一種植物根系三維構型無損檢測方法技術

本發明專利技術提供一種植物根系三維構型無損檢測方法，探地雷達天線在植物根系表面實時探測，該方法還包括如下步驟：獲取任意時刻探地雷達天線的三維位置與姿態信息；獲得任意時刻探地雷達發射電磁波譜的三維空間信息；對電磁波譜進行數值信息和圖像信息的雙模式處理；對數值信息和圖像信息獲取的地下未知物體的截面信息進行對比，若二者獲取未知物體截面信息一致，則確定該區域為非土壤物體所在區；判斷未知物體是否為植物根系；若未知物體為植物根系，獲取根系截面的相關形態與位置信息；利用獲取的不同位置的根系斷層截面對所在區域植物根系進行三維重構。本發明專利技術相對于現有技術，不需要人工設置雷達測線與測網，實現了植物根系構型、走向無損獲取。

【技術實現步驟摘要】
一種植物根系三維構型無損檢測方法
本專利技術涉及地下目標探測物的無損探測與定量測量
，特別是涉及植物根系的無損檢測。
技術介紹
植物根系構型獲取在根系固土護坡機制機理研究、植物根系固碳研究、植物生長發育等方面的研究都具有重要作用。但是，因為土壤的不透明屬性，使得植物根系的直接觀測較為困難。目前主要有以下幾種探測方法：一是通過直接開挖土壤，獲取根系的相關構型信息。但直接開挖使得植物的生長遭到破壞；二是利用視窗法、微根窗法、來實現植物根系的觀測，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題；三是利用探地雷達實現根系信息的無損獲取。目前在利用探地雷達對根系無損探測時，需要在測試之前布設雷達測線或者測網，且雷達天線只能沿著雷達測線與測網前進，因此只能獲取測線下方截面的相關信息。而對于沒有繪制測線的地表面，則無法獲取地下相關信息。因此利用這種方法對根系進行探測時，一是導致很多地下信息的缺失，大大減少了根系截面獲取的精度；二是由于雷達測線或者測網的限制，無法實現雷達天線在任意位置的測量。
技術實現思路
針對現有技術存在的問題，本專利技術的主要目的在于提供一種無需事先布置雷達測線，利用計算機視覺空間定位實現探地雷達天線在任意位置的空間定位，進而實現探地雷達電磁波譜的空間定位，通過數值信號處理與圖像處理獲取在測量區域內不同位置上的根系切面，并通過不同位置上的根系切面以及切面之間的關系最終實現的植物根系三維構型的無損檢測方法。一種植物根系三維構型無損檢測方法，探地雷達天線在植物根系表面實時探測并發射電磁波譜，該方法包括如下步驟(1)至步驟(6)：(1)利用圖像采集設備與標定模板獲取任意時刻探地雷達天線的三維位置與姿態信息；(2)通過某一時刻的探地雷達天線的三維位置與姿態信息對該對應時刻探地雷達天線發射的電磁波譜進行空間校正，獲得任意時刻探地雷達發射電磁波譜的三維空間信息；(3)對經過空間校正后所形成的覆蓋整個測量區域的電磁波譜進行數值信息和圖像信息的雙模式處理：即對單道電磁波譜的數值信息進行基爾霍夫遷移處理，獲取地下未知物體的截面信息；對多道電磁波譜組成的電磁波譜圖像進行希爾伯特變換，獲取地下未知物體的截面信息；(4)對數值信息和圖像信息獲取的地下未知物體的截面信息進行對比，若二者獲取的未知物體的截面信息為同一區域，則確定該區域為非土壤物體所在區；(5)判斷非土壤物體所在區的未知物體是否為植物根系；(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，并根據不同空間位置的植物根系截面，對整個植物根系進行三維重構。進一步地，該步驟(1)獲取任意時刻探地雷達天線的三維位置與姿態信息包含如下步驟(1.1)至步驟(1.4)：(1.1)在根系目標探測區的地表設置一標定模板，當探地雷達天線實時探測時，圖像采集設備獲取任意時刻探地雷達天線運動的圖像信息；同時圖像采集設備也將獲取在同一視野內的標定模板的圖像信息；(1.2)獲取采集的標定模板圖像的直線信息，利用標定模板在圖像坐標系中的直線信息與在實際空間地平面上的坐標信息，確定圖像上的點與實際空間地平面坐標信息的對應關系，根據所述對應關系確定探地雷達天線任意時刻在實際空間地平面上的三維坐標信息。主要原理為：由于標定模板上繪制有棋盤格，因此可以獲取采集的標定模板圖像上的直線信息。由于每個棋盤格都具有具體的物理尺度，因此可以將根系探測區的地表平面進行空間尺度劃分，即可以實現對圖像上的任意地表面的圖像點進行空間定位。這樣就可以通過圖像采集裝置采集的探地雷達天線的圖像，對任意時刻探地雷達天線在地表的空間位置進行定位。由于實現了任意時刻探地雷達天線的空間位置的定位，也就可以實現對探地雷達波譜的空間定位。進而可以實現對探地雷達波譜所形成的根系截面反射所形成的圖像(信息)的定位，進而可以實現對根系截面的定位與相關信息的獲取；通過多個根系截面信息便可以實現植物根系三維構型的重建。(1.3)對采集的標定模板圖像進行角點檢測，獲取標定模板每個角點在圖像坐標系中的坐標；(1.4)利用標定模板在圖像坐標系中的角點與實際空間坐標系中角點之間的對應關系，確定探地雷達天線在運行過程中的位姿信息。更進一步地，該步驟(4)對數值信息和圖像信息獲取的地下未知物體的截面信息進行對比，若二者獲取的未知物體的截面信息不在同一區域，則確定該區域為土壤物體所在區。更進一步地，該步驟(5)判斷非土壤物體所在區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)：(5.1)在確定的非土壤物體所在區對未知物體的截面信息進行分割，獲取多個包含單邊雙曲線的圖像；(5.2)對單邊雙曲線進行圖像處理，獲取單邊雙曲線的二值圖；(5.3)對單邊雙曲線的二值圖進行雙曲線擬合，獲取擬合后雙曲線的參數；(5.4)利用擬合后的雙曲線獲取未知物體探測面的性質；(5.5)利用未知物體探測面的性質判斷未知物體是否為植物根系。更進一步地，該步驟(5)判斷非土壤物體所在區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型，若未知物體的三維構型為連續的，則未知物體為植物根系。更進一步地，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，并根據不同空間位置的植物根系截面，對整個植物根系進行三維重構包含如下步驟(6.1)至步驟(6.3)：(6.1)利用斷層截面各點之間的關系確定植物根系的三維構型；(6.2)對植物根系截面圖，利用網格生成植物根系表面曲面；(6.3)利用植物根系的三維構型和表面曲面獲取三維重構出的植物根系。更進一步地，該步驟(6)獲取植物根系在空間位置的截面，并根據不同空間位置的植物根系截面，對整個植物根系進行三維重構后，若獲取的植物根系構型不夠清晰，則根據已獲取的植物根系三維重構圖反映的根系區域信息再進行雷達探測。相對于現有技術，首先，本方法實現了植物根系構型、走向的無損獲取；其次，本專利技術利用標定模板作為參照物實現了探地雷達天線在任意位置的空間定位，不需要人工設置雷達測線與測網，使探地雷達天線可以在視覺區域內自由運動，實時獲取運動軌跡，為植物根系獲取豐富的電磁反射波譜信息，實現了植物根系更為精準的三維構型獲取。附圖說明圖1是本專利技術一種植物根系三維構型無損檢測方法實施例的流程圖圖2是本專利技術獲取探地雷達天線的三維位置與姿態信息示意圖圖3是本專利技術標定模板示意圖圖4是本專利技術對植物根系進行三維重構的示意圖具體實施方式下面結合附圖，詳細說明本專利技術的具體實施方式。本專利技術涉及一種針對林木等植物根系進行無損檢測的方法。利用探地雷達天線行走過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植物根系進行三維構型重構。具體為：利用探地雷達天線對地下進行實時探測，并根據形成的電磁反射波譜圖獲取植物根系截面；利用視覺定位方式實現電磁波譜收發裝置(探地雷達天線)的空間定位，并將探地雷達天線的空間信息與電磁波譜信息進行關聯，進而獲取植物根系截面的空間信息；通過三維重建技術，實現基于多截面的植物根系三維構型獲取。如圖1所示，為本專利技術一種植物根系三維構型無損檢測方法實施例的流程圖。該植物根系三維構型無損檢測方法包括如下步驟S1-S8：S1、探地雷達天線在植物根系表面實時探測并發射電磁波譜。S2、獲取任意時刻(任意位置)本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種植物根系三維構型無損檢測方法，探地雷達天線在植物根系表面實時探測并發射電磁波譜，其特征在于，所述方法還包括如下步驟：(1)利用圖像采集設備與標定模板獲取任意時刻探地雷達天線的三維位置與姿態信息；(2)通過某一時刻的探地雷達天線的三維位置與姿態信息對所述對應時刻探地雷達天線發射的電磁波譜進行空間校正，獲得任意時刻探地雷達發射電磁波譜的三維空間信息；(3)對經過空間校正后的電磁波譜進行數值信息和圖像信息的雙模式處理：對單道電磁波譜的數值信息進行基爾霍夫遷移處理，獲取地下未知物體的截面信息；對多道電磁波譜組成的電磁波譜圖像進行希爾伯特變換，獲取地下未知物體的截面信息；(4)對數值信息和圖像信息獲取的地下未知物體的截面信息進行對比，若二者獲取的未知物體的截面信息為同一區域，則確定該區域為非土壤物體所在區；(5)判斷非土壤物體所在區的未知物體是否為植物根系；(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，并根據不同空間位置的植物根系截面，對整個植物根系進行三維重構。

【技術特征摘要】
1.一種植物根系三維構型無損檢測方法，探地雷達天線在植物根系表面實時探測并發射電磁波譜，其特征在于，所述方法還包括如下步驟：(1)利用圖像采集設備與標定模板獲取任意時刻探地雷達天線的三維位置與姿態信息，包含如下步驟：(1.1)在根系目標探測區的地表設置一標定模板，當探地雷達天線實時探測時，圖像采集設備獲取任意時刻探地雷達天線運動的圖像信息，同時圖像采集設備也獲取在同一視野內的標定模板的圖像信息；(1.2)獲取采集的標定模板圖像的直線信息，利用標定模板在圖像坐標系中的直線信息與在實際空間地平面上的坐標信息，確定圖像上的點與實際空間地平面坐標信息的對應關系，根據所述對應關系確定探地雷達天線任意時刻在實際空間地平面上的三維坐標信息；(1.3)對采集的標定模板圖像進行角點檢測，獲取標定模板每個角點在圖像坐標系中的坐標；(1.4)利用標定模板在圖像坐標系中的角點與實際空間坐標系中角點之間的對應關系，確定探地雷達天線在運行過程中的位姿信息；(2)通過某一時刻的探地雷達天線的三維位置與姿態信息對所述對應時刻探地雷達天線發射的電磁波譜進行空間校正，獲得任意時刻探地雷達發射電磁波譜的三維空間信息；(3)對經過空間校正后的電磁波譜進行數值信息和圖像信息的雙模式處理：對單道電磁波譜的數值信息進行基爾霍夫遷移處理，獲取地下未知物體的截面信息；對多道電磁波譜組成的電磁波譜圖像進行希爾伯特變換，獲取地下未知物體的截面信息；(4)對數值信息和圖像信息獲取的地下未知物體的截面信息進行對比，若二者獲取的未知物體的截面信息為同一區域，則確定該區域為非土壤物體所在區；(5)判斷非土壤物體所在區的未知物體是否為植物根系；(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，并根據不同空間位置的植物根系截面，對整個植物根系進行三維重構。2.如權利要求1所述的植物根...

【專利技術屬性】
技術研發人員：蔣海波，潘開文，李娜，周星梅，陳建中，
申請(專利權)人：中國科學院成都生物研究所，
類型：發明
國別省市：四川;51