【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于植物根系的无损探测领域，具体涉及一种基于探地雷达的植物根系三维重构方法及系统。
技术介绍
1、根系是植物中的重要器官，作为光合产物和其他储备的储存器官，它不仅承担吸收水分、养分的作用，还作为植物的机械支撑。对树根的生长状态以及的空间分布进行监测，是果树等木本植物养根、护根工作的基础，有利于更好地指导精准施肥、灌溉等工作，进而提高水肥利用效率和果树产量。
2、然而，树根常年埋藏在地下，在野外难以进行直接观察。所以目前主要有挖掘法、土钻法和探地雷达对树根进行探测，然而挖掘法、土钻法属于破坏性的根系探测方法，采用挖掘法和土钻法对树根进行探测不仅费时费力，而且容易对树根及其周围土壤产生损坏，无法实现长期和无损化的树根监测。而探地雷达由于具有探测范围广、可重复性强的优点，目前被广泛应用于植物根系的无损探测。
3、在现有技术中，利用探地雷达对植物根系进行探测时会导致树根的根系结构的信息缺失，这大大的影响了对于植物根系的探测精度，因此为了全面了解树根的根系结构，需要对树根进行三维可视化，其中包括了根系拓扑结构和根系几何特征，所以如何无损化地重构根系拓扑结构和根系几何特征，实现树根的三维可视化，成为了亟需解决的问题。
技术实现思路
1、本专利技术的第一个目的是克服现有技术的不足，提供一种基于探地雷达的植物根系三维重构方法，该方法能在不破坏植物根系及其周围土壤的条件下实现对植物根系的三维重构，从而提高了对植物根系的探测精度，促进植物的水肥利用效率，提高果树的产量
2、同时，本专利技术的再一目的是提供一种基于探地雷达的植物根系三维重构系统。
3、本专利技术的第一个目的可通过采用如下技术方案达到：
4、一种基于探地雷达的植物根系三维重构方法，包括以下步骤：
5、s1、预先设定好探地雷达的探测路线，通过所述探地雷达对目标植物的根系进行扫描，获取到所述目标植物根系对应的b-scan雷达图像，对所述b-scan雷达图像进行预处理，得到预处理后的雷达图像；
6、s2、将步骤s1得到的预处理后的雷达图像输入到训练好的目标检测模型中，所述训练好的目标检测模型对所述预处理后的雷达图像进行检测，生成雷达双曲线图像，所述雷达双曲线图像中包含带有双曲线的感兴趣区域，所述感兴趣区域为矩形的检测框，提取出位于所述感兴趣区域中心的双曲线的顶点；
7、s3、在与所述目标植物的根系生长方向垂直的同一测线上选取至少三个采样点，根据所述采样点与所述目标植物根系之间的几何关系推算出所述目标植物的根点位置坐标与半径；
8、s4、重复步骤s1-s3，直至所述探地雷达完成在所述探测路线上对所述目标植物的探测，得到所述目标植物的所有根点坐标和半径；
9、s5、在matlab软件中输入所述目标植物的所有根点坐标，根据所述目标植物的所有根点坐标计算出相邻扫描面中根点之间的特征参数，然后通过对所述特征参数设置阈值来定义搜索窗口，所述搜索窗口根据所述特征参数对所述目标植物的所有根点进行连接，生成所述目标植物根系的初始拓扑结构图；所述扫描面为所述目标植物的根点的测线对应的整个面；所述特征参数为相邻扫描面下根点之间的俯角、偏离角和距离的限制；
10、s6、利用步骤s5得到的所述特征参数进行加权处理，建立评分函数，所述评分函数用于判定争议根点的连接点集归属，通过所述评分函数对所述目标植物根系的初始拓扑结构图中的争议根点进行处理，得到优化后的目标植物根系拓扑结构图；
11、s7、对优化后的目标植物根系拓扑结构图进行三维填充和平滑重构，完成在探测范围内对目标植物根系的三维重构。
12、优选的，步骤s1的具体过程如下：根据所述目标植物预先设定好探地雷达的探测路线，所述探地雷达采用b-scan扫描方式对所述目标植物的根系进行探测，得到所述目标植物根系相应的b-scan雷达图像，然后对所述b-scan雷达图像依次进行零点校正、背景去除、时变增益和图像滤波处理操作，最终得到处理后的b-scan雷达图像。
13、优选的，所述探测路线为以所述目标植物根系为中心规划的多个等间距的同心圆路线。
14、优选的，步骤s2的具体步骤如下：
15、s21、获取植物根系图像，构建植物根系图像数据集，并从中划分训练集、验证集和测试集，对训练集中的图像进行标注；
16、s22、构建初始的目标检测模型，所述初始的目标检测模型采用yolov7深度学习网络模型，采用所述训练集对所述yolov7深度学习网络模型进行迭代训练，获得能对图像中包含带有双曲线的感兴趣区域进行目标检测的网络模型，并将此网络模型作为所述训练好的目标检测模型；
17、s23、采用所述训练好的目标检测模型对输入的雷达图像进行检测，生成相应的雷达双曲线图像，提取出雷达双曲线图像中位于所述感兴趣区域中心的所述双曲线的顶点。
18、优选的，步骤s3的具体过程如下：
19、首先在与所述目标植物的根系生长方向垂直的同一测线上选取至少三个采样点，根据选取的采样点的水平位置、电磁波的双程走时和所探测的根系之间的几何关系可以得出三个或三个以上的关联公式，公式表示如下：
20、
21、其中，i大于或等于3，x、z为根系的中心坐标，即根点二维坐标，x1、x2、…xi为采样点的水平位置，z1、z2、…zi为采样点的垂直高度，r为根系半径，r1、r2、…ri分别为采样点到根系壁面的距离；因为gpr探测过程中通常为水平且接近地面，所以可以认为z1＝z2＝…＝zi；
22、由于b-scan雷达图像是由数道a-scan数据叠加形成的二维截面回波数据，因此采样点的水平位置xi可以用采集道数mi，即a-scan的序号和固定的道间距s表示为：
23、xi＝smi (2)
24、采样点到根系壁面的距离ri可以用电磁波在土壤介质中的传播速度v和反射电磁波的双程走时ti表示为：
25、ri＝vti (3)
26、因此，公式(1)可以转化为：
27、
28、电磁波在土壤介质中的传播速度v与土壤的相对介电常数密切相关，其计算公式为：
29、
30、其中，c为电磁波在真空中的传播速度，约为3×108m/s，εs为土壤的相对介电常数，无量纲；
31、将式(5)代入式(4)，可得出以下公式：
32、
33、其中，采样点的采集道数为m1、m2、…mi，垂直高度为z1、z2、…zi，双程走时为t1、t2、…ti；
34、对于不同扫描面中的根点，其纵坐标y可以使用扫描面的编号和间距l0和l计算得到以下公式：
35、y1＝l0，y2＝l0+l，…yi＝l0+(i-1)l (7)
36、即可以认为同一扫描面中的纵坐标y相同，从而得出相应根点的纵坐标y；由于土壤的相对介电常数本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种基于探地雷达的植物根系三维重构方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的基于探地雷达的植物根系三维重构方法，其特征在于，步骤S1的具体过程如下：根据所述目标植物预先设定好探地雷达的探测路线，所述探地雷达采用B-scan扫描方式对所述目标植物的根系进行探测，得到所述目标植物根系相应的B-scan雷达图像，然后对所述B-scan雷达图像依次进行零点校正、背景去除、时变增益和图像滤波处理操作，最终得到处理后的B-scan雷达图像。
3.根据权利要求2所述的基于探地雷达的植物根系三维重构方法，其特征在于，所述探测路线为以所述目标植物根系为中心规划的多个等间距的同心圆路线。
4.根据权利要求1所述的基于探地雷达的植物根系三维重构方法，其特征在于，步骤S2的具体步骤如下：
5.根据权利要求1所述的基于探地雷达的植物根系三维重构方法，其特征在于，步骤S3的具体过程如下：
6.根据权利要求1所述的基于探地雷达的植物根系三维重构方法，其特征在于，所述特征参数为相邻扫描面下根点之间的俯角、偏离角和距离的限制；具体的，
7.根据权利要求1所述的基于探地雷达的植物根系三维重构方法，其特征在于，步骤S6中所述评分函数的具体表示如下：
8.根据权利要求1所述的基于探地雷达的植物根系三维重构方法，其特征在于，所述争议根点为同时存在于多个相邻搜索窗口的公共区域且符合前扫描面的多个根点的拓扑连接约束条件的根点。
9.根据权利要求1所述的基于探地雷达的植物根系三维重构方法，其特征在于，步骤S7的具体过程如下：
10.一种基于探地雷达的植物根系三维重构系统，其特征在于，用于实现权利要求1-9任一项所述的基于探地雷达的植物根系三维重构方法，所述系统包括：
...【技术特征摘要】
1.一种基于探地雷达的植物根系三维重构方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的基于探地雷达的植物根系三维重构方法，其特征在于，步骤s1的具体过程如下：根据所述目标植物预先设定好探地雷达的探测路线，所述探地雷达采用b-scan扫描方式对所述目标植物的根系进行探测，得到所述目标植物根系相应的b-scan雷达图像，然后对所述b-scan雷达图像依次进行零点校正、背景去除、时变增益和图像滤波处理操作，最终得到处理后的b-scan雷达图像。
3.根据权利要求2所述的基于探地雷达的植物根系三维重构方法，其特征在于，所述探测路线为以所述目标植物根系为中心规划的多个等间距的同心圆路线。
4.根据权利要求1所述的基于探地雷达的植物根系三维重构方法，其特征在于，步骤s2的具体步骤如下：
5.根据权利要求1所述的基于探地雷达的植物根系三维重构方法，其特征在于，步...
【专利技术属性】
技术研发人员：孙道宗，吴昊候，曾源，钟宏笙，江浩亮，邓梓浩，
申请(专利权)人：华南农业大学，
类型：发明
国别省市：
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