一种植物根系三维构型无损检测方法技术

本发明专利技术提供一种植物根系三维构型无损检测方法，探地雷达天线在植物根系表面实时探测，该方法还包括如下步骤：获取任意时刻探地雷达天线的三维位置与姿态信息；获得任意时刻探地雷达发射电磁波谱的三维空间信息；对电磁波谱进行数值信息和图像信息的双模式处理；对数值信息和图像信息获取的地下未知物体的截面信息进行对比，若二者获取未知物体截面信息一致，则确定该区域为非土壤物体所在区；判断未知物体是否为植物根系；若未知物体为植物根系，获取根系截面的相关形态与位置信息；利用获取的不同位置的根系断层截面对所在区域植物根系进行三维重构。本发明专利技术相对于现有技术，不需要人工设置雷达测线与测网，实现了植物根系构型、走向无损获取。

【技术实现步骤摘要】
一种植物根系三维构型无损检测方法
本专利技术涉及地下目标探测物的无损探测与定量测量
，特别是涉及植物根系的无损检测。
技术介绍
植物根系构型获取在根系固土护坡机制机理研究、植物根系固碳研究、植物生长发育等方面的研究都具有重要作用。但是，因为土壤的不透明属性，使得植物根系的直接观测较为困难。目前主要有以下几种探测方法：一是通过直接开挖土壤，获取根系的相关构型信息。但直接开挖使得植物的生长遭到破坏；二是利用视窗法、微根窗法、来实现植物根系的观测，但这些方法存在成像尺度小或需要付出较大人力成本等方面的问题；三是利用探地雷达实现根系信息的无损获取。目前在利用探地雷达对根系无损探测时，需要在测试之前布设雷达测线或者测网，且雷达天线只能沿着雷达测线与测网前进，因此只能获取测线下方截面的相关信息。而对于没有绘制测线的地表面，则无法获取地下相关信息。因此利用这种方法对根系进行探测时，一是导致很多地下信息的缺失，大大减少了根系截面获取的精度；二是由于雷达测线或者测网的限制，无法实现雷达天线在任意位置的测量。
技术实现思路
针对现有技术存在的问题，本专利技术的主要目的在于提供一种无需事先布置雷达测线，利用计算机视觉空间定位实现探地雷达天线在任意位置的空间定位，进而实现探地雷达电磁波谱的空间定位，通过数值信号处理与图像处理获取在测量区域内不同位置上的根系切面，并通过不同位置上的根系切面以及切面之间的关系最终实现的植物根系三维构型的无损检测方法。一种植物根系三维构型无损检测方法，探地雷达天线在植物根系表面实时探测并发射电磁波谱，该方法包括如下步骤(1)至步骤(6)：(1)利用图像采集设备与标定模板获取任意时刻探地雷达天线的三维位置与姿态信息；(2)通过某一时刻的探地雷达天线的三维位置与姿态信息对该对应时刻探地雷达天线发射的电磁波谱进行空间校正，获得任意时刻探地雷达发射电磁波谱的三维空间信息；(3)对经过空间校正后所形成的覆盖整个测量区域的电磁波谱进行数值信息和图像信息的双模式处理：即对单道电磁波谱的数值信息进行基尔霍夫迁移处理，获取地下未知物体的截面信息；对多道电磁波谱组成的电磁波谱图像进行希尔伯特变换，获取地下未知物体的截面信息；(4)对数值信息和图像信息获取的地下未知物体的截面信息进行对比，若二者获取的未知物体的截面信息为同一区域，则确定该区域为非土壤物体所在区；(5)判断非土壤物体所在区的未知物体是否为植物根系；(6)若未知物体为植物根系，获取植物根系在空间位置的截面，并根据不同空间位置的植物根系截面，对整个植物根系进行三维重构。进一步地，该步骤(1)获取任意时刻探地雷达天线的三维位置与姿态信息包含如下步骤(1.1)至步骤(1.4)：(1.1)在根系目标探测区的地表设置一标定模板，当探地雷达天线实时探测时，图像采集设备获取任意时刻探地雷达天线运动的图像信息；同时图像采集设备也将获取在同一视野内的标定模板的图像信息；(1.2)获取采集的标定模板图像的直线信息，利用标定模板在图像坐标系中的直线信息与在实际空间地平面上的坐标信息，确定图像上的点与实际空间地平面坐标信息的对应关系，根据所述对应关系确定探地雷达天线任意时刻在实际空间地平面上的三维坐标信息。主要原理为：由于标定模板上绘制有棋盘格，因此可以获取采集的标定模板图像上的直线信息。由于每个棋盘格都具有具体的物理尺度，因此可以将根系探测区的地表平面进行空间尺度划分，即可以实现对图像上的任意地表面的图像点进行空间定位。这样就可以通过图像采集装置采集的探地雷达天线的图像，对任意时刻探地雷达天线在地表的空间位置进行定位。由于实现了任意时刻探地雷达天线的空间位置的定位，也就可以实现对探地雷达波谱的空间定位。进而可以实现对探地雷达波谱所形成的根系截面反射所形成的图像(信息)的定位，进而可以实现对根系截面的定位与相关信息的获取；通过多个根系截面信息便可以实现植物根系三维构型的重建。(1.3)对采集的标定模板图像进行角点检测，获取标定模板每个角点在图像坐标系中的坐标；(1.4)利用标定模板在图像坐标系中的角点与实际空间坐标系中角点之间的对应关系，确定探地雷达天线在运行过程中的位姿信息。更进一步地，该步骤(4)对数值信息和图像信息获取的地下未知物体的截面信息进行对比，若二者获取的未知物体的截面信息不在同一区域，则确定该区域为土壤物体所在区。更进一步地，该步骤(5)判断非土壤物体所在区的未知物体是否为植物根系包含如下步骤(5.1)至步骤(5.5)：(5.1)在确定的非土壤物体所在区对未知物体的截面信息进行分割，获取多个包含单边双曲线的图像；(5.2)对单边双曲线进行图像处理，获取单边双曲线的二值图；(5.3)对单边双曲线的二值图进行双曲线拟合，获取拟合后双曲线的参数；(5.4)利用拟合后的双曲线获取未知物体探测面的性质；(5.5)利用未知物体探测面的性质判断未知物体是否为植物根系。更进一步地，该步骤(5)判断非土壤物体所在区的未知物体是否为植物根系包含如下步骤：获取地下未知物体的三维构型，若未知物体的三维构型为连续的，则未知物体为植物根系。更进一步地，该步骤(6)若未知物体为植物根系，获取植物根系在空间位置的截面，并根据不同空间位置的植物根系截面，对整个植物根系进行三维重构包含如下步骤(6.1)至步骤(6.3)：(6.1)利用断层截面各点之间的关系确定植物根系的三维构型；(6.2)对植物根系截面图，利用网格生成植物根系表面曲面；(6.3)利用植物根系的三维构型和表面曲面获取三维重构出的植物根系。更进一步地，该步骤(6)获取植物根系在空间位置的截面，并根据不同空间位置的植物根系截面，对整个植物根系进行三维重构后，若获取的植物根系构型不够清晰，则根据已获取的植物根系三维重构图反映的根系区域信息再进行雷达探测。相对于现有技术，首先，本方法实现了植物根系构型、走向的无损获取；其次，本专利技术利用标定模板作为参照物实现了探地雷达天线在任意位置的空间定位，不需要人工设置雷达测线与测网，使探地雷达天线可以在视觉区域内自由运动，实时获取运动轨迹，为植物根系获取丰富的电磁反射波谱信息，实现了植物根系更为精准的三维构型获取。附图说明图1是本专利技术一种植物根系三维构型无损检测方法实施例的流程图图2是本专利技术获取探地雷达天线的三维位置与姿态信息示意图图3是本专利技术标定模板示意图图4是本专利技术对植物根系进行三维重构的示意图具体实施方式下面结合附图，详细说明本专利技术的具体实施方式。本专利技术涉及一种针对林木等植物根系进行无损检测的方法。利用探地雷达天线行走过的轨迹获得植物根系在不同位置的截面信息，并利用该截面信息对植物根系进行三维构型重构。具体为：利用探地雷达天线对地下进行实时探测，并根据形成的电磁反射波谱图获取植物根系截面；利用视觉定位方式实现电磁波谱收发装置(探地雷达天线)的空间定位，并将探地雷达天线的空间信息与电磁波谱信息进行关联，进而获取植物根系截面的空间信息；通过三维重建技术，实现基于多截面的植物根系三维构型获取。如图1所示，为本专利技术一种植物根系三维构型无损检测方法实施例的流程图。该植物根系三维构型无损检测方法包括如下步骤S1-S8：S1、探地雷达天线在植物根系表面实时探测并发射电磁波谱。S2、获取任意时刻(任意位置)本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种植物根系三维构型无损检测方法，探地雷达天线在植物根系表面实时探测并发射电磁波谱，其特征在于，所述方法还包括如下步骤：(1)利用图像采集设备与标定模板获取任意时刻探地雷达天线的三维位置与姿态信息；(2)通过某一时刻的探地雷达天线的三维位置与姿态信息对所述对应时刻探地雷达天线发射的电磁波谱进行空间校正，获得任意时刻探地雷达发射电磁波谱的三维空间信息；(3)对经过空间校正后的电磁波谱进行数值信息和图像信息的双模式处理：对单道电磁波谱的数值信息进行基尔霍夫迁移处理，获取地下未知物体的截面信息；对多道电磁波谱组成的电磁波谱图像进行希尔伯特变换，获取地下未知物体的截面信息；(4)对数值信息和图像信息获取的地下未知物体的截面信息进行对比，若二者获取的未知物体的截面信息为同一区域，则确定该区域为非土壤物体所在区；(5)判断非土壤物体所在区的未知物体是否为植物根系；(6)若未知物体为植物根系，获取植物根系在空间位置的截面，并根据不同空间位置的植物根系截面，对整个植物根系进行三维重构。

【技术特征摘要】
1.一种植物根系三维构型无损检测方法，探地雷达天线在植物根系表面实时探测并发射电磁波谱，其特征在于，所述方法还包括如下步骤：(1)利用图像采集设备与标定模板获取任意时刻探地雷达天线的三维位置与姿态信息，包含如下步骤：(1.1)在根系目标探测区的地表设置一标定模板，当探地雷达天线实时探测时，图像采集设备获取任意时刻探地雷达天线运动的图像信息，同时图像采集设备也获取在同一视野内的标定模板的图像信息；(1.2)获取采集的标定模板图像的直线信息，利用标定模板在图像坐标系中的直线信息与在实际空间地平面上的坐标信息，确定图像上的点与实际空间地平面坐标信息的对应关系，根据所述对应关系确定探地雷达天线任意时刻在实际空间地平面上的三维坐标信息；(1.3)对采集的标定模板图像进行角点检测，获取标定模板每个角点在图像坐标系中的坐标；(1.4)利用标定模板在图像坐标系中的角点与实际空间坐标系中角点之间的对应关系，确定探地雷达天线在运行过程中的位姿信息；(2)通过某一时刻的探地雷达天线的三维位置与姿态信息对所述对应时刻探地雷达天线发射的电磁波谱进行空间校正，获得任意时刻探地雷达发射电磁波谱的三维空间信息；(3)对经过空间校正后的电磁波谱进行数值信息和图像信息的双模式处理：对单道电磁波谱的数值信息进行基尔霍夫迁移处理，获取地下未知物体的截面信息；对多道电磁波谱组成的电磁波谱图像进行希尔伯特变换，获取地下未知物体的截面信息；(4)对数值信息和图像信息获取的地下未知物体的截面信息进行对比，若二者获取的未知物体的截面信息为同一区域，则确定该区域为非土壤物体所在区；(5)判断非土壤物体所在区的未知物体是否为植物根系；(6)若未知物体为植物根系，获取植物根系在空间位置的截面，并根据不同空间位置的植物根系截面，对整个植物根系进行三维重构。2.如权利要求1所述的植物根...

【专利技术属性】
技术研发人员：蒋海波，潘开文，李娜，周星梅，陈建中，
申请(专利权)人：中国科学院成都生物研究所，
类型：发明
国别省市：四川;51