[发明专利]一种提取蚯蚓活动轨迹坐标序列的方法

说明书

本发明公开了一种提取蚯蚓活动轨迹坐标序列的方法，利用计算机视觉实现自动记录蚯蚓的活动轨迹坐标，并利用这些坐标计算出评估土壤质量的指标：最大挖掘深度、挖掘轨迹长度、躯体占用空间率等。该主要步骤包括搭建平台，获取蚯蚓活动的图像数据；对器皿进行三维建模，将蚯蚓置于空间坐标系中，并将模型与透视变换方法结合，对图像进行几何校正，最后通过图像处理获得代表蚯蚓的特征点坐标，对坐标进行三维匹配并计算土壤评估指标。通过本方法解决了实验室中手工绘制和记录蚯蚓活动轨迹效率低、准确性不高的问题。

技术领域

本发明属于图像处理技术领域，具体涉及一种提取蚯蚓活动轨迹坐标序列的方法。

背景技术

土壤是地表重要的组成部分，也是生态系统中不可缺失的一环。近年来，由于人口急剧增长，工业迅猛发展，越来越多的污染物不断进入土壤环境中。土壤污染不仅会使土壤质量下降，还可以通过淋溶作用污染地表水和地下水，更严重的是有些污染物会进入到生物体内，通过食物链再进入人体，严重威胁人类生命健康。因此，对土壤进行生态安全评估和预警刻不容缓。

蚯蚓是土壤中重要的生物之一。一方面，蚯蚓广泛分布于土壤环境中，对土壤污染比较敏感；另一方面，蚯蚓的挖掘作用，对土壤的各种生态条件起到了非常重要的调节作用。因此，蚯蚓常被作为评价土壤环境质量的重要指示生物之一。通过测定蚯蚓在土壤中的生态活性，比如掘穴深度、掘穴速度、掘穴长度等指标可以有效地评估土壤的受污染程度以及受污染范围。目前观察和记录蚯蚓移动情况的方法主要有手工绘制法和CT扫描蚯蚓挖穴留下的孔隙。其中手工绘制法是在两块透明玻璃板间，放置厚度约为1厘米的人工土壤，在其中放置蚯蚓培养3天，观察蚯蚓的行为和存活情况，并在透明玻璃板上绘制蚯蚓的轨迹并标记出时间。通常情况下，人工土壤是由野外挖掘的土壤和不同浓度、不同种类的污染物配比而成，这样尽可能的模仿蚯蚓最真实的生存环境，使实验结果更加真实地反映实际情况。但是采用这种方法，需要人工随时记录行为情况，后期在计算挖穴长度时，还需要手工量算，费时费力；而且该方法模拟的是二维平面下蚯蚓的运动情况，与实际蚯蚓的三维运动不符，并不能最真实地反映实际。

CT扫描空隙的方法是在透明器皿中放置不同浓度污染物的人工土壤，将蚯蚓置于其中培养，一段时间后，将器皿置于CT扫描机下扫描，这样可以获得孔隙的CT图，通过分析CT图像，可以得到非常准确的挖掘深度、蚯蚓的挖掘范围等信息，但是无法分析蚯蚓在不同时刻的行为情况，蚯蚓的挖掘速度也并不能很好地计算，除此之外，CT扫描成本高昂，对于科学研究来说，并不是经济的方法。

发明内容

为了更好地记录蚯蚓在人工土壤中的移动情况，本发明提供了一种基于计算机视觉提取视频中蚯蚓活动轨迹坐标序列的方法，能够实现利用摄像机观测蚯蚓在人工土壤中的实时运动情况并应用计算机视觉技术自动提取拍摄视频中蚯蚓的实时位置坐标，通过对位置坐标点进行空间分析，计算出评估土壤环境的重要指标，包括最大挖掘深度、挖掘轨迹长度、躯体占用空间率等。

实现本发明目的的具体技术方案是：

步骤1：利用摄像机对蚯蚓活动进行记录，获取图像数据

首先搭建平台：配置透明胶体溶液；用来模拟土壤，将透明胶体溶液盛放在透明器皿中；放置蚯蚓于器皿中并将器皿固定在整洁干净的工作台上；在器皿的正前方、正右方和正上方架设三台摄像机，分辨率在720P-1080P之间，能够近景拍摄，摄像机距离器皿20cm，架设好之后，精确调整各路视频采集时间，同时拍摄三路视频，拍摄24-36小时后，获得三组高清视频数据；计算每一组视频的平均帧率，平均帧率＝总帧数/总时长，使用平均帧率将视频转化成一帧帧的连续变化的图像，获得三组数量相同的图像数据；步骤2：对器皿进行三维空间建模，对图像进行几何校正