专利名称：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ΡαΝ，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PaN(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。, 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Π ；所述搜索窗口中心水平位置为w_t，由如下公式确定:
权利要求
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ΡαΝ，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PaN(dis，d印，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。,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_t，由如下公式确定:
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_t，其由如下公式得到，
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Wwid，其由如下方法得到，做一弧度为α的圆心角Α，使得胃_,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，Wwid = α.rc+1o
全文摘要
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PC，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PC，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PC，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。
文档编号G01S13/89GK103105609SQ20131003848
公开日2013年5月15日 申请日期2013年1月31日 优先权日2013年1月31日
发明者崔喜红, 陈晋, 吴渊, 陈学泓 申请人:北京师范大学