一种高精度的树木年轮分析方法及系统

摘要

本发明提供一种高精度的树木年轮分析方法及系统，包括：搭建树木年轮图像采集装置，获取具有重叠区域的清晰年轮图像集；对年轮图像集精确拼接，得到高分辨率的完整年轮图像；基于优化的Canny边缘检测方法提取完整年轮图像的年轮边缘；由髓心引出线段与年轮边缘相交，通过亚像素级角点检测获取交点位置，分析树木年轮径向宽度特征；根据年轮径向宽度特征，得到年轮宽度指数序列，与现有年轮年表比对，确定树木年轮的生长年份。该方法通过软件算法弥补硬件设备的不足，提高了年轮测量精度，为树木年轮分析及古建筑木构件、古代木制品等的年代测定提供技术支持，对树木年轮学研究具有十分重要的现实意义。

说明书

技术领域

本发明涉及树木年轮测量领域，尤其涉及一种高精度的树木年轮分析方法及系统。

背景技术

树木年轮忠实记录了树木生长区域的自然历史，获取完整清晰年轮对树木年轮学研究极为重要。同一气候区内同树种的不同个体，在同一时期内有相似的年轮宽窄规律，获取待测树木的年轮宽度特征，与该气候区相同树种年轮年表对应，可以实现树木年轮生长年份的准确测定。市面现有的年轮分析测量系统多利用高分辨率的扫描仪、显微镜等昂贵设备获取清晰年轮，软件基础版本实现年轮基础测量，专业版附带年代计算和分析但价格昂贵，很难应用于一般性测量。因此，亟需一种对设备要求低、测量精度高、价格合理且普适性强的年轮分析方法及系统。

相机作为生活中常见的记录影像设备，价格低且通用性强，但获取的图像边缘画质往往不如中心位置清晰，同时由于树木心材与边材在年轮宽度上有明显差异，导致相机拍摄得到的完整年轮图像出现边材的年轮边缘模糊、不易区分的问题，给年轮图像处理带来困难，阻碍了对年轮信息的准确获取，进而影响树木年轮学研究。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种高精度的树木年轮分析方法及系统。

第一方面，本发明实施例提供了一种高精度的树木年轮分析方法，包括：搭建树木年轮图像采集装置，获取具有重叠区域的清晰年轮图像集；对所述年轮图像集精确拼接，得到高分辨率的完整年轮图像；基于优化的Canny边缘检测方法提取所述完整年轮图像的年轮边缘；由髓心引出线段与所述年轮边缘相交，通过亚像素级角点检测获取交点位置，分析树木年轮径向宽度特征；根据所述年轮径向宽度特征，得到年轮宽度指数序列，与现有年轮年表比对，确定所述树木年轮的生长年份。

采用上述实现方式，可以弥补硬件设备的不足，获取清晰度高、细节丰富的完整年轮图像，通过Canny边缘检测及亚像素级交点定位，提高了年轮测量精度，为古木、活立木等的年轮分析以及古建筑木构件、古代木制品等的年代测定提供技术支持，对树木年轮学研究具有十分重要的现实意义。

结合第一方面，在第一方面第一种可能的实现方式中，所述树木年轮图像采集装置搭建灵活，可由工业相机、成像镜头、图像采集软件、XYZ移动平台和计算机搭建，也可由数码相机和工作高度合适的三脚架组合而成。

结合第一方面，在第一方面第二种可能的实现方式中，所述具有重叠区域的清晰年轮图像集的获取方式为：通过锯切法、生长锥法获取树木年轮样本，使用不同粒度的砂纸打磨样本获得清晰的年轮轮廓，基于搭建的所述树木年轮图像采集装置，使用所述XYZ移动平台或不同光学变焦倍数的镜头获取多幅具有重叠区域的清晰年轮局部图像，组成所述清晰年轮图像集。

结合第一方面第二种可能的实现方式，在第一方面第三种可能的实现方式中，获取所述清晰年轮图像集同时，将棋盘格标定板放在树木年轮平面，采集棋盘格图像进行相机标定，用于建立成像几何模型并矫正透镜畸变。

结合第一方面，在第一方面第四种可能的实现方式中，所述清晰年轮图像集为多幅具有重叠区域的无序图像，其拼接过程为依次配准、组合拼接：首先，选取所述年轮图像集中第一幅图像(年轮位置随机)作为参考图像，其余各图像依次与其配准，一次拼接成功后，所述参考图像更新为新生成的拼接图像；未参与过拼接的其余各图像依次与更新后的所述参考图像配准，一次拼接成功后，所述参考图像以相同方式继续更新；以此类推，直至所述清晰年轮图像集中所有图像拼接完成。

结合第一方面第四种可能的实现方式，在第一方面第五种可能的实现方式中，所述清晰年轮图像集中未参与过拼接的待拼接图像与不断更新的所述参考图像间的两两拼接采取由“粗”到“精”快速精确的配准方式：首先，矫正所述清晰年轮图像集中图像畸变，提取两幅图像的特征点进行初步匹配，得到所述两幅图像的粗匹配点对；然后，在粗匹配的基础上剔除不正确的匹配点，获取优秀的匹配点对进行所述两幅图像精配准；最后，找到最佳缝合线完成所述两幅图像融合，实现清晰年轮图像间的快速精确拼接。

结合第一方面第四种可能的实现方式，在第一方面第六种可能的实现方式中，所述年轮图像集精确拼接得到一幅完整的年轮拼接图像，所述完整年轮图像的分辨率和清晰度均高于所述树木年轮图像采集装置获取的任一完整的年轮图像。

结合第一方面，在第一方面第七种可能的实现方式中，所述完整年轮图像包含丰富的年轮信息，所述年轮边缘的提取采用优化的Canny边缘检测方法：首先使用双边滤波、中值滤波算法去除所述完整年轮图像的噪声，平滑的同时保留年轮边缘信息；然后对滤波后的所述完整年轮图像灰度化处理，结合使用阈值分割与Canny边缘检测算法，剔除不必要的干扰信息，得到像素级的年轮边缘。

结合第一方面，在第一方面第八种可能的实现方式中，所述年轮径向宽度特征分析之前，需由髓心引出一条线段与所述年轮边缘相交，通过亚像素级角点检测获取交点位置；根据交点数目n、交点坐标P

结合第一方面，在第一方面第九种可能的实现方式中，根据所述年轮径向宽度特征，对年轮宽度序列进行曲线拟合，去除生长因子、个体因子造成的树木生长波动，标准化得到年轮宽度指数序列，与现有同气候区同树种年轮年表比对，确定所述树木年轮的生长年份。

第二方面，本发明实施例提供了一种高精度的树木年轮分析系统，所述系统包括：图像获取模块，用于读取树木年轮图像采集装置获取的具有重叠区域的清晰年轮图像集；图像处理模块，用于对所述年轮图像集精确拼接，得到高分辨率的完整年轮图像，并基于优化的Canny边缘检测方法提取所述完整年轮图像的年轮边缘；年轮分析模块，用于分析树木年轮径向宽度特征，先由髓心引出一条线段与所述年轮边缘相交，通过亚像素级角点检测获取交点位置，根据交点数目n、交点坐标P

结合第二方面，在第二方面第一种可能的实现方式中，所述图像处理模块包括：第一处理单元，用于所述清晰年轮图像集精确拼接，得到高分辨率的完整年轮图像，其中对所述清晰年轮图像集采取由“粗”到“精”快速精确的配准方式和依次配准、组合拼接的拼接过程，实现清晰年轮图像的快速精确拼接，得到一幅高分辨率、高清晰度、完整的年轮图像；第二处理单元，用于基于优化的Canny边缘检测方法提取所述完整年轮图像的年轮边缘，其中先使用双边滤波、中值滤波算法去除所述完整年轮图像的噪声，平滑的同时保留年轮边缘信息，再对滤波后的所述完整年轮图像灰度化处理，结合使用阈值分割与Canny边缘检测算法，剔除不必要的干扰信息，得到像素级的年轮边缘。

第三方面，本发明实施例提供了一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现如上述任一种所述高精度的树木年轮分析方法的步骤。

附图说明

为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明提供的高精度的树木年轮分析方法的流程示意图；

图2是本发明提供的高精度的树木年轮分析系统的结构示意图；

图3是本发明提供的电子设备的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

下面结合图1-图3描述本发明的高精度的树木年轮分析方法及系统。

图1是本发明提供的高精度的树木年轮分析方法的流程示意图，如图1所示，该方法包括：

S101，搭建树木年轮图像采集装置，获取具有重叠区域的清晰年轮图像集。

本实施例中，所述树木年轮图像采集装置搭建灵活，可由工业相机、成像镜头、图像采集软件、XYZ移动平台和计算机搭建，也可由数码相机和工作高度合适的三脚架组合而成。

所述具有重叠区域的清晰年轮图像集的获取方式为：通过锯切法、生长锥法获取树木年轮样本，使用不同粒度的砂纸打磨样本获得清晰的年轮轮廓，基于搭建的所述树木年轮图像采集装置，使用所述XYZ移动平台或不同光学变焦倍数的镜头获取多幅具有重叠区域的清晰年轮局部图像，组成所述清晰年轮图像集。

获取所述清晰年轮图像集同时，将棋盘格标定板放在树木年轮平面，采集棋盘格图像进行相机标定，用于建立成像几何模型并矫正透镜畸变。

S102，对所述年轮图像集精确拼接，得到高分辨率的完整年轮图像。

具体地，所述清晰年轮图像集为多幅具有重叠区域的无序图像，其拼接过程为依次配准、组合拼接：首先，选取所述年轮图像集中第一幅图像(年轮位置随机)作为参考图像，其余各图像依次与其配准，一次拼接成功后，所述参考图像更新为新生成的拼接图像；未参与过拼接的其余各图像依次与更新后的所述参考图像配准，一次拼接成功后，所述参考图像以相同方式继续更新；以此类推，直至所述清晰年轮图像集中所有图像拼接完成。

进一步地，所述清晰年轮图像集中未参与过拼接的待拼接图像与不断更新的所述参考图像间的两两拼接采取由“粗”到“精”快速精确的配准方式：首先，矫正所述清晰年轮图像集中图像畸变，提取两幅图像的特征点进行初步匹配，得到所述两幅图像的粗匹配点对；然后，在粗匹配的基础上剔除不正确的匹配点，获取优秀的匹配点对进行所述两幅图像精配准；最后找到最佳缝合线完成所述两幅图像融合，实现清晰年轮图像间的快速精确拼接。

所述年轮图像集精确拼接得到一幅完整的年轮拼接图像，所述完整年轮图像的分辨率和清晰度均高于所述树木年轮图像采集装置获取的任一完整的年轮图像。

S103，基于优化的Canny边缘检测方法提取所述完整年轮图像的年轮边缘。

其中，所述完整年轮图像包含丰富的年轮信息，所述年轮边缘的提取采用优化的Canny边缘检测方法：首先使用双边滤波、中值滤波算法去除所述完整年轮图像的噪声，平滑的同时保留年轮边缘信息；然后对滤波后的所述完整年轮图像灰度化处理，结合使用阈值分割与Canny边缘检测算法，剔除不必要的干扰信息，得到像素级的年轮边缘。

S104，由髓心引出线段与所述年轮边缘相交，通过亚像素级角点检测获取交点位置，分析树木年轮径向宽度特征。

具体地，先由髓心引出一条线段与所述年轮边缘相交，通过亚像素级角点检测获取交点位置，根据交点数目n、交点坐标P

S105，根据所述年轮径向宽度特征，得到年轮宽度指数序列，与现有年轮年表比对，确定所述树木年轮的生长年份。

根据所述年轮径向宽度特征，对年轮宽度序列进行曲线拟合，去除生长因子、个体因子造成的树木生长波动，标准化得到年轮宽度指数序列，与现有同气候区同树种年轮年表比对，确定所述树木年轮的生长年份。

本发明实施例提供的高精度的树木年轮分析方法，可以弥补硬件设备的不足，获取清晰度高、细节丰富的完整年轮图像，通过Canny边缘检测及亚像素级交点定位，提高了年轮测量精度，为树木年轮分析及古建筑木构件、古代木制品等的年代测定提供技术支持。

与上述实施例提供的一种高精度的树木年轮分析方法相对应，本发明还提供了一种高精度的树木年轮分析系统的实施例。图2是本发明提供的高精度的树木年轮分析系统的结构示意图，如图2所示，该高精度的树木年轮分析系统20包括：图像获取模块201、图像处理模块202、年轮分析模块203和年轮定年模块204。

图像获取模块201，用于读取树木年轮图像采集装置获取的具有重叠区域的清晰年轮图像集；图像处理模块202，用于对所述年轮图像集精确拼接，得到高分辨率的完整年轮图像，并基于优化的Canny边缘检测方法提取所述完整年轮图像的年轮边缘；年轮分析模块203，用于分析树木年轮径向宽度特征，先由髓心引出一条线段与所述年轮边缘相交，通过亚像素级角点检测获取交点位置，根据交点数目n、交点坐标P

进一步地，所述图像处理模块202包括：第一处理单元和第二处理单元。

第一处理单元，用于所述清晰年轮图像集精确拼接，得到高分辨率的完整年轮图像，其中对所述清晰年轮图像集采取由“粗”到“精”快速精确的配准方式和依次配准、组合拼接的拼接过程，实现清晰年轮图像的快速精确拼接，得到一幅高分辨率、高清晰度、完整的年轮图像。

第二处理单元，用于基于优化的Canny边缘检测方法提取所述完整年轮图像的年轮边缘，其中先使用双边滤波、中值滤波算法去除所述完整年轮图像的噪声，平滑的同时保留年轮边缘信息，再对滤波后的所述完整年轮图像灰度化处理，结合使用阈值分割与Canny边缘检测算法，剔除不必要的干扰信息，得到像素级的年轮边缘。

本发明实施例提供的系统实施例是为了实现上述各方法实施例的，具体流程和详细内容请参照上述方法实施例，此处不再赘述。

图3是本发明提供的电子设备的结构示意图，如图3所示，该电子设备30可以包括：处理器(processor)301、通信接口(Communications Interface)302、存储器(memory)303和通信总线304。处理器301，通信接口302，存储器303通过通信总线304完成相互间的通信。处理器301可以调用存储器303中的逻辑指令，以执行高精度的树木年轮分析方法，包括：读取树木年轮图像采集装置获取的具有重叠区域的清晰年轮图像集；对所述年轮图像集精确拼接，得到高分辨率的完整年轮图像；基于优化的Canny边缘检测方法提取所述完整年轮图像的年轮边缘；由髓心引出线段与所述年轮边缘相交，通过亚像素级角点检测获取交点位置，分析树木年轮径向宽度特征；根据所述年轮径向宽度特征，得到年轮宽度指数序列，与现有年轮年表比对，确定所述树木年轮的生长年份。

此外，上述的存储器303中的逻辑指令可以通过软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

另一方面，本发明还提供一种计算机程序产品，所述计算机程序产品包括存储在非暂态计算机可读存储介质上的计算机程序，所述计算机程序包括程序指令，当所述程序指令被计算机执行时，计算机能够执行上述各方法所提供的高精度的树木年轮分析方法，包括：读取树木年轮图像采集装置获取的具有重叠区域的清晰年轮图像集；对所述年轮图像集精确拼接，得到高分辨率的完整年轮图像；基于优化的Canny边缘检测方法提取所述完整年轮图像的年轮边缘；由髓心引出线段与所述年轮边缘相交，通过亚像素级角点检测获取交点位置，分析树木年轮径向宽度特征；根据所述年轮径向宽度特征，得到年轮宽度指数序列，与现有年轮年表比对，确定所述树木年轮的生长年份。

又一方面，本发明还提供一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现以执行上述各实施例提供的高精度的树木年轮分析方法，包括：读取树木年轮图像采集装置获取的具有重叠区域的清晰年轮图像集；对所述年轮图像集精确拼接，得到高分辨率的完整年轮图像；基于优化的Canny边缘检测方法提取所述完整年轮图像的年轮边缘；由髓心引出线段与所述年轮边缘相交，通过亚像素级角点检测获取交点位置，分析树木年轮径向宽度特征；根据所述年轮径向宽度特征，得到年轮宽度指数序列，与现有年轮年表比对，确定所述树木年轮的生长年份。

以上所描述的系统实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。

通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。