CN113418963A

CN113418963A - 树干冻融阻抗图像实时检测方法与系统

Info

Publication number: CN113418963A
Application number: CN202110691930.6A
Authority: CN
Inventors: 田昊; 于重重; 赵相强; 厉舒南; 陈嘉伦; 佟鑫
Original assignee: Beijing Technology and Business University
Current assignee: Beijing Technology and Business University
Priority date: 2021-06-22
Filing date: 2021-06-22
Publication date: 2021-09-21
Anticipated expiration: 2041-06-22
Also published as: CN113418963B

Abstract

本发明公布了一种树干冻融阻抗图像实时检测方法与系统，包括：构建基于树干阻抗特性的多频率扫频法，制作包括多个锥形不锈钢电极的测量探头，并基于测量探头建立两端混合驱动激励方法，用于获取树干横截面冻融阻抗特征信息数据；进行正则化处理和二维图像重构和修正，得到树干冻融阻抗二维图像；进行修正后得到树干冻融阻抗图；建立基于冻融阻抗图像的树干冻融信息实时感知模型，计算树干在越冬期的实时冻融程度及冻融深度。系统包括：树干横截面冻融阻抗获取单元、树干冻融阻抗二维图像重构单元、温度补偿单元和树干冻融信息实时感知单元。本发明能够更加精确和快速地实时测量树木冻融情况，得到时间尺度上树干冻融的变化。

Description

树干冻融阻抗图像实时检测方法与系统

技术领域

本发明涉及树木冻融检测技术领域，尤其涉及一种树干冻融阻抗图像实时检测方法与系统。

背景技术

植物在越冬期间由于气温会在植物冻融点上下波动，当温度持续小于冻融点时，植物组织内的液态水发生结冰现象而形成固态冰晶，当温度持续高于冻融点时，植物组织内的固态冰晶发生融化现象而变成液态水，植物的冻融会造成树木全身组织或器官受伤甚至死亡，同时对植物渡过越冬期后的生长有重要影响。低温胁迫下植物体内的冻融响应体现了树木的抗寒性能，根据植物体内的冻融响应能够追踪植物越冬期茎干内冰晶扩散迁移轨迹及茎干组织冻融时空转移变化规律。

我国北方地区多属于温带和寒带气候，冬季有较长时间的冰霜期，这些区域中有大面积的经济和生态林木每年都会面临比较严重的寒害威胁，同时我国历史悠久，在漫长历史长河中，遗留有大量树种稀有、名贵或具有历史价值、纪念意义的名贵树木，而越冬期间低温胁迫导致的植物冻融极容易造成树木的生命力变弱乃至死亡，因此茎干植物冻融的研究，将为北方地区活立木防治冻灾提供理论基础，为古树名木的保护提供技术支撑。

目前在植物冻融过程中，现有技术主要包括植物冻融后基因的表达、蛋白质的变化和酶的活性的改变等生化指标的检测，通过检测这些生化指标对植物冻融后的生命活力、抗低温胁迫能力等作出评价，但这些方法大都具有一定的滞后性，难以实现实时检测，且没有考虑植物水分及植物温度对植物冻融特性的影响。而采用核磁成像及红外成像方法，则存在设备昂贵、有辐射风险、难以实时在线监测等不可避免的缺点；基于时域反射(Time domain reflectometry，TDR)传感器与超声波的植物冻融检测获取的数据单一，误差较大，且仪器设备较贵，因此，目前尚缺乏一种低成本的可以为植物冻融状况进行实时在线监测的植物冻融阻抗图像检测方法。

发明内容

针对现有植物冻融测量技术中存在测量不便且费时费力成本高的缺陷，本发明提出一种树干冻融阻抗图像实时检测方法及检测系统，能够更加精确和快速地实时测量树木在经历严寒冬季时的冻融情况，得到时间尺度上树干冻融的变化。

本发明的技术方案是：

一种树干冻融阻抗图像实时检测方法，包括如下步骤：

1)获取树干横截面冻融阻抗特征信息数据；

2)对树干横截面冻融阻抗特征信息数据进行图像重构，生成树干冻融阻抗二维图像；

3)对树干冻融阻抗二维图像，结合环境实时温度信息，进行修正，得到树干冻融阻抗图；

4)建立基于冻融阻抗图像的树干冻融信息实时感知模型，计算树干在越冬期的实时冻融程度及冻融深度。

可选地，步骤1)所述获取树干横截面冻融阻抗特征信息数据，具体在于构建基于树干阻抗特性的多频率扫频法，研制16电极测量探头，并对16电极测量探头建立两端混合驱动激励方法获取树干横截面冻融阻抗特征信息数据。

在所述获取树干横截面冻融阻抗特征信息数据过程中，具体的，根据树干介电常数与阻抗特性关系，本发明提出并研制一种锥形不锈钢电极，并用16个电极构成测量探头，对所述16电极测量探头设置10KHz-100KHz的频率范围，按照间隔10KHz的预设频率间隔进行多频率扫频测量阻抗，每个频率下对所述16电极测量探头建立两端混合驱动激励方法，即16个电极中按照不重复组合方式任选2个电极组成激励电极，获取两个电极间的树干冻融阻抗值。

可选地，步骤2)对冻融阻抗特征信息数据进行图像重构，生成树干冻融阻抗二维图像，包括：

对获取树干横截面冻融阻抗特征信息数据进行正则化算法处理，基于广义矢量匹配算法对阻抗特征信息数据进行二维图像重构，并采用Tiknonv正则优化算法进一步修正重构的二维图像，得到树干冻融阻抗二维图像。

可选地，步骤3)对所述对冻融阻抗二维图像，结合环境实时温度信息，进行修正得到树干冻融阻抗图，包括：

采用符号函数对环境实时温度信息进行分类为冻融与非冻融环境，进而对所述冻融阻抗二维图像在非冻融环境的图像进行归一处理，保留冻融环境下冻融阻抗二维图像并结合温度信息进行图像优化，得到树干冻融阻抗图。

可选地，步骤4)建立基于冻融阻抗图像的树干冻融信息实时感知模型，计算树干在越冬期的实时冻融程度及冻融深度，包括：

基于步骤3)得到的树干冻融阻抗图，获取树干冻融实时信息，通过实时计算树干冻融阻抗图中冻融区域的面积与总面积之比获取树干冻融程度百分比，树干冻融程度百分比计算如下：

式中S_ice为冻融阻抗图中冻融区域的面积，S为冻融阻抗图中树干总面积，σ为树干冻融程度指数。σ越大表明树干内部冻结越严重。

进一步的实时计算单位时间内冻融阻抗图中冻融区域的面积的变化速率得到树干冻融速率。树干冻融速率计算如下：

式中δ为树干冻融速率，S_ice′为t′时刻的冻融阻抗图中冻融区域的面积，S_ice″为t″时刻的冻融阻抗图中冻融区域的面积，其中δ为正值表示冻结过程中的速率，δ为负值表示融化过程中的速率。

基于本发明提出的一种树干冻融阻抗图像实时检测方法，为使得所述方法在工程实践进行应用，进一步的本发明研制了一种树干冻融阻抗图像实时检测系统，检测系统的技术方案具体包括：

研制树干横截面冻融阻抗获取单元，用于对所述树干横截面冻融阻抗进行测量；

建立树干冻融阻抗二维图像重构单元，用于对所述树干横截面冻融阻抗特征信息数据进行图像重构；

建立温度补偿单元，用于对所述冻融阻抗二维图像进行温度修正；

研制树干冻融信息实时感知单元，用于对所述树干冻融阻抗图的实时变化进行分析，实时计算树干在越冬期的实时冻融程度及冻融深度；

可选地，所述树干横截面冻融阻抗获取单元，进一步用于：

控制激励源对所述16电极测量探头按照10KHz-100KHz的频率范围进行激励，并控制间隔频率，使频率按照10KHz增加，进行多频率扫频测量阻抗，并控制16个电极中按照不重复组合方式，任选2个电极组成激励电极实现两端混合驱动激励，通过组成120种组合获取两个电极间不同频率下的阻抗值为1200种。

可选地，所述树干冻融阻抗二维图像重构单元，进一步用于：

可选地，所述温度补偿单元，进一步用于：

结合环境实时温度信息，采用符号函数对环境实时温度信息进行分类为冻融与非冻融环境，进而对所述冻融阻抗二维图像在非冻融环境的图像进行归一化处理，保留冻融环境下冻融阻抗二维图像并结合温度信息进行图像优化，得到树干冻融阻抗图。

可选地，所述树干冻融信息实时感知单元，进一步用于：

基于所述树干冻融阻抗图的实时变化，获取树干冻融实时信息，通过实时计算树干冻融阻抗图中冻融区域的面积与总面积之比获取树干冻融程度百分比，并实时计算单位时间内冻融阻抗图中冻融区域的面积的变化速率得到树干冻融速率。

本发明提供的一种树干冻融阻抗图像实时检测方法，相较于现有技术方法下的树干冻融测量来说，可以方便可以更加精确和快速的测量树木在经历严寒冬季时的冻融情况。同时本发明提供一种可以实时检测的系统，通过实时测量可以研究时间尺度上树干冻融的变化，不仅为农林业的生态监测与管理提供新的技术手段，同时也为植物生理学研究奠定研究基础。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明一个实施例的单树干冻融阻抗图像实时检测方法的流程框图；

图2为本发明一个实施例的树干冻融阻抗图像实时检测方法中进行冻融二维图像重构的流程框图；

图3为本发明提供的树干冻融阻抗图像实时检测系统的结构框图；

图4为本发明一个实施例的树干冻融阻抗图像实时检测系统的结构框图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

图1为本发明一个实施例的单树干冻融阻抗图像实时检测方法的流程示意图；如图1所示，该方法包括：

S1：获取树干横截面冻融阻抗特征信息数据；

S2：对所述冻融阻抗特征信息数据进行图像重构，生成树干冻融阻抗二维图像；

S3：对所述冻融阻抗二维图像，结合环境实时温度信息，进行修正得到树干冻融阻抗图；

S4：基于冻融阻抗图像的树干冻融信息实时感知模型，计算树干在越冬期的实时冻融程度及冻融深度。

本实施例的一种树干冻融阻抗图像实时检测方法，相较于现有技术方法下的树干冻融测量来说，可以方便可以更加精确和快速的测量树木在经历严寒冬季时的冻融情况。同时本发明提供一种可以实时检测的系统，通过实时测量可以研究时间尺度上树干冻融的变化，不仅为农林业的生态监测与管理提供新的技术手段，同时也为植物生理学研究奠定研究基础。

作为本实施例的优选，步骤S1中获取树干横截面冻融阻抗特征信息数据，可进一步包括：

S11：基于多频率扫频法，对16电极测量探头采用两端混合驱动激励模式获取树干横截面冻融阻抗特征信息数据；

S12：在所述获取树干横截面冻融阻抗特征信息数据过程中，对所述16电极测量探头采用10KHz-100KHz的频率范围，按照间隔10KHz的预设频率间隔进行多频率扫频测量阻抗，每个频率下对所述16电极测量探头采用两端混合驱动激励模式，即16个电极中按照不重复组合方式任选2个电极组成激励电极，获取两个电极间的阻抗值；

作为本实施例的优选，步骤S2中对所述冻融阻抗特征信息数据进行图像重构，生成树干冻融阻抗二维图像，可进一步包括：

具体地，图2示出了本发明一个实施例的树干冻融阻抗图像实时检测方法中进行冻融二维图像重构的流程示意图。如图2所示，先对上述获取的树干横截面冻融阻抗特征信息数据进行质场建模，依据质场建模后的区域特点进行网格划分，将建模区域划分为由三角微元区域构成的质场，之后设置测量材料属性及测量过程中的电流参数，并对质场区域内的质场单元(即划分的三角微元区域)和质场单元间相互连接的节点按照顺序和位置进行编号，根据测量得到的两个电极间的阻抗值计算每个质场单元的阻抗数据，然后设置广义矢量匹配算法的目标收敛迭代函数，采用广义矢量匹配算法对质场单元的阻抗数据进行范数归一化处理，设定迭代次数并完成迭代处理后得到基于质场单元重构二维图像，为了进一步得到可以定量分析的二维冻融阻抗图像，在上述图像基础上采用Tiknonv正则对二维图像优化，最终生成生成冻融阻抗二维图像。

作为本实施例的优选，步骤S3中对所述冻融阻抗二维图像，结合环境实时温度信息，进行修正得到树干冻融阻抗图，可进一步包括：

采用符号函数对环境实时温度信息进行分类为冻融与非冻融环境，进而对所述冻融阻抗二维图像在非冻融环境的图像进行归一处理，保留冻融环境下冻融阻抗二维图像并结合温度信息进行图像优化，得到树干冻融阻抗图；

作为本实施例的优选，步骤S4中基于冻融阻抗图像的树干冻融信息实时感知模型，计算树干在越冬期的实时冻融程度及冻融深度，可进一步包括：

基于所述树干冻融阻抗图的实时变化，获取树干冻融实时信息，通过实时计算树干冻融阻抗图中冻融区域的面积与总面积之比获取树干冻融程度百分比，并实时计算单位时间内冻融阻抗图中冻融区域的面积的变化速率得到树干冻融速率；

图3本发明一个实施例的树干冻融阻抗图像实时检测系统的原理示意图；如图3所示，该系统包括树干横截面冻融阻抗获取单元10、树干冻融阻抗二维图像重构单元20、温度补偿单元30以及树干冻融信息实时感知单元40；

其中，树干横截面冻融阻抗获取单元10，用于对所述树干横截面冻融阻抗进行测量；

树干冻融阻抗二维图像重构单元20，用于对所述树干横截面冻融阻抗特征信息数据进行图像重构；

温度补偿单元30，用于对所述冻融阻抗二维图像进行温度修正；

树干冻融信息实时感知单元40，用于对所述树干冻融阻抗图的实时变化进行分析，计算树干在越冬期的实时冻融程度及冻融深度；

作为本实施例的优选，树干横截面冻融阻抗获取单元10还可以进一步用于：

在所述获取树干横截面冻融阻抗特征信息数据过程中，对所述16电极测量探头采用10KHz-100KHz的频率范围，按照预设间隔频率10KHz进行多频率扫频测量阻抗，并控制16个电极中按照不重复组合方式，任选2个电极组成激励电极实现两端混合驱动激励，获取两个电极间的阻抗值。

作为本实施例的优选，树干冻融阻抗二维图像重构单元20还可以进一步用于：

作为本实施例的优选，温度补偿单元30还可以进一步用于：

结合环境实时温度信息，采用符号函数对环境实时温度信息进行分类为冻融与非冻融环境，进而对所述冻融阻抗二维图像在非冻融环境的图像进行归一处理，保留冻融环境下冻融阻抗二维图像并结合温度信息进行图像优化，得到树干冻融阻抗图。

作为本实施例的优选，树干冻融信息实时感知单元40，可进一步用于：

本实施例所述的树干冻融阻抗图像实时检测系统可以用于执行上述方法实施例，其原理和技术效果类似，此处不再赘述。

需要说明的是，对于系统实施例而言，由于其与方法实施例基本相似，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。

下面以一具体的实施例来说明本发明的系统，但不限定本发明的保护范围。

图4为本发明一个实施例的树干冻融阻抗图像实时检测系统的结构示意图。如图4所示，该系统包括：

数据获取单元100，包括用于输出不同频率的频率模块110、用于测量阻抗的测量模块120、用于去噪的滤波模块130；

串口下载单元200，用于和上位机通讯和相应数据的传输，并担负程序的下载功能；

温度测量单元300，用于获取环境温度；

图像传输单元400，用于将测量数据通过远程传输方式上传到服务器及数据库，使数据可以进行远程实时监测和保存；

电源控制单元500，用于控制系统及对应测量模块的供电及断电，降低系统的功耗；

时钟单元600，用于给系统工作提供时间基准，保证系统正常运行；

现场可编程门阵列(Field-Programmable Gate Array，FPGA)核心处理单元700，用于对获取的数据进行处理计算，重构生产冻融阻抗二维图，并控制图像数据的与通信；

进一步地，该FPGA核心处理单元700还可以包括广义矢量匹配算法图像重构单元710、Tiknonv正则优化算法图像优化单元720、温度补偿单元730以及冻融信息实时计算单元740；

其中，广义矢量匹配算法图像重构单元710用于对测量得到的阻抗数据进行得到可以进行定性分析的冻融阻抗图。

Tiknonv正则优化算法图像优化单元72用于对所测量的定性冻融阻抗图进行优化处理输出可以进行定量分析的冻融阻抗图；

温度补偿单元730用于对所述冻融阻抗二维图像进行温度修正；

冻融信息实时计算单元740用于对所述树干冻融阻抗图的实时变化进行分析，计算树干在越冬期的实时冻融程度及冻融深度。

本发明实施例提供的一种树干冻融阻抗图像实时检测方法与系统，其中，该方法包括：获取树干横截面冻融阻抗数据；对树干冻融阻抗数据进行图像重构；基于冻融阻抗图像的树干冻融信息实时感知模型，计算树干在越冬期的实时冻融程度及冻融深度；本发明对于植物越冬期的树干冻融测量更具普适性和便捷性，可以更加精确和快速的测量树木在经历严寒冬季时的冻融情况，不仅为农林业的生态监测与管理提供新的技术方法，也为名木古树的保护提供新的技术手段，同时也为植物生理学研究奠定研究基础。

以上实施例仅用于说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims

1.一种树干冻融阻抗图像实时检测方法，其特征是，包括如下步骤：

1)构建基于树干阻抗特性的多频率扫频法，制作包括多个锥形不锈钢电极的测量探头，并基于测量探头建立两端混合驱动激励方法，用于获取树干横截面冻融阻抗特征信息数据；

2)对步骤1)获取的树干横截面冻融阻抗特征信息数据进行正则化处理，对阻抗特征信息数据进行二维图像重构，并采用正则优化算法进一步修正重构的二维图像，得到树干冻融阻抗二维图像；

3)利用环境实时温度信息，对步骤2)得到的树干冻融阻抗二维图像进行修正，得到树干冻融阻抗图；包括：

用符号函数对环境实时温度信息分类为冻融环境与非冻融环境；

对在非冻融环境的树干冻融阻抗二维图像进行归一化处理；保留冻融环境下的树干冻融阻抗二维图像，并结合温度信息进行图像优化，得到树干冻融阻抗图；

4)建立基于冻融阻抗图像的树干冻融信息实时感知模型，计算树干在越冬期的实时冻融程度及冻融深度；包括：

基于步骤3)得到的树干冻融阻抗图获取树干冻融实时信息，通过实时计算树干冻融阻抗图中冻融区域的面积与总面积之比获取树干冻融程度百分比；树干冻融程度百分比越大表明树干内部冻结越严重；

进一步实时计算单位时间内冻融阻抗图中冻融区域的面积的变化速率，即得到树干冻融速率；当树干冻融速率为正值时表示冻结过程中的速率，当树干冻融速率为负值表示融化过程中的速率。

2.如权利要求1所述树干冻融阻抗图像实时检测方法，其特征是，步骤1)具体制作16电极测量探头；所述16电极测量探头包括16个锥形不锈钢电极；16电极测量探头频率设置为10KHz-100KHz频率范围；按照预设频率间隔进行多频率扫频测量阻抗，每个频率下对所述16电极测量探头建立两端混合驱动激励方法，即16个电极中按照不重复组合方式任选2个电极组成激励电极，获取两个电极间的树干横截面冻融阻抗值数据。

3.如权利要求2所述树干冻融阻抗图像实时检测方法，其特征是，具体按照间隔10KHz的预设频率间隔进行多频率扫频测量阻抗。

4.如权利要求1所述树干冻融阻抗图像实时检测方法，其特征是，步骤2)具体采用广义矢量匹配算法对阻抗特征信息数据进行二维图像重构；并采用Tiknonv正则优化算法进一步修正重构的二维图像。

5.如权利要求1所述树干冻融阻抗图像实时检测方法，其特征是，步骤4)所述树干冻融程度百分比的计算具体如下：

式中，σ为树干冻融程度百分比指数；S_ice为冻融阻抗图中冻融区域的面积，S为冻融阻抗图中树干总面积。

6.如权利要求1所述树干冻融阻抗图像实时检测方法，其特征是，步骤4)所述树干冻融速率具体计算如下：

式中，δ为树干冻融速率，S_ice′为t′时刻的冻融阻抗图中冻融区域的面积，S_ice″为t″时刻的冻融阻抗图中冻融区域的面积。

7.一种实现权利要求1～6所述树干冻融阻抗图像实时检测方法的系统，其特征是，包括：树干横截面冻融阻抗获取单元、树干冻融阻抗二维图像重构单元、温度补偿单元和树干冻融信息实时感知单元；其中：

所述树干横截面冻融阻抗获取单元包括多个锥形不锈钢电极的测量探头，用于对所述树干横截面冻融阻抗进行测量；

所述树干冻融阻抗二维图像重构单元用于对所述树干横截面冻融阻抗特征信息数据进行图像重构；

所述温度补偿单元用于对所述冻融阻抗二维图像进行温度修正；

所述树干冻融信息实时感知单元，用于对所述树干冻融阻抗图的实时变化进行分析，实时计算树干在越冬期的实时冻融程度及冻融深度。

8.如权利要求7所述的系统，其特征是，所述树干横截面冻融阻抗获取单元包括16电极测量探头；所述树干横截面冻融阻抗获取单元进一步用于控制激励源对所述16电极测量探头按照10KHz-100KHz的频率范围进行激励，并控制间隔频率，使频率按照10KHz增加，进行多频率扫频测量阻抗，并控制16个电极中按照不重复组合方式，任选2个电极组成激励电极实现两端混合驱动激励。

9.如权利要求7所述的系统，其特征是，所述树干冻融阻抗二维图像重构单元进一步用于：对获取树干横截面冻融阻抗特征信息数据进行正则化算法处理，基于广义矢量匹配算法对阻抗特征信息数据进行二维图像重构，并采用Tiknonv正则优化算法进一步修正重构的二维图像，得到树干冻融阻抗二维图像；所述温度补偿单元进一步用于：结合环境实时温度信息，采用符号函数对环境实时温度信息进行分类为冻融与非冻融环境，进而对所述冻融阻抗二维图像在非冻融环境的图像进行归一化处理，保留冻融环境下冻融阻抗二维图像并结合温度信息进行图像优化，得到树干冻融阻抗图。

10.如权利要求7所述的系统，其特征是，所述树干冻融信息实时感知单元进一步用于：基于所述树干冻融阻抗图的实时变化，获取树干冻融实时信息，通过实时计算树干冻融阻抗图中冻融区域的面积与总面积之比获取树干冻融程度百分比，并实时计算单位时间内冻融阻抗图中冻融区域的面积的变化速率得到树干冻融速率。