一種植物根系三維構(gòu)型無(wú)損檢測(cè)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及地下目標(biāo)探測(cè)物的無(wú)損探測(cè)與定量測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及植物根系的無(wú)損檢測(cè)。
【背景技術(shù)】
[0002]植物根系構(gòu)型獲取在根系固土護(hù)坡機(jī)制機(jī)理研宄、植物根系固碳研宄、植物生長(zhǎng)發(fā)育等方面的研宄都具有重要作用。但是，因?yàn)橥寥赖牟煌该鲗傩裕沟弥参锔档闹苯佑^測(cè)較為困難。目前主要有以下幾種探測(cè)方法:一是通過(guò)直接開(kāi)挖土壤，獲取根系的相關(guān)構(gòu)型信息。但直接開(kāi)挖使得植物的生長(zhǎng)遭到破壞；二是利用視窗法、微根窗法、來(lái)實(shí)現(xiàn)植物根系的觀測(cè)，但這些方法存在成像尺度小或需要付出較大人力成本等方面的問(wèn)題；三是利用探地雷達(dá)實(shí)現(xiàn)根系信息的無(wú)損獲取。目前在利用探地雷達(dá)對(duì)根系無(wú)損探測(cè)時(shí)，需要在測(cè)試之前布設(shè)雷達(dá)測(cè)線或者測(cè)網(wǎng)，且雷達(dá)天線只能沿著雷達(dá)測(cè)線與測(cè)網(wǎng)前進(jìn)，因此只能獲取測(cè)線下方截面的相關(guān)信息。而對(duì)于沒(méi)有繪制測(cè)線的地表面，則無(wú)法獲取地下相關(guān)信息。因此利用這種方法對(duì)根系進(jìn)行探測(cè)時(shí)，一是導(dǎo)致很多地下信息的缺失，大大減少了根系截面獲取的精度；二是由于雷達(dá)測(cè)線或者測(cè)網(wǎng)的限制，無(wú)法實(shí)現(xiàn)雷達(dá)天線在任意位置的測(cè)量。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的問(wèn)題，本發(fā)明的主要目的在于提供一種無(wú)需事先布置雷達(dá)測(cè)線，利用計(jì)算機(jī)視覺(jué)空間定位實(shí)現(xiàn)探地雷達(dá)天線在任意位置的空間定位，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)探地雷達(dá)電磁波譜的空間定位，通過(guò)數(shù)值信號(hào)處理與圖像處理獲取在測(cè)量區(qū)域內(nèi)不同位置上的根系切面，并通過(guò)不同位置上的根系切面以及切面之間的關(guān)系最終實(shí)現(xiàn)的植物根系三維構(gòu)型的無(wú)損檢測(cè)方法。
[0004]一種植物根系三維構(gòu)型無(wú)損檢測(cè)方法，探地雷達(dá)天線在植物根系表面實(shí)時(shí)探測(cè)并發(fā)射電磁波譜，該方法包括如下步驟(I)至步驟(6):
[0005](I)利用圖像采集設(shè)備與標(biāo)定模板獲取任意時(shí)刻探地雷達(dá)天線的三維位置與姿態(tài)信息；
[0006](2)通過(guò)某一時(shí)刻的探地雷達(dá)天線的三維位置與姿態(tài)信息對(duì)該對(duì)應(yīng)時(shí)刻探地雷達(dá)天線發(fā)射的電磁波譜進(jìn)行空間校正，獲得任意時(shí)刻探地雷達(dá)發(fā)射電磁波譜的三維空間信息;
[0007](3)對(duì)經(jīng)過(guò)空間校正后所形成的覆蓋整個(gè)測(cè)量區(qū)域的電磁波譜進(jìn)行數(shù)值信息和圖像信息的雙模式處理:即對(duì)單道電磁波譜的數(shù)值信息進(jìn)行基爾霍夫迀移處理，獲取地下未知物體的截面信息；對(duì)多道電磁波譜組成的電磁波譜圖像進(jìn)行希爾伯特變換，獲取地下未知物體的截面信息；
[0008](4)對(duì)數(shù)值信息和圖像信息獲取的地下未知物體的截面信息進(jìn)行對(duì)比，若二者獲取的未知物體的截面信息為同一區(qū)域，則確定該區(qū)域?yàn)榉峭寥牢矬w所在區(qū)；
[0009](5)判斷非土壤物體所在區(qū)的未知物體是否為植物根系；
[0010](6)若未知物體為植物根系，獲取植物根系在空間位置的截面，并根據(jù)不同空間位置的植物根系截面，對(duì)整個(gè)植物根系進(jìn)行三維重構(gòu)。
[0011]進(jìn)一步地，該步驟(I)獲取任意時(shí)刻探地雷達(dá)天線的三維位置與姿態(tài)信息包含如下步驟(1.1)至步驟(1.4):
[0012](1.1)在根系目標(biāo)探測(cè)區(qū)的地表設(shè)置一標(biāo)定模板，當(dāng)探地雷達(dá)天線實(shí)時(shí)探測(cè)時(shí)，圖像采集設(shè)備獲取任意時(shí)刻探地雷達(dá)天線運(yùn)動(dòng)的圖像信息；同時(shí)圖像采集設(shè)備也將獲取在同一視野內(nèi)的標(biāo)定模板的圖像信息；
[0013](1.2)獲取采集的標(biāo)定模板圖像的直線信息，利用標(biāo)定模板在圖像坐標(biāo)系中的直線信息與在實(shí)際空間地平面上的坐標(biāo)信息，確定圖像上的點(diǎn)與實(shí)際空間地平面坐標(biāo)信息的對(duì)應(yīng)關(guān)系，根據(jù)所述對(duì)應(yīng)關(guān)系確定探地雷達(dá)天線任意時(shí)刻在實(shí)際空間地平面上的三維坐標(biāo)信息。主要原理為:由于標(biāo)定模板上繪制有棋盤(pán)格，因此可以獲取采集的標(biāo)定模板圖像上的直線信息。由于每個(gè)棋盤(pán)格都具有具體的物理尺度，因此可以將根系探測(cè)區(qū)的地表平面進(jìn)行空間尺度劃分，即可以實(shí)現(xiàn)對(duì)圖像上的任意地表面的圖像點(diǎn)進(jìn)行空間定位。這樣就可以通過(guò)圖像采集裝置采集的探地雷達(dá)天線的圖像，對(duì)任意時(shí)刻探地雷達(dá)天線在地表的空間位置進(jìn)行定位。由于實(shí)現(xiàn)了任意時(shí)刻探地雷達(dá)天線的空間位置的定位，也就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)探地雷達(dá)波譜的空間定位。進(jìn)而可以實(shí)現(xiàn)對(duì)探地雷達(dá)波譜所形成的根系截面反射所形成的圖像(信息)的定位，進(jìn)而可以實(shí)現(xiàn)對(duì)根系截面的定位與相關(guān)信息的獲取；通過(guò)多個(gè)根系截面信息便可以實(shí)現(xiàn)植物根系三維構(gòu)型的重建。
[0014](1.3)對(duì)采集的標(biāo)定模板圖像進(jìn)行角點(diǎn)檢測(cè)，獲取標(biāo)定模板每個(gè)角點(diǎn)在圖像坐標(biāo)系中的坐標(biāo)；
[0015](1.4)利用標(biāo)定模板在圖像坐標(biāo)系中的角點(diǎn)與實(shí)際空間坐標(biāo)系中角點(diǎn)之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，確定探地雷達(dá)天線在運(yùn)行過(guò)程中的位姿信息。
[0016]更進(jìn)一步地，該步驟(4)對(duì)數(shù)值信息和圖像信息獲取的地下未知物體的截面信息進(jìn)行對(duì)比，若二者獲取的未知物體的截面信息不在同一區(qū)域，則確定該區(qū)域?yàn)橥寥牢矬w所在區(qū)。
[0017]更進(jìn)一步地，該步驟(5)判斷非土壤物體所在區(qū)的未知物體是否為植物根系包含如下步驟(5.1)至步驟(5.5):
[0018](5.1)在確定的非土壤物體所在區(qū)對(duì)未知物體的截面信息進(jìn)行分割，獲取多個(gè)包含單邊雙曲線的圖像；
[0019](5.2)對(duì)單邊雙曲線進(jìn)行圖像處理，獲取單邊雙曲線的二值圖；
[0020](5.3)對(duì)單邊雙曲線的二值圖進(jìn)行雙曲線擬合，獲取擬合后雙曲線的參數(shù)；
[0021](5.4)利用擬合后的雙曲線獲取未知物體探測(cè)面的性質(zhì)；
[0022](5.5)利用未知物體探測(cè)面的性質(zhì)判斷未知物體是否為植物根系。
[0023]更進(jìn)一步地，該步驟(5)判斷非土壤物體所在區(qū)的未知物體是否為植物根系包含如下步驟:獲取地下未知物體的三維構(gòu)型，若未知物體的三維構(gòu)型為連續(xù)的，則未知物體為植物根系。
[0024]更進(jìn)一步地，該步驟(6)若未知物體為植物根系，獲取植物根系在空間位置的截面，并根據(jù)不同空間位置的植物根系截面，對(duì)整個(gè)植物根系進(jìn)行三維重構(gòu)包含如下步驟(6.1)至步驟(6.3):
[0025](6.1)利用斷層截面各點(diǎn)之間的關(guān)系確定植物根系的三維構(gòu)型；
[0026](6.2)對(duì)植物根系截面圖，利用網(wǎng)格生成植物根系表面曲面；
[0027](6.3)利用植物根系的三維構(gòu)型和表面曲面獲取三維重構(gòu)出的植物根系。
[0028]更進(jìn)一步地，該步驟(6)獲取植物根系在空間位置的截面，并根據(jù)不同空間位置的植物根系截面，對(duì)整個(gè)植物根系進(jìn)行三維重構(gòu)后，若獲取的植物根系構(gòu)型不夠清晰，則根據(jù)已獲取的植物根系三維重構(gòu)圖反映的根系區(qū)域信息再進(jìn)行雷達(dá)探測(cè)。
[0029]相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)，首先，本方法實(shí)現(xiàn)了植物根系構(gòu)型、走向的無(wú)損獲??；其次，本發(fā)明利用標(biāo)定模板作為參照物實(shí)現(xiàn)了探地雷達(dá)天線在任意位置的空間定位，不需要人工設(shè)置雷達(dá)測(cè)線與測(cè)網(wǎng)，使探地雷達(dá)天線可以在視覺(jué)區(qū)域內(nèi)自由運(yùn)動(dòng)，實(shí)時(shí)獲取運(yùn)動(dòng)軌跡，為植物根系獲取豐富的電磁反射波譜信息，實(shí)現(xiàn)了植物根系更為精準(zhǔn)的三維構(gòu)型獲取。
【附圖說(shuō)明】
[0030]圖1是本發(fā)明一種植物根系三維構(gòu)型無(wú)損檢測(cè)方法實(shí)施例的流程圖
[0031]圖2是本發(fā)明獲取探地雷達(dá)天線的三維位置與姿態(tài)信息示意圖
[0032]圖3是本發(fā)明標(biāo)定模板示意圖
[0033]圖4是本發(fā)明對(duì)植物根系進(jìn)行三維重構(gòu)的示意圖
【具體實(shí)施方式】
[0034]下面結(jié)合附圖，詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】。
[0035]本發(fā)明涉及一種針對(duì)林木等植物根系進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)的方法。利用探地雷達(dá)天線行走過(guò)的軌跡獲得植物根系在不同位置的截面信息，并利用該截面信息對(duì)植物根系進(jìn)行三維構(gòu)型重構(gòu)。具體為:利用探地雷達(dá)天線對(duì)地下進(jìn)行實(shí)時(shí)探測(cè)，并根據(jù)形成的電磁反射波譜圖獲取植物根系截面；利用視覺(jué)定位方式實(shí)現(xiàn)電磁波譜收發(fā)裝置(探地雷達(dá)天線)的空間定位，并將探地雷達(dá)天線的空間信息與電磁波譜信息進(jìn)行關(guān)聯(lián)，進(jìn)而獲取植物根系截面的空間信息；通過(guò)三維重建技術(shù)，實(shí)現(xiàn)基于多截面的植物根系三維構(gòu)型獲取。
[0036]如圖1所示，為本發(fā)明一種植物根系三維構(gòu)型無(wú)損檢測(cè)方法實(shí)施例的流程圖。該植物根系三維構(gòu)型無(wú)損檢測(cè)方法包括如下步驟S1-S8:
[0037]S1