一种基于探地雷达的地下根系绘制评估方法和系统

本发明涉及高反射性领域，尤其涉及一种基于探地雷达的地下根系绘制评估方法。

背景技术：

1、街道是城市的重要资产，是城市环境不可或缺的一部分，树根的生长可能导致严重的损害，例如道路和路缘的升起或破裂，对基础设施的安全性产生了严重影响。因此，对树根系统发展的评估和控制已成为林业和城市管理中的至关重要的任务。除了他们过去涵盖的仅仅是装饰性的角色之外，如今的树木对城市的福利和经济以及其居民的社会生活发挥了积极作用。但是，树木和建筑环境的共存是通常很难。特别是关于道路基础设施、城市地区路面退化的主要原因之一是由于街头树根的不受控制地增长。这些可能会导致人行道和路缘的严重损害和变形，例如升起和破裂，这可能会严重影响道路安全条件。同样重要的是要强调，不良的设计选择和缺乏适当的道路维护活动可能会使基础设施的整体状况恶化。

2、当前地下根系的绘制方法主要分为以下几种：根系挖掘是一种直观但破坏性的方法，适用于小规模研究；地下影像技术如地下雷达和地下探测器非侵入性，适用于长期监测和大规模研究，但分辨率有限；根系生长盆栽提供详细信息，但难以模拟自然条件；根系模型和数学建模需要准确数据和合理假设；遥感技术可检测树木生长，但无法提供根系结构图像。选择方法应根据研究目的和可用资源。

技术实现思路

1、本发明针对现有树木根系系统评估准确性和精度低的问题，提出一种基于探地雷达的地下根系绘制评估方法，所述方法包括：

2、采用地面穿透性雷达采集根部数据；

3、预处理所述根部数据；

4、对预处理后的根据数据进行树根跟踪；

5、根据跟踪的树根构建根系结构；

6、根据所述根系结构进行树根密度估计，完成评估。

7、进一步的，还提供一种优选方式，所述预处理所述根部数据，包括：

8、清洗根部数据，降低信噪比；

9、采用数据反射性分析法分析清洗后的根部数据，获取根部数据分析结果；

10、采用奇异值分解滤波器对所述根部数据分析结果进行滤波，完成根部数据的预处理。

11、进一步的，还提供一种优选方式，所述降低信噪比包括：

12、通过去零偏移调整根部数据；

13、采用带通滤波器对调整后的根部数据进行滤波。

14、进一步的，还提供一种优选方式，所述采用带通滤波器对调整后的根部数据进行滤波，包括：

15、带通滤波器接收所述调整后的根部数据，并根据所述根部数据构建矩阵；

16、通过奇异值分解所述矩阵，过滤噪声；

17、根据过滤后的矩阵进行根部数据重建，完成滤波。

18、进一步的，还提供一种优选方式，所述对预处理后的根据数据进行树根跟踪，包括：

19、对预处理后的根部数据进行目标检测，获取树根的候选反射区域；

20、根据三维空间中的位置信息对获取数据的候选反射区域进行相关性进行计算；

21、根据所述相关性计算结果，建立目标之间的连接，创建根部的空间发展路径。

22、进一步的，还提供一种优选方式，所述根据跟踪的树根构建根系结构，包括：

23、根据树根跟踪结果，将根部的连接和路径重新构建为三维根系结构。

24、进一步的，还提供一种优选方式，所述根据所述根系结构进行树根密度估计，完成评估，包括：

25、

26、其中，d是密度，v是参考体积中包含的根数,li是根的长度。

27、基于同一发明构思，本发明还提出一种基于探地雷达的地下根系绘制评估系统，所述系统是基于上述所述的方法构建的，所述系统包括：

28、采集单元，采用地面穿透性雷达采集根部数据；

29、预处理单元，用于预处理所述根部数据；

30、跟踪单元，用于对预处理后的根据数据进行树根跟踪；

31、根系构建单元，用于根据跟踪的树根构建根系结构；

32、评估单元，用于根据所述根系结构进行树根密度估计，完成评估。

33、基于同一发明构思，本发明还提出一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质用于储存计算机程序，所述计算机程序执行上述任一项所述的一种基于探地雷达的地下根系绘制评估方法。

34、基于同一发明构思，本发明还提出一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器中存储有计算机程序，当所述处理器运行所述存储器存储的计算机程序时，所述处理器执行根据上述中任一项中所述的一种基于探地雷达的地下根系绘制评估方法。

35、本发明的有益之处在于：

36、本发明解决了现有树木根系系统评估准确性和精度低的问题。

37、本发明所述的基于探地雷达的地下根系绘制评估方法，使用多阶段信号处理算法，包括数据清理、信号反射性分析和有针对性的svd滤波器应用，以自动检测和处理gpr数据。传统的gpr数据处理可能仅涉及单一的信号处理方法，而本发明采用了多个阶段，每个阶段都有不同的任务，包括去除噪声、自动识别路面层的几何形状，并有针对性地滤除水平反射。这提高了数据处理的效率和准确性。进一步的，引入了一个半自动的树根跟踪算法，以基于bscan数据定位和跟踪树根。该算法采用迭代过程，包括目标检测、空间相关性分析、根部跟踪和三维根系结构的重建。这个创新点在于使用自动化方法识别树根，然后将它们在三维空间中跟踪和重建，以获得更全面的根系结构信息。使用多项式拟合来连续逼近根路径，从而计算每个根的长度，然后基于长度数据计算根密度指标。这个创新点允许更准确地估算根的长度和根密度。传统方法可能依赖于粗略的估算或手动测量，而本发明通过数学建模和拟合提高了测量的准确性和精度。

38、本发明所述的基于探地雷达的地下根系绘制评估方法，采用地面穿透性雷达通过发射无线电波并记录它们的反射来获取地下根系数据，由于不同的土壤和树木组织对无线电波有不同的反射率，地面穿透性雷达(gpr)通过收集地下根系数据，以便进一步分析和评估。预处理根部数据确保获取的根部数据质量良好，有助于减少后续步骤中的误差。根据数据进行树根跟踪使用图像处理和计算机视觉技术，以检测、跟踪和定位根系。跟踪到的树根的位置和连接关系被用来建立根系的结构。根据已构建的根系结构，可以计算根系的密度。这可能涉及测量根系的长度、数量，以及它们在土壤中的分布。根据根系密度的估计，可以评估潜在的风险，例如根系对基础设施的影响，以采取必要的措施来维护城市环境的安全性。

39、本发明所述的基于探地雷达的地下根系绘制评估方法，是一种非破坏性方法，在不破坏地面的情况下，绘制出地下根系的特征，非侵入性技术不需要挖掘地面或损害树木，因此不会对根系造成任何伤害，有利于保护环境和树木的健康；同时探地雷达能够提供实时或近实时的数据，允许研究人员立即获取有关地下树木根系的信息，对于监测根系的生长和变化非常有用；其次，探地雷达可以在较大的深度范围内探测地下结构，这使其适用于研究不同深度下的根系分布，探地雷达通常具有较高的分辨率，可以捕捉较小和细微的地下结构，包括树木根系，使得研究者可以获得详细的根系结构图像。

40、本发明应用于道路基础设施管理领域。