一种高精度地下冬笋探测3D形态重建方法

本发明属于地下冬笋探测领域，特别涉及一种高精度地下冬笋探测3d形态重建方法。

背景技术：

1、冬笋主要是由毛竹的地下茎(竹鞭)的侧芽发育而成，具有极高的食用价值和药用价值。采挖冬笋的时间一般为霜降至次年立春之前即10月下旬至次年2月初。“九前冬笋逢春烂，九后冬笋清明旺”，冬至以前萌发的冬笋，只有少数会转化成春笋，大多数都会腐烂，而冬至以后形成的冬笋，大都能转化成春笋，破土而出。因此，合理的采挖冬笋，既有助于维持的竹林的生态平衡，也有助于为农民带来巨大经济收入，据估计每多探测出1％的冬笋就可以给相关产业增产千万余元。然而，冬笋通常生长在地表下方0至20cm，给冬笋的准确探测与挖掘带来了困难，目前冬笋的挖掘主要靠个人经验，探测的准确度严重不足，大大降低了冬笋采挖的效率，并且胡乱采挖也对竹林生态造成巨大破坏。

2、采用先进的探测方法和仪器有利于提高冬笋的探测精度，提高冬笋的探测率，给农民带来更高的经济效益。现有的地下冬笋探测器中，一部分是根据电阻率等方法对地下冬笋进行探测，例如：cn201220332552、cn201710403582、cn201910628520和cn202010636127，这些专利通过冬笋与土壤、岩石等电阻率的差异，根据欧姆定律，通过电压值的变化对笋进行探测，但其探测效果受到地形和地质条件等环境因素的影响较大，探测精度较低。一部分是根据微波反射法对地下冬笋进行探测，例如：cn201920291760、cn201520323504和cn202221542367，这些专利基于电磁波在不同介质中的反射特性，通过发射微波并接收反射波来对笋进行探测，这种方法具有非接触、无损探测的特点，探测精度较高，但电磁波会随距离衰减，不适合大规模探测。另一部分将两种及以上的方法结合起来对地下冬笋进行探测，例如：cn201310584950，此专利将超声波法和电阻率法结合起来对笋进行探测，结合了两种方法的优点，但仍不能探测出冬笋准确的3d信息，无法保证笋不被挖坏。目前大多技术存在精度不高、可使用范围存在较大局限性等缺陷，且现有的竹笋探测方法只能确定笋的大致位置，无法获取冬笋的3d信息，无法避免冬笋挖坏等问题。。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题在于提供一种高精度地下冬笋探测3d形态重建方法，用于解决地下冬笋3d形态预测困难，冬笋的探测精度不高挖笋时容易挖坏等问题。

2、本发明是这样实现的，

3、一种高精度地下冬笋探测3d形态重建方法，该方法包括：

4、通过电阻率探测模块测量大地的电压数据，用于对冬笋地下生长位置进行大规模初筛，初步圈定地下冬笋重点区域；

5、通过探地雷达模块对地下冬笋重点区域精细化3d电磁探测，获得三维电磁场数据；

6、通过激光扫描模块对经过重点区域精细化3d电磁探测后的区域，测量冬笋三维真实形态，获取冬笋的三维图像数据；

7、基于采集的三维电磁场数据、电压数据和三维图像数据，通过机器学习算法建立空间位置预测和3d形态预测模型，通过所述空间位置预测和3d形态预测模型预测地下冬笋的3d形态与空间位置。

8、进一步地，在探测之前，对探测区域进行布网规划，确定测量点和探测路径，通过电阻率探测模块测量地下的电压数据包括，采用偶数对电极作为发射电极和接收电极，以一定间隔a置于测线上，其中间隔a的距离选择1-3米，使用程控电极转换开关控制直流电源与测线间隔两个电极的一对发射电极a和发射电极b连通，为大地提供稳定的直流电流，从中间一对接收电极m和接收电极n测量获得电压数据，形成对称四电极形式，将接收电极m与接收电极n的电压相减获得电位差vmn，电流接通t时之内，电位差vmn为一次电位差δu1和二次电位差δu2之和，电流关断后电位差vmn为二次电位差δu2，视电阻率可由公式(1)计算获得：

9、

10、其中，am为发射电极a和接收电极m之间的距离，an为发射电极a和接收电极n之间的距离，mn为接收电极m和接收电极n之间的距离。

11、进一步地，视极化率由公式(2)计算获得：

12、

13、其中，δu2-max为二次电场产生的最大电压，δu1-max为一次电场产生的最大电压。

14、进一步地，依次平移电极，获得整条测线的电位差值，并通过串口通讯传输到主控模块中，根据公式(1)和公式(2)计算各测点视电导率和视极化率。

15、进一步地，将测量各测点的值求平均的方式获得背景视电阻率和背景视极化率，将各测点的视电阻率和视极化率分别阈值进行对比，选取高于背景极化率的接收电极所在位置p和低于背景电阻率的接收电极所在位置s,以接收电极中心为圆心，以1个电极距离a为直径，获得一个圆形，初步圈定地下冬笋重点测量区域。

16、进一步地，所述探地雷达模块在重点测量区域以a/10的间距进行横向、纵向扫描式测量，探地雷达发射天线和接收天线紧贴地面，采用蛇形测量路径进行精细化探测，发射频率为900mhz，短脉冲电磁波，经发射天线辐射传入大地,电磁波在地下传播过程中遇到介质的分界面后便被反射或折射,反射回地面并被接收天线接收的电磁回波,探测的分辨率达厘米级别。

17、进一步地，当地面的发射天线和接收天线沿探测线以等间隔横向移动时，即可在纵坐标为双程走时t(ns)、横坐标为距离x(m)的“时距”波型道的轨迹图，再沿纵向探测时，获得剖面上伪3d电磁数据，根据回波信号及其传播时间便判断电性界面的存在及其埋深，将幅度、波形参数，通过图像处理和数据分析，描述地下冬笋的深度、位置、大小、形状特征。

18、进一步地，激光扫描模块扫描时，建立坐标系，坐标原点o为激光发射器的发射处，z轴沿扫描面竖直向上，y轴为水平面内激光发射方向，x轴为垂直于yoz平面向右，构成右手坐标系统，激光扫描模块发射一束集束激光，记录激光反射回波的时间，同时获取带有坐标、色彩及物体反射率信息，建立出冬笋的三维点云数据；经过点云滤波处理后，对完整被测冬笋点云进行曲面重构，利用基于体素点云重建算法生成冬笋的三维网格模型，对三维网格模型进行渲染和可视化处理，以便更直观地展示冬笋的形态和特征。

19、进一步地，通过机器学习算法对未知的地下冬笋3d形态重建，包括读取采集的电阻率测量电压数据和探地雷达电磁数据作为输入集，读取冬笋的三维真实形态和空间位置信息作为输出集，进行清洗、标准化预处理后，划分训练集、验证集、测试集；利用卷积神经网络对输入和输出数据进行训练，建立3d形态重建模型，进行空间位置预测和3d形态预测，对于未知地下冬笋测量获得的电磁探测数据和电压探测数据，作为输入数据，输入到空间位置预测和3d形态重建模型中，预测地下冬笋的3d形态与空间位置。

20、本发明具有以下优点：

21、本发明结合电阻率法和探地雷达法的探测优势，可以适用于不同地形、不同土壤条件进行探测。通过电阻率探测、探地雷达探测、激光扫描等，可以实现地下冬笋的3d形态重建。能有效提高冬笋的探测效率、降低开采损伤率、节约人力与成本。