CN103105609A - 一种利用探地雷达数据构建树木根系三维图像的方法 - Google Patents

Abstract

一种利用探地雷达数据构建树木根系三维图像的方法，包括如下步骤：围绕待测量的树木的树干绘制多条等间距的同心圆测线，用探地雷达获得每个测线正下方的树木根系的探地雷达数据；设定探地雷达数据中每一个探测点P点信息表示为P_C，N(dis，dep，dia)；从最外圈测线的探地雷达数据开始，对于第C圈测线的探地雷达数据中的探测点P_C，N，在靠近所述树干方向的一侧的第C+1圈测线的探地雷达数据中，开一个搜索窗口；找寻第C+1圈中P_C，N的根源；使用样条曲线连接各探测点，获得所述树木根系的三维图像。本发明所提供的一种利用探地雷达数据构建树木根系三维图像的方法，不需要将根系从土壤中挖出或将其暴露，也就不会破坏植物的生长环境，解决了根系无损观测的难题。

Description

一种利用探地雷达数据构建树木根系三维图像的方法

技术领域

本发明涉及一种利用探地雷达数据构建树木根系三维图像的方法，亦即通过该方法构建树木根系分布的三维模型。

背景技术

树木的根系非常重要，但是由于根系几乎都生长于土壤中，故无法直接对其进行长期连续的观测。若采用将根系从土壤中挖出或将其暴露的观测方法无疑会对根周围环境产生扰动，进而影响根系结构及其功能。因此，需要提供一种高效实用，无损于土壤和植物根系，又能实现长期持续观测的方法。

CN101813774A公开了一种利用探地雷达测量植物地下根的直径的方法，其利用雷达发射的电磁波在到达根顶面时的反射波初至时间点开始到根底面反射波的延时点结束的时间差，计算出植物地下根的直径。另外，该现有技术还提及《浅地层探地雷达自动目标检测与定位研究》（作者张春城、周正欧，电子与信息学报2005年7月第27卷第7期，第1065-1068页）的文章，结合上述现有技术就可以通过探地雷达获得地下根的大小及位置。

然而，上述现有技术结合起来所获得的毕竟是一堆离散的探地雷达数据，由这些数据构建树木根系分布的三维模型，乃至构建树木根系三维图像仍然是不明确的。例如，本领域技术人员即便以密集剖面的方式获得地下根的探地雷达离散数据，但是这些数据以三维图像的形式呈现出来也是不连续的，对于比较粗的根，尚能通过肉眼分辨这些根的来龙去脉，但是对于密集分布的细小根系来说，很难判断某个剖面中的根是与其相邻的剖面中的根相连的，这也就是本发明重点所要解决的问题之所在，亦即，本发明提供了一种利用探地雷达数据构建树木根系三维图像的方法。

发明内容

本发明提供了一种利用探地雷达数据构建树木根系三维图像的方法，以减少或避免前面所提到的问题。

为解决上述问题，本发明利用获得的探地雷达测量数据，从这些测量数据中提取一系列根的探测点信息。再根据根的生长原理设定相应规则，按照规则自动筛选和连接这些探测点，构建并还原成像出植物根系的三维图像。

具体的，为解决上述问题，本发明提出了一种利用探地雷达数据构建树木根系三维图像的方法，所述方法利用探地雷达测量树木的根所获得的探地雷达数据，构建所述树木的根系的三维图像，所述方法包括如下步骤：

步骤A：围绕待测量的树木的树干绘制多条等间距的同心圆测线，将探地雷达的天线沿所述测线设置，利用所述探地雷达逐一测量每个所述测线正下方的树木根系的反射信号，对所述反射信号进行数据分析计算，获得每个所述测线正下方的树木根系的探地雷达数据；

步骤B：设定所述探地雷达数据中，对于每一个探测点，将其标记为P_C，N，其中，C表示测线号，N表示该点在该测线上的位置序号。所述探测点P点信息表示为P_C，N(dis，dep，dia)，其中dis和dep表示该点在探地雷达数据剖面中的水平和垂直位置，dia表示该探测点处根的直径大小；

步骤C：从最外圈测线的探地雷达数据开始，对于第C圈测线的探地雷达数据中的探测点P_C，N，在靠近所述树干方向的一侧的第C+1圈测线的探地雷达数据中，开一个搜索窗口；

所述搜索窗口中心水平位置为W_cent，由如下公式确定：

$\frac{W_{\mathrm{cent}}}{r_{C+1}}=\frac{P_{C,N}\left(\mathrm{dis}\right)}{r_C}$

所述搜索窗口中心的垂直深度W_dep，由如下公式确定：

W_dep＝P_C，N(dep)+a

所述搜索窗口宽度为W_wid，高度为W_hig，对每一圈测线都使用相同的窗口，即可以设定：

W_wid＝ω

W_hig＝b

上述公式中a、ω、b为常数，其大小由探测植株大小与使用的探地雷达参数决定，参考值：a=5±2.5cm，b>30cm，ω>50cm，r_C、r_C+1分别为第C圈、第C+1圈测线半径；

之后，对于位于所述搜索窗口内的所有探测点P_C+1，N建立筛选函数：

F＝f(P_C+1，N)·(P_C+1，N(dia)-P_C，N(dia)+d)

其中，d为常数，参考值：d=0.1cm；f为距离加权函数，定义如下：

$f\left(P_{C+1,N}\right)=1-\frac{\sqrt{{(P_{C+1,N}\left(\mathrm{dis}\right)-W_{\mathrm{cent}})}^2+{(P_{C+1,N}\left(\mathrm{dep}\right)-W_{\mathrm{dep}})}^2}}{2\sqrt{{\left(\frac{w_{\mathrm{wid}}}{2}\right)}^2+{\left(\frac{w_{\mathrm{hig}}}{2}\right)}^2}}$

找寻第C+1圈中使F大于0且F数值最小的那个探测点P_C+1，N′，即为P_C，N的根源，将P_C，N和P_C+1，N′连接起来，记为P_C+1，N′→P_C，N；

步骤D：按上述步骤C处理完探地雷达数据中所有探测点后，可获得类似植株根系的拓扑结构如下:

其中每一行表示一条根系从根颈到末梢的探测点序列。

根据以上拓扑结构和之前获得的P_C，N(dis，dep，dia)信息，在三维绘图软件中，使用样条曲线连接各探测点，即可获得所述树木根系的三维图像。

优选地，上述步骤C中，若在第C+1圈中未能找到根源，便在第C+2圈中按相同方法寻找根源，以排除遗失信号的干扰；若在第C+2圈中仍未找到根源，则认为此信号不属于该根系，将其与已连接至此信号的所有信号剔除，以排除非本植株根的信号的干扰。

优选地，在步骤C中，所述搜索窗口中心水平位置W_cent，其由如下公式得到，

$W_{\mathrm{cent}}=r_{C+1}(\frac{2P_{C,N}\left(\mathrm{dis}\right)}{r_C}-\frac{P_{C-1,N^{\′}}\left(\mathrm{dis}\right)}{r_{C-1}})$

优选地，在步骤C中，所述搜索窗口宽度W_wid，其由如下方法得到，做一弧度为α2的圆心角A2，使得W_cent在角平分线上。角A2与每条测线均有2个交点，之间的弧长即为窗口的宽度，即可由下列公式得出，

W_wid＝α2·r_C+1。

本发明所提供的一种利用探地雷达数据构建树木根系三维图像的方法，不需要将根系从土壤中挖出或将其暴露，也就不会破坏植物的生长环境，解决了根系无损观测的难题。本发明利用探地雷达数据获得的一系列点信息，可以生成根系的3D模型。因此就可以直接迅速地对根系的进行长期、大面积观测，大大减少了根系观测的工作量。由于探地雷达设备简易便携、操作简单，因此该方法特别适用于野外根系分布成像工作。

附图说明

以下附图仅旨在于对本发明做示意性说明和解释，并不限定本发明的范围。其中，

图1为根据本发明的一个具体实施例的一种利用探地雷达数据构建树木根系三维图像的方法中的测线的分布示意图；

图2a为对图1的待测量的植株根径的一种搜索窗口中心水平位置W_cent的确定方法示意图；

图2b为对图1的待测量的植株根径的另一种搜索窗口中心水平位置W_cent的确定方法示意图；

图2c为对图1的待测量的植株根径的又一种搜索窗口宽度W_wid的确定方法示意图；

图3为对图1的待测量的植株根径的搜索窗口示意图；

图4a为对图1的待测量的植株根径的在第C+1圈中未能找到合适根源时，在第C+2圈中寻找根源的示意图；

图4b为对图1的待测量的植株根径的在第C+1圈、第C+2圈中均未找到根源的示意图；

图5a为图1所示的根系分布的三维视图示意图；

图5b为图5a所示的三维模型俯视图与根系实际情况的对比示意图。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图说明本发明的具体实施方式。

本发明所提出的利用探地雷达数据构建树木根系三维图像的方法如图1-5a所示，所述方法利用探地雷达测量树木的根所获得的探地雷达数据，构建所述树木的根系的三维图像，该方法包括以下步骤：

步骤A，围绕待测量的树木的树干绘制多条等间距的同心圆测线，如图1所示，其中表示的是根据本发明的一个具体实施例的一种利用探地雷达数据构建树木根系三维图像的方法中的测线的分布示意图，其中同心圆的圆心表示树木的树干中心，也即是，正对树干下方的树木根系的根颈的中心。当然，本领域技术人员应当理解，由于树木的树干中心往往是难以准确确定的，因此，同心圆的圆心也可以偏离树干的中心设置，只要这些同心圆能够将树干围绕在其中就可以了，这样就可以获得围绕树干的全部树木根系的探地雷达数据而不至于遗漏。

然后，将探地雷达的天线沿所述测线设置，利用所述探地雷达逐一测量每个所述测线正下方的树木根系的反射信号，对所述反射信号进行数据分析计算，获得每个所述测线正下方的树木根系的探地雷达数据。这一步骤中，沿测线设置探地雷达天线是现有技术中没有的，而利用探地雷达测量根系的大小及位置可以利用背景技术中描述的技术来综合获得，例如可以利用CN101813774A和《浅地层探地雷达自动目标检测与定位研究》（作者张春城、周正欧，电子与信息学报2005年7月第27卷第7期，第1065-1068页）中已经公开了的技术获得地下根的大小及位置，此处引用作为参考并仅以示例的方式进行描述。

应当注意，在测量时最好使探地雷达测线方向与根的伸展方向尽量保持垂直，以确保获取最佳测量信号，这样有利于根目标的识别。若采用多频率天线组合探测，则每种天线频率组合都将在同一测线上获得一副剖面数据。

步骤B：设定所述探地雷达数据中，对于每一个探测点，将其标记为P_C，N，其中，C表示测线号，N表示该点在该测线上的位置序号。所述探测点P点信息表示为P_C，N(dis，dep，dia)，其中dis和dep表示该点在探地雷达数据剖面中的水平和垂直位置，dia表示该探测点处根的直径大小。

步骤C：从最外圈测线的探地雷达数据开始，对于第C圈测线的探地雷达数据中的探测点P_C，N，在靠近所述树干方向的一侧的第C+1圈测线的探地雷达数据中，开一个矩形的搜索窗口，窗口形式如图3中所示。

所述搜索窗口中心水平位置为W_cent，参见图2a所示，图中W_cent和W′_cent分别为搜索P_C，N和P_C-1，N′的根源所开窗口中心位置，如图2a所示，用极坐标描绘测线，极点位于测线圆心处，使得P_C，N与窗口中心W_cent满足条件

即可获得由如下公式确定的水平位置W_cent：

$\frac{W_{\mathrm{cent}}}{r_{C+1}}=\frac{P_{C,N}\left(\mathrm{dis}\right)}{r_C}$

所述搜索窗口中心的垂直深度W_dep，其由如下公式确定：

W_dep＝P_C，N(dep)+a

所述搜索窗口宽度为W_wid，高度为W_hig，对每一圈测线都使用相同的窗口，即可以设定：

W_wid＝ω

W_hig＝b

上述公式中a、ω、b为常数，参考值：a=5±2.5cm，b>30cm，ω>50cm，rC、rC+1分别为第C圈、第C+1圈测线半径；例如，a=5cm，b=35cm，ω=55cm。

之后，对于位于所述搜索窗口内的所有探测点P_C+1，N建立筛选函数：

F＝f(P_C+1，N)·(P_C+1，N(dia)-P_C，N(dia)+d)

其中，d为常数，参考值：d≈0.1cm；f为距离加权函数,定义如下：

$f\left(P_{C+1,N}\right)=1-\frac{\sqrt{{(P_{C+1,N}\left(\mathrm{dis}\right)-W_{\mathrm{cent}})}^2+{(P_{C+1,N}\left(\mathrm{dep}\right)-W_{\mathrm{dep}})}^2}}{2\sqrt{{\left(\frac{w_{\mathrm{wid}}}{2}\right)}^2+{\left(\frac{w_{\mathrm{hig}}}{2}\right)}^2}}$

找寻第C+1圈中使F大于0且F数值最小的那个探测点P_C+1，N′，即为P_C，N的根源，将P_C，N和P_C+1，N′连接起来，记为P_C+1，N′→P_C，N。

本步骤中从外圈向内圈划定一个搜索窗口找寻合适的根源，因为根都是从树干也就是根茎部分开始连续生长的，因此，外圈的根必定在内圈存在根源，相邻两个测线位置的根和根源与测线的距离、根的大小等因素存在关联，通过上述步骤中的公式，可以确定本发明最合适的根源。

图3所示的两幅探地雷达数据片段分别来自第C圈和第C+1圈测线。先处理第C圈数据中的点，例如点P_C，N，在第C+1圈探地雷达数据中设置一个矩形的搜索窗口。在设置完所述搜索窗口参数后，如图3所示，窗口中有3个“候选”根源，P_C+1，N′-1、P_C+1，N′和P_C+1，N′+1，分别根据筛选函数：

F＝f(P_C+1，N)·(P_C+1，N(dia)-P_C，N(dia)+d)

对3个“候选”根源进行计算。

若P_C+1，N′的F值最小，便认为P_C，N的根源是P_C+1，N′，将这两个点连接，标记为P_C+1，N′→P_C，N。在对这两个点进行标记后，在后继的计算中即可避免重复计算。

步骤D：按上述方法处理完探地雷达数据中所有探测点后，可获得树木根系的拓扑结构如下:

其中每一行表示一条根系从根颈到末梢的探测点序列。

根据以上拓扑结构和之前获得的P_C，N(dis，dep，dia)信息，便可以在三维绘图软件，如3DMax中，使用样条曲线连接各探测点，得到图5a所示可视化的树木根系分布的三维成像结构。

对比图5a、5b，可发现本方法获得的模型与实际情况较吻合。部分细微差别是由挖掘过程中对根位置的扰动造成。而八点钟方向那条根未对应是因为这条根比较深，没有进行挖掘造成。

在一个优选实施例中，在步骤C中：若在第C+1圈中未能找到根源，便在第C+2圈中按相同方法寻找根源，以排除遗失信号的干扰；若在第C+2圈中仍未找到根源，则认为此信号不属于该根系，将其与已连接至此信号的所有信号剔除，以排除非本植株根的信号的干扰。

由于探地雷达数据中存在噪音且植物生长土壤环境的非匀质性，探地雷达数据中可能遗失部分根信号或掺杂进非本植株根的信号。如图4a、4b所示情况，当处理P_C，N时，如果在第C+1圈探地雷达数据的数据中找不到能使筛选函数：

F＝f(P_C+1，N)·(P_C+1，N(dia)-P_C，N(dia)+d)

结果为正的点。也就说明在第C+1圈找不到P_C，N的根源点。此现象的出现很可能是由于存在噪音且植物生长土壤环境的非匀质性造成的。

在这种情况下，可尝试在第C+2圈探地雷达数据中寻找根源，如果在第C+2圈探地雷达数据中找到符合条件的根源P_C+2，N′，如图4a，则认为是该根在第C+1圈处信号遗失，连接P_C，N和P_C+2，N′,记P_C+2，N′→P_C，N。这样，就可以排除遗失信号的干扰。

如果在第C+2圈中仍未能找到符合条件的根信号，如图4b，则认为P_C，N并非属于此植株根系的信号，若之前已有探测点与P_C，N连接，如P_C，N→P_C-1，N′→P_C-2，N″→…，则认为所有连接至P_C，N的信号P_C-1，N′、P_C-2，N″…都不属于此植株根系，将其剔除。这样就可以排除非本植株根的信号的干扰。

在一个优选实施例中，在步骤C中，所述搜索窗口中心水平位置W_cent，其由如下公式得到，

$W_{\mathrm{cent}}=r_{C+1}(\frac{2P_{C,N}\left(\mathrm{dis}\right)}{r_C}-\frac{P_{C-1,N^{\′}}\left(\mathrm{dis}\right)}{r_{C-1}}).$

参见图2b所示，用极坐标描绘测线，极点位于测线圆心处，图中W_cent为搜索P_C，N的根源根源所开窗口中心位置，定义

若P_C，N是P_C-1，N′的根源，则

${\mathrm{slope}}_{P_{C,N}}=\frac{\mathrm{\Δ\θ}}{\mathrm{\Δr}}=\frac{\frac{P_{C,N}\left(\mathrm{dis}\right)}{r_C}-\frac{P_{C-1,N^{\′}}\left(\mathrm{dis}\right)}{r_{C-1}}}{r_C-r_{C-1}}$

使得 ${\mathrm{slope}}_{W_{\mathrm{cent}}}={\mathrm{slope}}_{P_{C,N}},$ 即

${\mathrm{slope}}_{W_{\mathrm{cent}}}=\frac{\frac{W_{\mathrm{cent}}}{r_{C+1}}-\frac{P_{C,N}\left(\mathrm{dis}\right)}{r_C}}{r_{C+1}-r_C}={\mathrm{slope}}_{P_{C,N}}$

由于本方法中r_C-r_C-1=r_C+1-r_C，结合公式上述2个公式可得：

$W_{\mathrm{cent}}=r_{C+1}(\frac{2P_{C,N}\left(\mathrm{dis}\right)}{r_C}-\frac{P_{C-1,N^{\′}}\left(\mathrm{dis}\right)}{r_{C-1}})$

在一个优选实施例中，参见图2c所示，图中W_cent和W′_cent分别表示第C圈和第C+1圈测线上已确定的窗口中心，W_wid和W′_wid分别表示在该圈上窗口宽度，在步骤C中，所述搜索窗口宽度W_wid，其由如下方法得到，做一角度为α的圆心角A，使得W_cent在角平分线上。角A与每条测线均有2个交点，之间的弧长即为窗口的宽度，即可由下列公式得出，

W_wid＝α·r_C+1。

本发明所提供的一种利用探地雷达数据构建树木根系三维图像的方法，不需要将根系从土壤中挖出或将其暴露，也就不会破坏植物的生长环境，解决了根系无损观测的难题。

以上所述仅为本发明示意性的具体实施方式，并非用以限定本发明的范围。任何本领域的技术人员，在不脱离本发明的构思和原则的前提下所作的等同变化、修改与结合，均应属于本发明保护的范围。

Claims (4)

1.一种利用探地雷达数据构建树木根系三维图像的方法，所述方法利用探地雷达测量树木的根所获得的探地雷达数据，构建所述树木的根系的三维图像，其特征在于，所述方法包括如下步骤： 

步骤A：围绕待测量的树木的树干绘制多条等间距的同心圆测线，将探地雷达的天线沿所述测线设置，利用所述探地雷达逐一测量每个所述测线正下方的树木根系的反射信号，对所述反射信号进行数据分析计算，获得每个所述测线正下方的树木根系的探地雷达数据。 

步骤B：设定所述探地雷达数据中，对于每一个探测点，将其标记为P_C，N，其中，C表示测线号，N表示该点在该测线上的位置序号，所述探测点P点信息表示为P_C，N(dis，dep，dia)，其中dis和dep表示该点在探地雷达数据剖面中的水平和垂直位置，dia表示该探测点处根的直径大小； 

步骤C：从最外圈测线的探地雷达数据开始，对于第C圈测线的探地雷达数据中的探测点P_C，N，在靠近所述树干方向的一侧的第C+1圈测线的探地雷达数据中，开一个矩形的搜索窗口； 

所述搜索窗口中心水平位置为W_cent，由如下公式确定： 

所述搜索窗口中心的垂直深度W_dep，由如下公式确定： 

W_dep＝P_C，N(dep)+a 

所述搜索窗口宽度为W_wid，高度为W_hig，对每一圈测线都使用相同的窗口，即可以设定： 

W_wid＝ω 

W_hig＝b 

上述公式中a、ω、b为常数，其大小由探测植株大小与使用的探地雷达参数决定，参考值：a=5±2.5cm，b>30cm，ω>50cm，r_C、r_C+1分别为第C圈、第C+1圈测线半径。 

之后，对于位于所述搜索窗口内的所有探测点P_C+1，N建立筛选函数： 

F＝f(P_C+1，N)·(P_C+1，N(dia)-P_C，N(dia)+d) 

其中，d为常数，参考值：d=0.1cm；f为距离加权函数，定义如下： 

找寻第C+1圈中使F大于0且F数值最小的那个探测点P_C+1，N′，即为P_C，N的根源，将P_C，N和P_C+1，N′连接起来，记为P_C+1，N′→P_C，N； 

步骤D：按上述步骤C处理完探地雷达数据中所有探测点后，可获得类似植株根系的拓扑结构如下: 

其中每一行表示一条根系从根颈到末梢的探测点序列； 

根据以上拓扑结构和之前获得的P_C，N(dis，dep，dia)信息，在三维绘图软件中，使用样条曲线连接各探测点，即可获得所述树木根系的三维图像。 

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，上述步骤C中，若在第C+1圈中未能找到根源，便在第C+2圈中按相同方法寻找根源，以排除遗失信号的干扰；若在第C+2圈中仍未找到根源，则认为此信号不属于该根系，将其与已连接至此信号的所有信号剔除，以排除非本植株根的信号的干扰。 

3.根据权利要求1和2所述的方法，其特征在于，上述步骤C中，所述搜索窗口中心水平位置W_cent，其由如下公式得到， 

P_C，N为P_C-1，N′的根源。 

4.根据权利要求1或3之一所述的方法，其特征在于，上述步骤C中，所述搜索窗口宽度W_wid，其由如下方法得到，做一弧度为α的圆心角A，使得W_cent在角平分线上。角A与每条测线均有2个交点，之间的弧长即为窗口 的宽度，即可由下列公式得出， 

W_wid＝α·r_C+1。

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