转基因水稻花粉图像采集识别技术研究

蒋滔 顾松山

摘要转基因水稻技术在农业上的广泛应用给人类带来巨大利益，也给生态和环境带来了不可预知的基因危害。传统监测采集水稻花粉的方法不仅所需的工作量非常大，而且不能获得安全评估模型所需的水稻花粉时空分布精度的实测资料。为此，研制出一种便携式的既不干扰花粉的自然沉降，又可以实时获得当前空间水稻花粉浓度的水稻花粉图像自动采集仪。通过图像识别的方法获得水稻花粉数据，既丰富了水稻花粉扩散模型数据库的资料，又节省了人力资源，为转基因水稻安全性监测和评估提供了有力的帮助。

关键词转基因水稻；自动采集；图像识别；Roberts算子

中图分类号TP391.4文献标识码A文章编号 1007-5739（2011）13-0021-02

近年来，转基因水稻研究技术迅猛发展。转基因水稻带给人类巨大利益，同时还存在着难以预知的潜在威胁。一方面是转基因水稻本身与其野生种的生存竞争和“杂草化”[1]，另一方面抗性基因转移可能会产生“超级害虫”、“超级病害”，对生物多样性以及及生态平衡产生影响。水稻花粉作为各种控制遗传性状基因传播的有效载体，是研究转基因水稻安全的首要对象。花粉扩散的主要途径是花粉逃逸，研究转基因水稻花粉逃逸规律对建立转基因水稻风险评估体系十分重要。该文采用自主研发的仪器，通过图像拍摄的方法实时获得扩散在空气中的花粉图像信息。利用计算机技术对图像进行加工处理，自动识别花粉数量。

1传统转基因水稻花粉采集方法

目前转基因花粉采集主要有2种方法：一是1943年美国Durham提出的自然重力收集法，将涂有黏合剂的载玻片，按照一定空间规律放置于转基因作物实验田中直接进行花粉采集，其原理是随风飘散的花粉在其自身重力作用下被载玻片捕获[2-3]。二是基于空气流体连续性，通过一定的方法使转基因花粉随空气流过采样介质被黏合剂所捕获。根据有无动力分为2类：非动力型花粉采集器和动力型花粉采集器。对于非动力型采集器，当空气自由通过滤网时，空气中的花粉被滤网所捕获。

2仪器介绍

2.1仪器总体结构

该文设计的转基因水稻花粉自动采集仪是在单目生物光学显微镜的基础上，加装简易数控机械臂及CMOS视频传感器。利用ARM芯片编程控制，自动实现对简易机械臂控制载玻片的自由移动和CMOS视频传感器的数字图像生成并保存图像资料。仪器的构造主要分为3个部分：机械部分、光学部分、电路部分。

2.2机械部分

三维平台：由三台高精度步进电机组成，用来控制采集平台的三维移动。底座：仪器的底座，用以支撑整台仪器，安装镜筒和步进电机平台，确保仪器水平放置。镜筒：安装于底座，镜筒上端安装电子目镜，下端安装物镜。采集平台：安装于底座，用来放置载玻片，收集待测目标。光源：安装于底座，采集平台下，给仪器光学部分提供光源。三角支架：安装仪器，高度可自由调节。

2.3光学部分

电子目镜：安装于镜筒的上端，采用130 W像素的CMOS芯片，最大分辨率可以达到1 280×1 024。可根据自身要求选配不同像素（30～200 W）大小的电子目镜。物镜：安装于镜筒的下端，可供选择的有“4×”、“10×”、“100×”倍的物镜。

2.4电路部分

ARM9主控板：采用三星公司的S3C2440作为主控芯片，板载64M SDRAM、64M Nand Flash、2M Nor Flash，扩展出了USB接口、串口、SD存储接口。步进电机驱动板：采用L298N作为驱动芯片，利用ARM9主控板发送脉冲信号控制步进电机的转动。LCD液晶显示屏：安装在ARM主控板上，触摸屏，用以设定仪器工作模式、启动仪器工作和仪器复位。电源：电源接口为直流5 V，仪器自带有锂电池，供仪器使用，也可以外接电源。

3转基因水稻花粉图像识别

3.1图像识别技术

数字图像处理以及识别是一门相当成熟的科学，从理论上分成早期、中期和后期信息处理阶段。早期阶段得到转基因水稻花粉粒子的灰度图像，以便将输入图像中灰度变化剧烈处的位置、分布和组织结构花粉供中期和后期处理。对于转基因水稻花粉，需要对其进行图像平滑、图像分割、目标提取以及轮廓跟踪，这样可以去除图像中的噪声，加强有用的图像信息，为自动实现花粉技术做好准备工作。

3.2转基因水稻花粉粒子图像滤波

由于在现实空气中除了花粉粒子外还具有其他大小不同的粒子颗粒，这些粒子颗粒在图像采集过程中也会被仪器所拍摄，从而使获得的原始图像上除了目标物外还具有很多的噪声点。因此，首要任务就是要对原始图像进行滤波处理。该文采用中值滤波的方法对转基因水稻花粉图像进行处理，其原理是把数字图像或者数字序列中一个点的值用该点一个领域中各个点的值的中值来代替。采用中值滤波最大的优点就是在滤波的同时保留了边缘信息。

3.3转基因水稻花粉粒子的图像分割

图像中的物体除了在边界处表现出不连续性之外，在物体区域内部具有某种同一性或者均匀性。图像分割的方法有很多种，如阈值选择法、界线探测法、匹配法、跟踪法等。该文采用最大类间方差对降水图案进行阈值分割，其基本原理是在某一阈值处分割为2组，当被分成的2组间方差最大时，决定阈值。

3.4转基因水稻花粉粒子边缘及轮廓提取

图像分割完成之后，原始图像变成二值图像，此时可以利用边缘邻近一阶或者二阶方向倒数变化规律坚持边缘。目前，常用的边缘检测方法有差分边缘检测、Canny边缘检测算子、Roberts边缘检测算子、Sobel边缘检测算子、Prewitt边缘检测算子和Laplace边缘检测算子。在此采用Roberts边缘检测算子，其是一种利用局部差分算子寻找边缘的算子。函数如下式所示：

g（x，y）=｛[■-■]2+[■

-■]2｝■

式中，f（x，y）是具有整体像素坐标的输入图像，平方根使该处理类似于在人类视觉系统中发生的过程；g（x，y）是图像中点（x，y）的梯度，表示该点边缘能量的大小。对整幅图像中各点的梯度求和，就可以表征整个图像的清晰度[4]。

4实际效果

实际采集得到的转基因水稻花粉图像如图1所示，通过VC++6.0软件制作的程序自动对转基因水稻花粉图像进行识别，成功识别出转基因水稻花粉粒子的数量、大小和类型。同时将仪器采集的花粉数据和人工采集得到的花粉数据比较，发现仪器采集的转基因水稻花粉数据和传统人工方法得到的数据具有良好的一致性。

5结语

该文设计仪器于2009年9月在江苏省农科院溧水试验田成功工作14个工作日，状况良好，数据真实可靠，为转基因水稻花粉扩散规律研究提供了必要资料。由于仪器自动化程度较高，解放了劳动力，可在同类研究中推广。

6参考文献

[1] 胡平，姚国新，盛继群.转基因作物安全性研究进展[J].安徽农业科学，2006，34（16）：3955-3956，3961.

[2] 刘寿东，李仁忠，胡凝.南京开花期稻田贴地层微气象特征研究[J].安徽农业科学，2008，36（16）：6701-6703，6707.

[3] 赵莉莉，刘寿东，胡凝水.稻花粉扩散源强估算方法研究[J].安徽农业科学，2009，37（23）：10833-10834，10837.

[4] 郭军，曾文涵，谢铁邦.基于熵函数的快速自动聚焦方法[J].计量技术，2003（11）：30-32.