CN104569972A - 一种植物根系三维构型无损检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明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。

Description

一种植物根系三维构型无损检测方法

技术领域

本发明涉及地下目标探测物的无损探测与定量测量技术领域，特别是涉及植物根系的无损检测。

背景技术

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。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明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，本发明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是本发明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是本发明获取探地雷达天线的三维位置与姿态信息示意图

图3是本发明标定模板示意图

图4是本发明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，详细说明本发明的具体实施方式。

本发明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，为本发明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)探地雷达天线的三维位置与姿态信息。由于探地雷达天线为运动的，因此，在图像采集频率不是很快的情况下，可以认为任意时间将对应一个探地雷达天线所在的空间位置。如图2所示，主要原理为：事先设置一标定模板作为参照物，用标定模板对地表平面进行空间标定；利用视觉定位技术实现探地雷达天线在地表平面的视觉定位，并实时获取探地雷达天线的空间坐标；根据探地雷达天线的坐标对该时刻探地雷达天线发射的电磁波谱进行定位；获取探地雷达天线在行进过程中的所有空间坐标，并利用这些空间坐标对对应时刻的电磁波谱进行空间定位。包括步骤S21至步骤S24：

S21、在地表设置一标定模板，当探地雷达天线在测量区域内任意运动进行实时探测时，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，同时获取标定模板的图像信息。图像采集设备为视觉传感器，如摄像机等。在采集数据之前，尽量将地表面整理平整(即标定模板与地表近似重合的情况下)，这样可以获得更加精确的地表空间位置信息，否则，若在测量区域内地表起伏较大，则利用一个标定模板与一台图像采集设备是无法获取任意点三维位置与姿态。因此利用水准器来判断测量区域的地表是否平整。标定模板为棋盘格。标定模板的作用为标定地面任意点的水平空间坐标，利用该水平空间坐标获取探地雷达天线在任意时刻的空间坐标，从而确定该时刻发射的电磁波谱的位置信息，利用电磁波谱的位置信息确定单边双曲线的空间位置坐标，最终获取植物根系截面的地下三维空间信息。

S22、选择标定模板的顶点作为实际空间地平面上的坐标系(平面坐标系)的原点，利用图像处理获取图像采集设备的在图像坐标系的中心位置坐标，同时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(标定模板上的各个角点在图像坐标系上的坐标)与在平面坐标系上的坐标信息，将标定模板在图像坐标系上的坐标与标定模板在平面坐标系的实际坐标一一对应，确定图像上的点与实际空间地平面坐标信息的对应关系，即建立了图像中任意点与地表面坐标之间的对应关系。因为探地雷达天线任意时刻在图像坐标系中的坐标是已知的，根据上述的对应关系便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，即确定了探地雷达天线在地表的实时位置。

S23、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。

S24、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。

如图3所示，是本发明标定模板示意图。标定模板为棋盘格，图像角点检测就是利用一定的图像处理技术将角点从图像中检测出来(如图3，角点检测为图像处理中的一个专用术语，角点检测有具体不同的方法，图中“十”字为利用图像处理技术获取的角点)。可以将图像中角点的坐标与标定模板中棋盘格对应的物理坐标位置对应起来，由于棋盘格具有固定的物理位置(如每个棋盘格的边长为5厘米)这样便可以将图像中任意一点在图像坐标系下的位置与真实空间中的位置对应起来。通过角点检测获取棋盘格所确定的纵横直线，并将该直线延长出去，形象地讲：这样整个图像区域可以由数不尽的直线所覆盖，那么图像中任意一个像素点都将在一条直线上，而利用该直线，则可以确定出该点的坐标。进而，可以获取图像中任意一点的坐标在真实地平面上的空间坐标位置。

S3、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，也就是获取植物根系的截面的位置信息。此处探地雷达天线发射的是单道电磁波谱。

S4、对经过空间校正后的电磁波谱进行滤波处理，然后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。由于植物根系的电磁反射波谱为单边双曲线，经过基尔霍夫迁移处理与希尔伯特变换处理后，将会获得植物根系截面所对应电磁波谱图的位置信息。由于植物根系的截面为圆形，因此经过基尔霍夫迁移或希尔伯特变换后获得了植物根系的截面图。这两种方式主要是对电磁回波的增强处理，从而增强植物根系回波这一特征。

S5、对数值信息和图像信息获取的地下未知物体的截面信息(如：根系埋深，截面尺度等信息)进行对比。

S6、若数值信息和图像信息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；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。若该区域为非土壤物体所在区，则进入步骤S7。

S7、判断未知物体是否为植物根系，有两种方法：

方法一、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；对单边双曲线进行图像处理，获取单边双曲线的二值图；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；利用拟合后的双曲线获取未知物体探测面的性质；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。举例来说，可以利用电磁波的波速进行判断。由于电磁波在不同的介质中波速不同，木制材料中电磁波的波速与其余地下材料中的波速不同，进而判别出是否为根系切面。(可以通过基于双曲线特征的速度分析，本实例中利用共中心点法(CMP，Common Mid Point)，来实现基于根系反射单边双曲线的波速获取)；

方法二、对未知探测物的多个切面进行三维重构，获取地下未知物体的三维构型，根据不同位置形成的未知探测物的切面信息来确定是否为根系。若重构未知探测物的几何构型为细长柱状，且多个细长柱状的未知探测物相互连接，则未知物体为植物根系；而若未知物体的三维构型为小区域范围内，且不连续的，则可以判断为非植物根系，如石块等。

若未知物体为植物根系，则进入步骤S8。

S8、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：

S81、利用断层截面各点之间的关系确定植物根系的三维构型；

S82、对植物根系截面图，利用网格生成植物根系表面曲面；

S83、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。

利用电磁波谱形成的断层截面对所在区域的植物根系进行三维重构后，可以利用获取的植物根系构型指导后续探地雷达天线的运行探测位置。如当获取的植物根系构型不够清晰时，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。指导探地雷达天线在相关区域，按照指定的方向进行运行，这样便可以获取更为清晰的植物根系电磁波谱反射图，从而获取更加精准的植物根系截面信息。

实施例一

本方法通过地上电磁波谱运行轨迹信息的获取，和地下电磁波谱图的分析共同获取植物根系的三维构型。包括发射电磁波谱的探地雷达天线、图像采集设备、地表空间标定模板。该植物根系三维构型无损检测方法具体包括如下步骤：

(1)地上电磁波谱运行轨迹信息的获取：当探地雷达天线在运行过程中，利用图像采集设备获取任意时刻探地雷达天线的三维位置信息；同时获取放置在地表的标定模板信息；通过图像处理获取标定模板中的直线信息，并根据图像坐标系中的直线信息与标定模板实际的平面信息，最终获取图像上任一点在地平面上的坐标，据此确定探地雷达天线任意时刻在地平面上的坐标信息；利用角点检测出图像中标定模板中的角点，标定模板的一角为整个世界坐标系的原点，这样通过图像中获取的标定模板的图像，进行角点检测，从而获取图像坐标系中的标定模板中每个角点的坐标，而标定模板在水平面上的物理坐标可以获取，通过图像坐标系统中的角点与真实坐标系中的角点之间的一一对应关系，可以确定探地探地雷达天线在行进过程中的空间坐标和位姿信息，这种空间坐标的获取密度与图像采集设备，即摄像机图像采集的频率有关。当摄像机图像采集频率较高时，单位时间内将获取较多帧的图像，进而可以获得较高密度的空间坐标，这样重构出来的根系坐标将更加精细。

(2)在探地雷达天线前进的过程中，将实时发射电磁波谱信息。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的三维空间信息。

(3)地下电磁波谱图的分析：如图4所示，获取电磁波谱的三维空间信息后，将对电磁波谱图进行数值信息和图像信息的双模式处理。单道电磁波谱为一种电磁信号，而多道电磁波谱按照一定的次序可组成为电磁波谱图像。因此，本方法针对获取的电磁波谱图进行双模式的处理，即电磁波谱的数值信息处理模式与电磁波谱图像的图像处理模式协同处理。

具体为：首先对电磁波谱信号进行希尔伯特变换，获得地下探测的可能区域。然后根据对可能区域进行进一步的处理与性质判断，最终获取植物根系在该探地雷达天线行进面上的截面。然后，根据植物根系不同位置的截面进行三维重构，最终获取植物根系三维构型；同时利用基尔霍夫迁移对电磁波谱图像进行处理，获取植物根系截面的图像；将利用基尔霍夫迁移处理过的电磁波谱图像与希尔伯特变换处理过的电磁图像进行对比，若某一区域同时为不同方法处理后都可以获取植物根系截面，则选定该区域。利用电磁波谱在不同介质中传播速度不同，不同物质交接面之间形成的电磁波谱也并不相同的原理，判断获取的截面信息为植物根系截面或是非植物根系截面信息。若截面信息为植物根系截面，则利用雷达形成的断层截面对植物根系进行三维重构。

当有些区域没有足够的电磁波谱信息时，将无法重构出植物根系的三维构型。因此，在操作中，可以根据已经形成的植物根系三维构型对后续的地下探测物的采集进行指导。只有当探地雷达天线行进方向垂直于植物根系时，才能获取最为精确清晰地探地雷达电磁回波。而在测量过程中，由于并不知道植物根系的具体位置与走向。因此，可以通过本方法进行初步的探测，形成初步的植物根系构型，然后根据初步的植物根系构型进一步的指导探地雷达天线的探测位置。如在某一截面上没有获取较为精确的植物根系信息，或某一截面上的双曲线不够清晰，则可以调整探地雷达天线的运动方向，直到获取清晰、分辨率较高的探地雷达波谱。

以上介绍了一种植物根系三维构型无损检测方法。涉及植物根系截面的视觉定位、植物根系电磁波谱的处理等。在研究植物根系固土护坡力学机制及其坡面稳定性评估、植物地下根系固碳、植物根系构型发展变化等方面具有较好的应用价值。本发明并不限定于以上实施例，也可以应用于多种地下探测物的无损检测，在市政工程、坡面稳定性探测、地下障碍物探测、古墓科考等方面都具有重要的使用价值与推广意义。任何未脱离本发明技术方案，即仅仅对其进行本领域普通技术人员所知悉的改进或变更，均属于本发明的保护范围之内。

Claims (7)

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；

(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所述的植物根系三维构型无损检测方法，其特征在于：所述步骤(1)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。

3.如权利要求1所述的植物根系三维构型无损检测方法，其特征在于：所述步骤(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，则确定所述区域为土壤物体所在区。

4.如权利要求1-3任一所述的植物根系三维构型无损检测方法，其特征在于：所述步骤(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)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。

5.如权利要求1-3任一所述的植物根系三维构型无损检测方法，其特征在于：所述步骤(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。

6.如权利要求4所述的植物根系三维构型无损检测方法，其特征在于：所述步骤(6)若未知物体为植物根系，则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)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。

7.如权利要求6所述的植物根系三维构型无损检测方法，其特征在于：所述步骤(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。