基礎(chǔ)，宏觀顯示圖像分析區(qū)域內(nèi)的紅外吸收強度；分析對比圖像中代表吸收強度的不同顏色處紅外光譜是否具有纖維素分子的紅外特征峰從而可以確定種皮區(qū)域，進(jìn)而可以提取小麥種子的特征圖像。單波長圖像是以紅外光譜特定波長的紅外吸收強度為特征，顯示與特定波長對應(yīng)的化學(xué)官能團(tuán)在圖像分析區(qū)域內(nèi)的分布信息；以纖維素的紅外特征峰作為特定波長進(jìn)行單波長圖像模式顯示，根據(jù)與纖維素對應(yīng)的特定波長的分布情況，也可以提取小麥種子的特征圖像。峰比率圖像是以紅外光譜圖不同官能團(tuán)吸收峰的峰比率為特征，顯示與峰比率對應(yīng)的化學(xué)官能團(tuán)在圖像分析區(qū)域內(nèi)的分布信息；以纖維素特征峰與淀粉或蛋白質(zhì)特征峰的比率為特征顯示峰比率圖像，可以提取小麥種子的特征圖像。圖2是本發(fā)明實施例所述小麥種子的平均吸光度圖像示意圖。如圖2所示，本實施例根據(jù)小麥種子的平均吸光度圖像獲得小麥種子的特征圖像。根據(jù)所述紅外顯微光譜圖像能夠獲得不同波長的吸光度圖像的平均圖像，即平均吸光度圖像，本實施例對這些平均吸光度圖像進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)其能夠明顯地區(qū)分小麥種子的種皮和內(nèi)部結(jié)構(gòu)。步驟D :對所述特征圖像進(jìn)行處理，獲得種皮圖像。所述步驟D具體包括步驟Dl :將所述特征圖像轉(zhuǎn)化為灰度圖像。通過將24位RGB真彩色的特征圖像轉(zhuǎn)化為256級灰度圖像，可以有效降低圖像的數(shù)據(jù)量，更易于存儲和處理。步驟D2 :采用Otsu (—種圖像分割算法)算法選取閾值，利用所述閾值對所述灰度圖像進(jìn)行二值化處理，實現(xiàn)小麥種子與背景的分離，并得到二值化圖像。步驟D3 :采用腐蝕、膨脹、腐蝕與膨脹相結(jié)合或者重構(gòu)的方法，對所述二值化圖像進(jìn)行形態(tài)學(xué)圖像處理，去掉非種皮區(qū)域的圖像，得到種皮圖像。圖3是本發(fā)明實施例所述種皮圖像示意圖，如圖3所示，所述種皮圖像中去除了背景和種子的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，只剩余種皮部分，以利于后續(xù)種皮厚度計算。步驟E :標(biāo)定所述種皮圖像的比例尺，根據(jù)所述比例尺以及所述種皮圖像中對應(yīng)種皮厚度的像素數(shù)量，計算單粒小麥種子的種皮厚度。所述步驟E具體包括
步驟El :標(biāo)定所述種皮圖像的比例尺。所述種皮圖像中的比例尺是指實際長度 Imm在圖像中對應(yīng)的像素數(shù)量。標(biāo)定所述種皮圖像的比例尺的方法包括以下兩種(I)用游標(biāo)卡尺測量所述切片的最大直徑值D，在所述紅外圖像譜圖中分割最大直徑，計算最大直徑對應(yīng)的像素數(shù)B，因為所述紅外圖像譜圖與所述種皮圖像的比例尺相同，所以所述種皮圖像的比例尺=B/D ； (2)在采集小麥種子的紅外顯微光譜圖像時在種子旁邊放置一個標(biāo)準(zhǔn)的 5_長的標(biāo)準(zhǔn)反射板方塊，在所述紅外顯微光譜圖像中分割所述方塊并計算所述方塊對應(yīng)的像素數(shù)A，所述種皮圖像的比例尺=A/5。圖4是本發(fā)明實施例所述的比例尺標(biāo)定方法示意圖，如圖4所示，本實施例采用第一種方法，利用所述切片的最大直徑值D標(biāo)定所述種皮圖像的比例尺。步驟E2 :計算所述種皮圖像中對應(yīng)種皮厚度的像素數(shù)量。所述步驟E2也可以通過以下兩種方法實現(xiàn)(1)沿小麥種子的腹溝方向和垂直與所述腹溝的方向，各取2處(共 4處)種皮厚度對應(yīng)的像素數(shù)量，然后計算其平均值，并將所述平均值作為所述種皮圖像中對應(yīng)種皮厚度的像素數(shù)量；(2)將環(huán)形的種皮看做條狀的長方形處理，用種皮所占面積除以種皮的周長計算等效厚度對應(yīng)的像素數(shù)量，并將所述等效厚度對應(yīng)的像素數(shù)量作為所述種皮圖像中對應(yīng)種皮厚度的像素數(shù)量?？紤]到小麥種子的腹溝處種皮較厚，其他部分種皮較薄的特點，本實施例采用第一種方法，其優(yōu)點是準(zhǔn)確度高，并且數(shù)據(jù)計算量小。步驟E3 :根據(jù)等比例原理，由所述種皮圖像的比例尺和對應(yīng)種皮厚度的像素數(shù)量，計算單粒小麥種子的種皮厚度。為了驗證本發(fā)明實施例所述方法的效果，采用測微尺法測量小麥種皮厚度，并與本實施例所述方法的測量結(jié)果進(jìn)行試驗對比，下表I是試驗對比結(jié)果數(shù)據(jù)，表I中數(shù)據(jù)表明本發(fā)明實施例所述方法與測微尺法的測量結(jié)果基本一致，符合小麥種皮厚度測量的精度要求。其中，采用測微尺法測量小麥種皮厚度的方法具體包括將小麥切片浸泡2-4個小時， 用刀片切取種皮，將其放置1-2天進(jìn)行晾干。晾干后用千分尺測量種皮，每個種皮測量6次， 最后取平均值作為種皮厚度值。表I對比試驗結(jié)果數(shù)據(jù)
權(quán)利要求
1.一種小麥種子種皮厚度測量方法，其特征在于，包括步驟A :使用刀片直接切開小麥種子制作種子的切片；B :針對所述切片，利用紅外顯微成像系統(tǒng)采集小麥種子的紅外顯微光譜圖像；C :根據(jù)所述紅外顯微光譜圖像，提取能夠反映種皮和內(nèi)部組織差異的小麥種子的特征圖像；D :對所述特征圖像進(jìn)行處理，獲得種皮圖像；E :標(biāo)定所述種皮圖像的比例尺，根據(jù)所述比例尺以及所述種皮圖像中對應(yīng)種皮厚度的像素數(shù)量，計算單粒小麥種子的種皮厚度。
2.如權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于，所述步驟A具體包括步驟Al :選取飽滿的小麥種子作為測量對象；A2 :用刀片直接切取小麥種子中間部分，獲得小麥種子的切片；所述切片的兩個切面平整且平行，并且所述切片的厚度介于I. 8mm到2mm。
3.如權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于，所述步驟B具體包括步驟BI :掃描背景光譜；B2 :掃描所述切片的顯微可見圖像；B3 :在所述顯微可見圖像中選擇檢測區(qū)域并進(jìn)行定位，然后在12500 2000CHT1光譜范圍內(nèi)進(jìn)行紅外光譜圖像掃描，獲得小麥種子的紅外顯微光譜圖像。
4.如權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于，所述步驟C具體包括步驟Cl :根據(jù)所述紅外顯微光譜圖像，獲得小麥種子的平均吸光度圖像、單波長圖像或者峰比率圖像；C2:根據(jù)所述平均吸光度圖像、單波長圖像或者峰比率圖像，獲得能夠反映種皮和內(nèi)部組織差異的小麥種子的特征圖像。
5.如權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于，所述步驟D具體包括步驟Dl :將所述特征圖像轉(zhuǎn)化為灰度圖像；D2 :選取閾值對所述灰度圖像進(jìn)行二值化處理，實現(xiàn)小麥種子與背景的分離，并得到二值化圖像；D3 :對所述二值化圖像進(jìn)行形態(tài)學(xué)圖像處理，去掉非種皮區(qū)域的圖像，得到種皮圖像。
6.如權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，所述步驟D2中，采用Otsu算法選取所述閾值。
7.如權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，所述步驟D3中，采用腐蝕、膨脹、腐蝕與膨脹相結(jié)合或者重構(gòu)的方法對所述二值化圖像進(jìn)行形態(tài)學(xué)圖像處理。
8.如權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于，所述步驟E具體包括步驟El :標(biāo)定所述種皮圖像的比例尺；E2 :計算所述種皮圖像中對應(yīng)種皮厚度的像素數(shù)量；E3 :根據(jù)等比例原理，由所述種皮圖像的比例尺和對應(yīng)種皮厚度的像素數(shù)量，計算單粒小麥種子的種皮厚度。
9.如權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于，所述步驟El中，根據(jù)所述切片的最大直徑， 以及所述最大直徑對應(yīng)的像素數(shù)量，標(biāo)定所述種皮圖像的比例尺；或者通過同步采集已知尺寸的標(biāo)準(zhǔn)板的圖像，標(biāo)定所述種皮圖像的比例尺。
10.如權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于，所述步驟E2中，通過計算多處種皮厚度對應(yīng)的像素數(shù)量平均值的方式，獲得所述種皮圖像中對應(yīng)種皮厚度的像素數(shù)量；或者根據(jù)種皮區(qū)域像素數(shù)和種皮周長，等效獲得所述種皮圖像中對應(yīng)種皮厚度的像素數(shù)量。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種小麥種子種皮厚度測量方法。所述方法包括步驟使用刀片直接切開小麥種子制作種子的切片；針對切片，利用紅外顯微成像系統(tǒng)采集小麥種子的紅外顯微光譜圖像；根據(jù)紅外顯微光譜圖像，提取能夠反映種皮和內(nèi)部組織差異的小麥種子的特征圖像；對特征圖像進(jìn)行處理，獲得種皮圖像；標(biāo)定種皮圖像的比例尺，根據(jù)比例尺以及種皮圖像中對應(yīng)種皮厚度的像素數(shù)量，計算單粒小麥種子的種皮厚度。所述方法，以簡單的操作步驟，實現(xiàn)了對單粒小麥種子種皮厚度的快速、準(zhǔn)確測量；并且，制作切片簡單，不需要使用化學(xué)試劑，安全環(huán)保；不需要人工主觀判斷，避免了人為誤差；所述方法還可以應(yīng)用于與其他作物(如玉米)的種皮測量，具有廣泛的應(yīng)用前景。
文檔編號A01C1/00GK102577694SQ201210013158
公開日2012年7月18日 申請日期2012年1月16日 優(yōu)先權(quán)日2012年1月16日
發(fā)明者于春花, 朱大洲, 潘大宇, 王成, 王曉冬, 羅斌 申請人:北京農(nóng)業(yè)智能裝備技術(shù)研究中心