一种快速剔除伪分枝的作物行骨架提取算法

作物行骨架线的提取是机器视觉导航的基础,准确提取作物行骨架也是精准施药系统中一个至关重要的研究方向。为了克服传统骨架提取算法中的背景单一、存在较多的冗余分支及不连续等缺点,以农田作物行为研究对象,提出一种形态学细化和伪分支剔除相结合的实用型骨架提取算法。首先对采集到的作物行原图像通过灰度、滤波、阈值分割操作使其转化为二值图像;然后将二值化后的作物行图像先细化为单像素宽度的骨架线,再采用端点追踪法追踪伪分支骨架,而后剔除追踪的毛刺或无关枝杈,保证了骨架的单一性和圆滑性,提高了作物行检测的精度。通过与拓扑细化法和最大圆盘骨架提取算法比较,本文算法不但在去除冗余骨架的同时能保持自身良好的拓扑性和稳定性,而且能去除多余的毛刺状分支,同时表明该算法具有较强的稳定性和抗干扰能力。     

基于CT图像的土壤孔隙结构重构

土壤孔隙的几何结构和空间特征决定了土壤的透气性和保水性,对土壤功能多样性和生态修复具有重要影响,但现有对土壤孔隙的研究中,缺乏可直观性和定量性对孔隙特征进行描述的工具和方法。针对这一问题,本文采用基于面绘制的移动立方体法(Marching cubes, MC)和基于体绘制的光线投射法(Ray casting, RC)还原土壤孔隙的几何形态和空间分布。以单个孔隙和不同孔隙密集程度的土壤孔隙CT图像为应用对象进行实验,结果表明,2种算法的重构效果均不受土壤样本孔隙密集程度的影响。其中,MC算法重构出的孔隙结构存在边界锯齿化和缺失的现象,且其孔隙体积也小于实际情况;而RC算法重构的孔隙轮廓清晰,结构真实,可完整地呈现出孔隙结构的细节信息。为进一步评价2种算法的重构性能,采用模型品质、绘制速度和内存消耗3个指标进行实验结果的比较分析。结果表明,MC算法存在二义性的不足,使得孔隙结构存在一定程度的失真,重构的孔隙模型质量一般,但由于其只针对表面体素进行重构,因而具有较快的绘制速度和较小的内存消耗;而RC算法采用为每个体素分配不透明度和光强的方法来合成模型,避免了MC算法的缺点,能够保持孔隙模型的细节信息,但由于其重构过程中所有体素点都参与运算,使得其绘制速度较慢,内存占用较大。通过对模型品质、绘制速度和内存消耗3个指标的综合分析,RC算法更加适用于土壤孔隙的三维重构,不仅为土壤孔隙的可视化分析提供了一种较为先进的方法,也为研究土壤水分和养分的运移以及空气的交换奠定了技术基础。     

基于距离变换法的机械零件三维模型检索

为实现设计重用,需对已有设计实例进行检索。提出基于距离变换的零件骨架提取方法。将机械零件网格化划分体素,通过距离变换法给各个体素赋值,并且得到机械零件骨架图,所提取的骨架表达了零件模型的形状和拓扑结构特征。计算骨架的相似度,得到机械零件的相似度。此方法已被实验证明能迅速高效地检索出相似的机械零件三维模型。     

皮棉中异性纤维骨架快速提取算法

提出了一种皮棉中异性纤维骨架提取算法.首先对图像进行距离变换,以距离图中的局部极大值点作为种子点,沿着各个方向上的脊点推进骨架,从而以脊线连接各局部极大值点.扫描骨架点集,对骨架进行细化,剔除对骨架连通性不起作用的重复点.之后,对伪骨架段进行剪枝,最终得到准确的骨架.该方法得到的骨架具有良好的单像素性和连通性,同时对于细长状以及存在断续的异性纤维能进行准确的骨架提取.实验表明,算法的运算复杂度低,能实现异性纤维骨架的快速提取.     

皮棉中异性纤维骨架快速提取算法

提出了一种皮棉中异性纤维骨架提取算法。首先对图像进行距离变换,以距离图中的局部极大值点作为种子点,沿着各个方向上的脊点推进骨架,从而以脊线连接各局部极大值点。扫描骨架点集,对骨架进行细化,剔除对骨架连通性不起作用的重复点。之后,对伪骨架段进行剪枝,最终得到准确的骨架。该方法得到的骨架具有良好的单像素性和连通性,同时对于细长状以及存在断续的异性纤维能进行准确的骨架提取。实验表明,算法的运算复杂度低,能实现异性纤维骨架的快速提取。     

利用最大圆盘提取作物行骨架的改进算法

作物行骨架线提取的精准度是农业机械自动导航的关键,针对传统作物行骨架线提取算法存在的连通性差、无法保持单一像素以及存在冗余像素等问题,提出一种利用最大圆盘提取作物行骨架的改进算法。首先采用预处理操作对作物行图像进行二值化处理,然后对二值作物行图像进行细化,在细化过程中通过引入欧氏距离寻找其中点的方法保持骨架的连通性,同时采用追踪扫描的方法有效地对冗余像素进行剔除,提高骨架的拓扑结构能力。实验结果表明,该方法对成行作物具有很好的适应性,且提取的骨架线更准确,与传统的算法相比,采用本文算法提取的骨架拟合后的导航线误差相对较小,能满足实际应用需求。     

基于CT扫描技术的土壤孔隙定量表达优化

现有土壤孔隙量化方法主要通过图像处理软件实现孔隙结构的辨识与分析,此类通用的图像处理软件或医学处理软件未考虑土壤内部物质的复杂多变性以及孔隙结构的细小和不规则性,从而导致孔隙分割精度低进而量化误差大,为解决这一问题,本文针对土壤CT图像的特点提出了一种孔隙量化方法。该方法主要包括图像处理和量化分析两部分:选用自适应中值滤波算法去除噪声对孔隙边缘的影响,并采用迭代最佳阈值法与Canny边缘检测算子相结合的方法,准确识别出土壤孔隙结构及轮廓线;运用数学统计方法定量研究土壤孔隙率、孔隙数目、分形维数、成圆率等几何指标,用以揭示孔隙结构的复杂性和不规则性,实现对土壤孔隙的量化分析。最后,以冻融循环作用下的土壤为应用对象验证该方法性能。结果表明,本文方法能精确地定位孔隙轮廓,有效地分割孔隙结构,而且通过多种孔隙几何指标的量化可揭示出冻融循环作用对土壤结构的影响,为孔隙几何特征和空间特征的量化表达奠定了基础。     

基于CT扫描的滨海土壤孔隙空间网络表征与渗流模拟

以江苏省沿海地区不同围垦区剖面土层原状土样为研究对象,基于CT扫描技术,通过构建孔隙网络模型,对土壤孔隙分布及其拓扑关系进行定量表征,统计分析了土壤孔喉参数,包括孔径分布、配位数、喉道半径及喉道长度;运用提取的孔隙网络实现土壤中单相水的渗流模拟,分析土壤的绝对渗透系数（饱和导水率）及其主要影响因素。结果表明,围垦活动对改良土壤孔隙活动起到积极作用,随围垦年限的增加,连通孔隙的半径范围、平均配位数、喉道半径趋于增大,喉道长度趋于减小;浅层土壤的孔隙结构较为良好。单相水模拟中,模拟计算的土壤绝对渗透系数和试验测定的饱和导水率结果吻合度较好,呈现出一致的变化规律。灰色关联度显示喉道半径对土壤渗透性能的影响最大。     

基于灰度-梯度特征的改进FCM土壤孔隙辨识方法

土壤孔隙的拓扑结构决定了土壤水分保持和传导能力,对土壤生态过程与功能具有重要影响,但现有土壤孔隙辨识方法存在孔隙边界判别不准确和运行效率较低的问题。为解决这一问题,提出一种基于土壤CT图像灰度-梯度特征的改进模糊C均值(GFFCM)孔隙辨识方法。该方法利用拉普拉斯算子建立灰度-梯度二维特征矩阵,并结合土壤相关先验知识分区构造初始隶属度矩阵和确定聚类数目;然后,基于初始条件实现土壤结构的模糊划分;最后,运用孔隙辨识准则对模糊聚类结果进行优化,完成土壤孔隙结构的精准辨识。以非饱和土壤CT图像为应用对象验证孔隙辨识方法的性能,通过与传统FCM法、快速FCM法(FFCM)的比较,表明GFFCM法有效克服了传统FCM法在隶属度矩阵和聚类数目初始化的不足,解决了初始值制约辨识精确度的问题,在保证孔隙辨识精度的前提下具有较高的执行效率。     

基于点云数据的树木三维重建方法改进

激光点云数据以其详尽、高精度的三维信息,在森林参数估算、精确重建植物形态结构三维模型方面具有特殊优势。为进一步提高三维模型精度,综合集成多种算法,在改进现有PC2Tree软件基础上,基于点云数据进行树木三维重建。首先根据树木局部点云的主方向相似度和局部点云轴向分布密度分离枝干与树叶;其次采取水平集和最小二乘法提取枝干部分的骨架点,通过下采样方法提取冠层部分的特征点;最后根据骨架点和特征点拓扑结构重构树木三维模型。以樟树为例,分析枝叶分割精度,自动分割与手动分割结果相近;以无叶的鸡蛋花树为例,分析重建模型精度,模型主枝长度相对误差范围集中在0~8.0%,半径相对误差范围集中在0~10%;枝条重建过程避免了噪声点的干扰,对噪声点具有一定的不敏感性;重建三维模型与原始点云吻合度高,基本解决了冠层内部枝干遮挡严重带来的三维建模困难的问题;依据模型提取树高、冠幅、胸径、体积等参数,增加了重建模型的应用范围。     

Image processing-based study of soil porosity and its effect on water movement through Andosol intact columns

The soil pore network and marcoporosity are important factors affecting water and solute transport. The transfer of contaminants to water resources is of particular importance in the Valle de Bravo watershed as it provides 10% of the drinking water for the 20 million inhabitants of Mexico City. This watershed is composed mainly of Andosols with unique mineralogical and physical characteristics. Soil porosity is usually examined on thin sections, using various image analysis techniques. We propose a novel methodology combining image analysis and a displacement experiment to study relationships between soil structure and water tracer transport parameters. H₂¹⁸O displacement experiments were conducted through intact soil columns sampled at three depths from a representative cultivated Andosol profile. The soil structure and pore characteristics were obtained by image analysis on thin sections obtained from each column at the end of the displacement experiment. The total 2D porosity (for pores larger than 50 μm) varied from 80% of the total section area in the topsoil to around 60% in the subsoil. Tubular pores were the most abundant in the soil profile, but ploughing of the topsoil had destroyed sections of these pores and replaced them with packing pores. Water transport in the intact subsoil columns was always in physical non-equilibrium, showing the existence of preferential flow pathways. In the topsoil, one column out of three showed no preferential flow, demonstrating that soil ploughing also homogenised pore connections. Pore connectivity was larger in the ploughed topsoil than in their deeper soil horizon counterparts. Our methodology offers a 2D quantitative characterisation of the macroporous network at 50 μm resolution and the determination of water transport parameters on the same intact soil samples. 3D characterisation of soil porosity using X-ray computed tomography (CT) gives a better picture of pore connection but usually has lower spatial resolution and a larger cost.     

柑橘采摘机器人障碍物识别技

根据柑橘采摘机器人遇到树枝等障碍物的特点,通过提取和处理障碍物图像的骨架恢复障碍物的三维信息.首先采用图像分割、形态学处理、区域细线化等步骤提取障碍物骨架,并进行骨架修剪、恢复遮挡骨架等处理;然后找出骨架中端点、分支点等特征点并记录其连接关系;最后通过对特征点的立体匹配恢复障碍物的三维信息,试验表明障碍物的正确识别率为67.3%.     

基于分层聚类和拓扑连接模型的点云自适应简化

激光扫描测量在大尺寸海量点云数据采集中具有显著的优势,针对海量高密度线扫描点云采样中普遍存在的采样效率低、曲率适应性差的问题,在初始分层聚类建立K邻域的基础上,通过分析线状点云的空间几何特征,提出了线扫描点云矢量边对衍生算法,建立了拓扑连接模型;研究了基于线扫描点云特征参数的局部法矢加权系数计算方法,估算了拓扑结构中任意数据内点的局部法矢;构建了以法矢方差为细分准则的非均匀细分模型,实现了对高曲率初始类的非均匀细分。通过试验验证了算法的实用性。     

Effects of water application intensity, drop size and water application amount on the characteristics of topsoil pores under sprinkler irrigation

Field experiments were carried out to study the effects of sprinkler irrigation on the characteristics of topsoil pores. Total soil porosity, capillary porosity, air-space porosity and porosities of different pore shapes were analyzed using images analysis of thin sections of soil samples. The experimental treatments included five water application intensities (5.3, 7.7, 11.0, 15.0 and 20.7 mm/h), five drop diameters (0.76, 1.28, 1.92, 3.18, 4.19 mm) and five water application amounts (9.0, 23.6, 37.5, 49.6, 59.4 mm). The compounding sprinkler system was used in the experiments of water application intensity and single sprinkler was used in the experiments of drop size and water application amount. The total porosity, air-space porosity and porosities of elongated pores have the similar decreasing tendency and pattern when water application intensity, drop diameter or water application amount increase. Capillary porosity, porosities of round and irregular pores have no obvious changing tendency. The decreasing porosities of the elongated pores and macropores are the main reasons for the decreasing of total porosity under sprinkler irrigation. To maintain soil structure in good conditions, the reasonable parameters would be considered for water application intensity, drop diameter and water application amount.     

冻融循环恢复土壤压实过程中大孔隙作用研究

农机压实土壤的问题很难避免，而农田压实土壤的结构恢复至关重要，冻融循环是恢复压实土壤的有效方法。为了研究冻融循环+大孔隙对恢复压实土壤的作用，通过室内试验重塑压实土壤及人工孔隙措施模拟大孔隙，在不同土壤含水率条件下设计不同的冻融循环次数，利用温度传感器监测土壤温度波动，同时对比冻融循环前后压实土壤孔隙与团聚体参数的变化。结果表明，冻融循环过程中，有人工孔隙压实土壤在高、低两种含水率条件下，分别在第3次和第2次冻融循环时开始大幅温度波动，相同含水率条件下无人工孔隙的压实土壤温度大幅波动则出现在第7次和第4次冻融循环，经历多次冻融循环后，有人工孔隙压实土壤的团聚体平均尺度、结构系数等参数均优于无人工孔隙的压实土壤。人工孔隙可通过调节土壤温度波动改变冻融循环在土壤中的作用强度，加速压实土壤结构恢复进程，冻融循环+大孔隙策略是改善土壤孔隙及团聚体结构的有效措施。     

亚表层有机培肥调控盐渍土孔隙结构与水盐运移机制

为探明亚表层有机培肥结合地膜覆盖对土壤孔隙结构及其水盐运移的调控机制,以内蒙古河套灌区典型盐渍土为研究对象,设置了地表不覆膜(CK)、地膜每年覆盖(PM)和亚表层单次有机培肥+地膜每年覆盖(OMP)3个处理,3年后采用X射线CT扫描和图像处理技术获取了部分亚表层(15 ～21 cm)与深层(35 ～41 cm)土壤孔隙...