一种高精度的树木年轮分析方法及系统技术方案

本发明专利技术提供一种高精度的树木年轮分析方法及系统，包括：搭建树木年轮图像采集装置，获取具有重叠区域的清晰年轮图像集；对年轮图像集精确拼接，得到高分辨率的完整年轮图像；基于优化的Canny边缘检测方法提取完整年轮图像的年轮边缘；由髓心引出线段与年轮边缘相交，通过亚像素级角点检测获取交点位置，分析树木年轮径向宽度特征；根据年轮径向宽度特征，得到年轮宽度指数序列，与现有年轮年表比对，确定树木年轮的生长年份。该方法通过软件算法弥补硬件设备的不足，提高了年轮测量精度，为树木年轮分析及古建筑木构件、古代木制品等的年代测定提供技术支持，对树木年轮学研究具有十分重要的现实意义。分重要的现实意义。分重要的现实意义。

【技术实现步骤摘要】
一种高精度的树木年轮分析方法及系统


[0001]本专利技术涉及树木年轮测量领域，尤其涉及一种高精度的树木年轮分析方法及系统。

技术介绍

[0002]树木年轮忠实记录了树木生长区域的自然历史，获取完整清晰年轮对树木年轮学研究极为重要。同一气候区内同树种的不同个体，在同一时期内有相似的年轮宽窄规律，获取待测树木的年轮宽度特征，与该气候区相同树种年轮年表对应，可以实现树木年轮生长年份的准确测定。市面现有的年轮分析测量系统多利用高分辨率的扫描仪、显微镜等昂贵设备获取清晰年轮，软件基础版本实现年轮基础测量，专业版附带年代计算和分析但价格昂贵，很难应用于一般性测量。因此，亟需一种对设备要求低、测量精度高、价格合理且普适性强的年轮分析方法及系统。
[0003]相机作为生活中常见的记录影像设备，价格低且通用性强，但获取的图像边缘画质往往不如中心位置清晰，同时由于树木心材与边材在年轮宽度上有明显差异，导致相机拍摄得到的完整年轮图像出现边材的年轮边缘模糊、不易区分的问题，给年轮图像处理带来困难，阻碍了对年轮信息的准确获取，进而影响树木年轮学研究。

技术实现思路

[0004]针对现有技术存在的问题，本专利技术提供一种高精度的树木年轮分析方法及系统。
[0005]第一方面，本专利技术实施例提供了一种高精度的树木年轮分析方法，包括：搭建树木年轮图像采集装置，获取具有重叠区域的清晰年轮图像集；对所述年轮图像集精确拼接，得到高分辨率的完整年轮图像；基于优化的Canny边缘检测方法提取所述完整年轮图像的年轮边缘；由髓心引出线段与所述年轮边缘相交，通过亚像素级角点检测获取交点位置，分析树木年轮径向宽度特征；根据所述年轮径向宽度特征，得到年轮宽度指数序列，与现有年轮年表比对，确定所述树木年轮的生长年份。
[0006]采用上述实现方式，可以弥补硬件设备的不足，获取清晰度高、细节丰富的完整年轮图像，通过Canny边缘检测及亚像素级交点定位，提高了年轮测量精度，为古木、活立木等的年轮分析以及古建筑木构件、古代木制品等的年代测定提供技术支持，对树木年轮学研究具有十分重要的现实意义。
[0007]结合第一方面，在第一方面第一种可能的实现方式中，所述树木年轮图像采集装置搭建灵活，可由工业相机、成像镜头、图像采集软件、XYZ移动平台和计算机搭建，也可由数码相机和工作高度合适的三脚架组合而成。
[0008]结合第一方面，在第一方面第二种可能的实现方式中，所述具有重叠区域的清晰年轮图像集的获取方式为：通过锯切法、生长锥法获取树木年轮样本，使用不同粒度的砂纸打磨样本获得清晰的年轮轮廓，基于搭建的所述树木年轮图像采集装置，使用所述XYZ移动平台或不同光学变焦倍数的镜头获取多幅具有重叠区域的清晰年轮局部图像，组成所述清
晰年轮图像集。
[0009]结合第一方面第二种可能的实现方式，在第一方面第三种可能的实现方式中，获取所述清晰年轮图像集同时，将棋盘格标定板放在树木年轮平面，采集棋盘格图像进行相机标定，用于建立成像几何模型并矫正透镜畸变。
[0010]结合第一方面，在第一方面第四种可能的实现方式中，所述清晰年轮图像集为多幅具有重叠区域的无序图像，其拼接过程为依次配准、组合拼接：首先，选取所述年轮图像集中第一幅图像(年轮位置随机)作为参考图像，其余各图像依次与其配准，一次拼接成功后，所述参考图像更新为新生成的拼接图像；未参与过拼接的其余各图像依次与更新后的所述参考图像配准，一次拼接成功后，所述参考图像以相同方式继续更新；以此类推，直至所述清晰年轮图像集中所有图像拼接完成。
[0011]结合第一方面第四种可能的实现方式，在第一方面第五种可能的实现方式中，所述清晰年轮图像集中未参与过拼接的待拼接图像与不断更新的所述参考图像间的两两拼接采取由“粗”到“精”快速精确的配准方式：首先，矫正所述清晰年轮图像集中图像畸变，提取两幅图像的特征点进行初步匹配，得到所述两幅图像的粗匹配点对；然后，在粗匹配的基础上剔除不正确的匹配点，获取优秀的匹配点对进行所述两幅图像精配准；最后，找到最佳缝合线完成所述两幅图像融合，实现清晰年轮图像间的快速精确拼接。
[0012]结合第一方面第四种可能的实现方式，在第一方面第六种可能的实现方式中，所述年轮图像集精确拼接得到一幅完整的年轮拼接图像，所述完整年轮图像的分辨率和清晰度均高于所述树木年轮图像采集装置获取的任一完整的年轮图像。
[0013]结合第一方面，在第一方面第七种可能的实现方式中，所述完整年轮图像包含丰富的年轮信息，所述年轮边缘的提取采用优化的Canny边缘检测方法：首先使用双边滤波、中值滤波算法去除所述完整年轮图像的噪声，平滑的同时保留年轮边缘信息；然后对滤波后的所述完整年轮图像灰度化处理，结合使用阈值分割与Canny边缘检测算法，剔除不必要的干扰信息，得到像素级的年轮边缘。
[0014]结合第一方面，在第一方面第八种可能的实现方式中，所述年轮径向宽度特征分析之前，需由髓心引出一条线段与所述年轮边缘相交，通过亚像素级角点检测获取交点位置；根据交点数目n、交点坐标P
i
(x
i
,y
i
)(i＝1,2,3,
……
,n)、髓心坐标O(x0,y0)，分析树木年轮在径向方位上年轮数目，年轮宽度、早材率、晚材率等宽度特征，为树木年轮相关研究提供参考。
[0015]结合第一方面，在第一方面第九种可能的实现方式中，根据所述年轮径向宽度特征，对年轮宽度序列进行曲线拟合，去除生长因子、个体因子造成的树木生长波动，标准化得到年轮宽度指数序列，与现有同气候区同树种年轮年表比对，确定所述树木年轮的生长年份。
[0016]第二方面，本专利技术实施例提供了一种高精度的树木年轮分析系统，所述系统包括：图像获取模块，用于读取树木年轮图像采集装置获取的具有重叠区域的清晰年轮图像集；图像处理模块，用于对所述年轮图像集精确拼接，得到高分辨率的完整年轮图像，并基于优化的Canny边缘检测方法提取所述完整年轮图像的年轮边缘；年轮分析模块，用于分析树木年轮径向宽度特征，先由髓心引出一条线段与所述年轮边缘相交，通过亚像素级角点检测获取交点位置，根据交点数目n、交点坐标P
i
(x
i
,y
i
)(i＝1,2,3,
……
,n)、髓心坐标O(x0,y0)，
分析树木年轮在径向方位上年轮数目，年轮宽度、早材率、晚材率等宽度特征，为树木年轮相关研究提供参考；年轮定年模块，用于根据所述年轮径向宽度特征，对年轮宽度序列进行曲线拟合，去除生长因子、个体因子造成的树木生长波动，标准化得到年轮宽度指数序列，与现有同气候区同树种年轮年表比对，确定所述树木年轮的生长年份。
[0017]结合第二方面，在第二方面第一种可能的实现方式中，所述图像处理模块包括：第一处理单元，用于所述清晰年轮图像集精确拼接，得到高分辨率的完整年轮图像，其中对所述清晰年轮图像集采取由“粗”到“精”快速精确的配准方式和依本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种高精度的树木年轮分析方法，其特征在于，所述方法包括：搭建树木年轮图像采集装置，获取具有重叠区域的清晰年轮图像集；对所述年轮图像集精确拼接，得到高分辨率的完整年轮图像；基于优化的Canny边缘检测方法提取所述完整年轮图像的年轮边缘；由髓心引出线段与所述年轮边缘相交，通过亚像素级角点检测获取交点位置，分析树木年轮径向宽度特征；根据所述年轮径向宽度特征，得到年轮宽度指数序列，与现有年轮年表比对，确定所述树木年轮的生长年份。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述清晰年轮图像集由搭建的所述树木年轮图像采集装置采集获得，所述树木年轮图像采集装置搭建灵活，可由工业相机、成像镜头、图像采集软件、XYZ移动平台和计算机搭建，也可由数码相机和工作高度合适的三脚架组合而成；所述清晰年轮图像集的获取方式为：通过锯切法、生长锥法获取树木年轮样本，使用不同粒度的砂纸打磨样本获得清晰的年轮轮廓，基于搭建的所述树木年轮图像采集装置，使用所述XYZ移动平台或不同光学变焦倍数的镜头获取多幅具有重叠区域的清晰年轮局部图像，组成所述清晰年轮图像集。3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述清晰年轮图像集为多幅具有重叠区域的无序图像，其拼接过程为依次配准、组合拼接，包括：选取所述年轮图像集中第一幅图像(年轮位置随机)作为参考图像，其余各图像依次与其配准，一次拼接成功后，所述参考图像更新为新生成的拼接图像；未参与过拼接的其余各图像依次与更新后的所述参考图像配准，一次拼接成功后，所述参考图像以相同方式继续更新；以此类推，直至所述清晰年轮图像集中所有图像拼接完成，所述清晰年轮图像集精确拼接得到一幅完整的年轮拼接图像，所述完整年轮图像的分辨率和清晰度均高于所述树木年轮图像采集装置获取的任一完整的年轮图像。4.根据权利要求1或3所述的方法，其特征在于，所述清晰年轮图像集中未参与过拼接的待拼接图像与不断更新的所述参考图像间的两两拼接采取由“粗”到“精”快速精确的配准方式，包括：矫正所述清晰年轮图像集中图像畸变，提取两幅图像的特征点进行初步匹配，得到所述两幅图像的粗匹配点对；在粗匹配的基础上剔除不正确的匹配点，获取优秀的匹配点对进行所述两幅图像精配准；找到最佳缝合线完成所述两幅图像融合，实现清晰年轮图像间的快速精确拼接。5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述完整年轮图像包含丰富的年轮信息，所述年轮边缘的提取采用优化的Canny边缘检测方法，包括：使用双边滤波、中值滤波算法去除所述完整年轮图像的噪声，平滑的同时保留年轮边缘信息；对滤波后的所述完整年轮图像灰度化处理，结合使用阈值分割与Canny边缘检测算法，剔除不必要的干扰信息，得到像素级的年轮边缘。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述年轮径向宽度特征分...

【专利技术属性】
技术研发人员：张厚江，李玉风，辛振波，徐鹏飞，张同星，
申请(专利权)人：北京林业大学，
类型：发明
国别省市：