[發(fā)明專利]一種基于探地雷達A-scan數據估算樹根直徑的方法

在審

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• 申請日: 2021-01-08
• 公開（公告）號: CN112800664A
• 公開（公告）日: 2021-05-14
• 發(fā)明（設計）人: 李光輝;徐匯
• 申請（專利權）人: 江南大學
• 主分類號: G06F30/27
• 分類號: G06F30/27;G06N3/08
• 代理公司: 哈爾濱市陽光惠遠知識產權代理有限公司 23211
• 代理人: 林娟

本發(fā)明公開了一種基于探地雷達A?scan數據估算樹根直徑的方法，屬于林木的無損檢測技術領域。該方法根據探地雷達A?scan數據通過訓練好的神經網絡估算出土壤環(huán)境中的沙土含量S、含水率M和樹根深度D，進而將S、M和D與A?scan數據融合得到新的輸入向量，將新的輸入向量輸入訓練好的隨機森林網絡得到待估算樹根直徑的估計值；避免了現有通過雙曲線函數求解樹根直徑的估計值時需要進行霍夫變換帶來的參數空間過大，求解時間較長的問題，而且由于不需要對雙曲線進行分割，避免了由于擬合出的雙曲線會與實際產生偏差導致的誤差，進一步提高了估計精度；該方法樹根深度估計最大誤差為±3cm，樹根半徑估計精度為±10mm。

技術領域

本發(fā)明涉及一種基于探地雷達A-scan數據估算樹根直徑的方法，屬于林木的無損檢測技術領域。

背景技術

探地雷達作為一種眾所周知的便捷的無損檢測技術，已經廣泛用于近地表研究，用以探測位于地表下幾米范圍內的物體。在林木無損檢測領域中，國內外已經成功地將探地雷達應用于樹根檢測和根系生物量估計。

探地雷達的基本工作原理是在沿著垂直于樹根方向的探測過程中，雷達信號發(fā)射器不斷地向地下發(fā)射電磁波信號(A-scan)，接收器收到多道A-scan信號從而組成B-scan，使得地下管狀目標在探地雷達圖像中以雙曲線形式呈現。如圖1所示，圖1(a)表示多個A-scan構成一個B-scan，圖1(b)為通過灰度級描述的B-scan，其中的雙曲線即為探測到的地下管狀物體。因此探地雷達檢測地下物體通常即指雙曲線形態(tài)的識別，根據探地雷達成像的原理，可以得出圖1(c)所示的幾何模型地下管狀目標的雙曲線形態(tài)可以式(1)描述，其中(x₀,t₀)是管狀目標的頂點，r是管狀目標的半徑，v₀是電磁波在介質中的傳播速度，t表示電磁波反射回波的雙程走時。

現有使用探地雷達進行根系直徑估算的方案主要基于式(1)中的雙曲線函數求解，通過數字圖像方法提取出B-scan圖像中感興趣區(qū)域(ROI)，通過腐蝕、膨脹、邊緣細化等操作對ROI進行預處理，接著通過霍夫變換和最小二乘法擬合雙曲線。然而，在擬合雙曲線時，需要手動選取至少三個點來求解雙曲線方程即式(1)，由于對ROI區(qū)域的預處理操作會使原本雙曲線開口變化，并且對多個雙曲線鄰接不能精確分割的情形，擬合出的雙曲線會與實際產生偏差，由此導致估計出的根系直徑與實際直徑出現偏差。此外，霍夫變換將目標形態(tài)的識別轉換為霍夫參數空間的極值求取問題，由于直接對雙曲線進行霍夫變換得到的參數空間過大，求解時間較長，在實際應用中，若需要對某區(qū)域內大量樹木進行樹根直徑估算則需要耗費較長時間。

發(fā)明內容

為了解決目前基于探地雷達估算樹根直徑不準確的問題，本發(fā)明提供了一種基于探地雷達A-scan數據估算樹根直徑的方法，所述方法將探地雷達A-scan數據分別輸入三個訓練好的結構相同、但每一層節(jié)點間的權重不同的神經網絡，分別得到待估算樹根所處土壤環(huán)境中的沙土含量S、含水率M和樹根深度D，得到沙土含量S、含水率M和樹根深度D后，將其與A-scan數據進行融合得到新的輸入向量，將所述新的輸入向量輸入訓練好的具有100棵樹的隨機森林網絡得到待估算樹根直徑的估計值。

可選的，所述三個神經網絡均包括兩個隱藏層，兩個隱藏層分別有240個和160個節(jié)點，隱藏層的激活函數均為ReLU，最后一個節(jié)點線性輸出。

可選的，所述隨機森林網絡中100棵樹的分裂準則是均方誤差。

可選的，所述探地雷達A-scan數據為采用PCA降維處理的數據。

可選的，所述方法還包括：

利用基于有限差分時間域FDTD的方法對土壤和樹根進行建模，得到土壤半經驗模型；

利用所述土壤半經驗模型進行仿真，構造用于訓練神經網絡和隨機森林網絡的A-scan數據。