【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种基于探地雷达单株植物根系扫描数据的根系特征参数及其根系生物量无损估测方法。
技术介绍
1、森林地下生物量是森林生态系统碳分配的核心环节，根系作为森林地下生物量的主要组成部分，其不仅为植物地上部分提供养分和水分，还对森林生态系统多样性和稳定性的维持具有重要作用。长久以来，为了准确的获取植物根系生物量及其绘制根系分布范围，常采用如挖掘、连根拔起、土壤块体、土壤取芯等侵入性的调查方法，此类方法虽然能够获取可靠的定量测量结果，但毫无疑问它们是劳动密集的、耗时的以及不可重复的。探地雷达(ground penetrating radar,gpr)是一项可以通过高频电磁波来定位地下根系的埋藏位置的无损地球物理探测技术，其原理是依据植物根系与土壤之间存在介电特性差异，由此会导致探地雷达电磁波发生振幅、相位、频率的变化，从而可以实现对埋藏根系的特性进行解译。如此，利用探地雷达根系探测的回波信号可以实现根系生物量及其根系特征参数的估计，并由此实现植物根系的便捷性、快速性、周期性测量。
2、专利cn104570133a公布了一种以探地雷达为工具的树根根系探测方法，通过回波信号的强弱以及波形的特征判断根系的深度以及估测根系的生物量。专利cn110133643a公布了一种植物根系探测方法及装置，基于雷达波的频率、回波信号电磁场的强度等信息解译植物根系的生物特征，此外，利用如振幅面积、幅度宽度等回波信号也能够实现根系特征参数的估测。此类方法虽然能够简单快速的对根系参数进行估测，但其估测效果严重依赖于雷达波信号的振幅强度，并且由
技术实现思路
1、针对现有技术存在的问题，本专利技术提供了一种基于探地雷达根系扫描数据的根系特征参数及其生物量无损估测方法，如此避免了雷达波信号振幅强度与土壤噪声对目标参数估测准确性的影响。
2、本专利技术所采用的技术方案如下：首先基于探地雷达技术对植物根系进行方形网格法扫描，从原始扫描结果中定位根系埋藏的空间位置并进行深度矫正；其次，选用与雷达波信号振幅强度无关的波形参数估测出根系的直径；然后，结合根系的空间分布与直径信息，依据单株植物根系的生长特性重建出三维根系构型；最后，将根系视为圆台体模型，如此对根系的特征参数以及根系生物量进行估算。所述方法的详细步骤如下：
3、1)根系扫描方案：以待测树木的根颈为中心，水平和垂直方向各设置n条长为2～4m的方形网格测量线，相邻平行测量线间的间隔设定为0.1～0.2m。操作探地雷达以预设的天线频率沿测量线进行正向匀速移动从而完成根系的扫描，由此获得根系探测的原始数据。在实际探测过程中，测量线的长度和间隔可依据树龄的大小及根系分布的大致范围进行确定。
4、2)进一步的，对根系扫描数据进行预处理：包括调整信号位置、修剪时间窗口、背景去除、均值滤波、增益调节等；此后，使用双曲线拟合根系扫描成像结果，并将双曲线的顶点视为根系埋藏的位置，由此将雷达波反射信号转换为根系的三维空间位置。根系扫描图像预处理操作目的是将雷达波反射信号聚焦于根系反射区域，由此实现根系的定位，因此虽然雷达波信号振幅强度虽然在处理过程中发生变化，但对根系的定位不产生影响。
5、3)进一步的，对根系定位的结果进行深度矫正：使用与步骤1)相同技术参数的探地雷达对已知埋藏深度的反射器进行探测扫描，由此得出雷达波传播时间和距离关系，从而对根系的埋藏深度进行矫正。使用pi(x,y,z)表示根系定位的矫正结果，其中(x,y)表示探地雷达在方形网格测量区域内定位到根系双曲线顶点的平面坐标，z为根系双曲线顶点的矫正深度，i表示探测到的根系双曲线顶点的排列序号。
6、4)进一步的，对根系的直径进行估测：由于雷达波径向穿越根系截面的时长与雷达波信号的振幅强度无关，而仅与根系直径的大小相关(根径越大，雷达波射入和穿出根系的时间间隔越长)，因此依据雷达波垂直径向穿越根系截面的时间间隔参数对根系直径进行估测，从而得出根系空间位置与根系直径的一一对应关系。
7、5)进一步的，对根系构型进行三维重建：视单株植物根系生长大致沿先前的根方向，并受正向重力性以及土壤孔隙的约束等因素的影响，制定根系构型重建策略从而实现根系构型的三维重建。
8、6)进一步的，对根系构型的特征参数进行估测：将整条根系视为多个细小根段的组合，对于每一个根段微元，将其视为圆台体模型，利用圆台体表面积、体积公式，对根系的特征参数进行估算。对于完整根系的特征参数，可以将每一个根段样本进行叠加，由此获取整个根系构型的特征参数。
9、7)进一步的，依据根系体积对根系生物量进行估算：通过测定根系干重与根系体积的对应关系得出根密度，依据根密度与圆台体模型计算出的根系体积，估测得出根系的生物量。
10、根据如上所述7个步骤，从根系建模的角度实现对根系特征参数以及根系生物量的估算，从而避免了雷达波信号振幅强度对于根系生物量估测的影响。
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1.一种基于探地雷达的单株植物根系特征参数及其生物量无损估测方法，其特征在于，包括以下步骤:
2.根据权利要求1所述探地雷达根系扫描方法，其特征在于：
3.根据权利要求1所述的根系扫描原始图像预处理方法，其特征在于：
4.根据权利要求1所述的根系埋藏深度矫正方法，其特征在于：
5.根据权利要求1所述方法，对于根系直径估测模型，其特征在于：
6.根据权利要求4、权利要求5所述方法进行根系构型三维重建，其特征在于：
7.根据权利要求6所述方法对根系的特征参数进行计算，其特征在于：
8.根据权利要求7所述方法进行根系生物量估算，其特征在于：
【技术特征摘要】
1.一种基于探地雷达的单株植物根系特征参数及其生物量无损估测方法，其特征在于，包括以下步骤:
2.根据权利要求1所述探地雷达根系扫描方法，其特征在于：
3.根据权利要求1所述的根系扫描原始图像预处理方法，其特征在于：
4.根据权利要求1所述的根系埋藏深度矫正方法，其特征在于：...
【专利技术属性】
技术研发人员：梁浩，樊国秋，赵燕东，李颖航，
申请(专利权)人：北京林业大学，
类型：发明
国别省市：
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