一种基于二维激光传感器实时测算果树冠层体积的方法技术

本发明专利技术属于现代农业技术领域，公开了一种基于二维激光传感器实时测算果树冠层体积的方法；使用二维激光传感器获取树木的点云数据，将每两帧之间相邻的三个点按一定规律连接，生成不规则三角网，然后将表面的三角形投影到平行于激光传感器前进方向、经过树干中心线垂直于地面的截面上，获得以不规则三棱柱为基础的冠层分割模型，将所有三棱柱体积相加，近似为果树冠层体积。本发明专利技术相较于传统的长方体分割方法，测量精度更高，并且处理速度快，实时性好，可以实时为自动仿形喷雾(喷药、叶面肥喷施)的风量和喷雾量提供变量处方，也可用于果树产量估测和变量施肥。

A Real-time Measuring Method of Fruit Tree Canopy Volume Based on Two-dimensional Laser Sensor

The invention belongs to the field of modern agricultural technology, and discloses a method for real-time measurement of canopy volume of fruit trees based on two-dimensional laser sensor; uses two-dimensional laser sensor to obtain point cloud data of trees, connects three adjacent points between two frames according to certain rules, generates irregular triangular network, and then projectes the triangle of the surface to the direction parallel to the laser sensor. A canopy segmentation model based on irregular triangular prisms was obtained by crossing the trunk center line perpendicular to the cross section of the ground. The volume of the three prisms was added up to approximate the canopy volume of fruit trees. Compared with the traditional cuboid segmentation method, the invention has higher measuring accuracy, faster processing speed and better real-time performance, and can provide variable prescriptions for air volume and spray volume of automatic profiling spray (spraying and foliar fertilizer spraying), and can also be used for yield estimation and variable rate fertilization of fruit trees.

【技术实现步骤摘要】
一种基于二维激光传感器实时测算果树冠层体积的方法
本专利技术属于现代农业
，尤其涉及一种基于二维激光传感器实时测算果树冠层体积的方法。
技术介绍
目前，业内常用的现有技术是这样的：农药的高效利用对果园病虫害防控、优质高产、环境保护等方面具有重要的意义，但是由于我国农业机械化起步较晚，大部分农村地区依然使用手动式、踏板式喷雾机，这种作业方式对靶标区的果树施药效果较差，不仅无法达到预期的防治效果，而且造成大量的农药浪费，污染土壤和水体。因此，自动对靶喷雾技术的发展对提升我国果园植保施药技术与装备水平具有重要指导意义。自动对靶技术已经较为完善，靶标探测主要用到超声波传感器、红外线传感器、CCD图像传感器、激光传感器四种方式。其中激光传感器识别精度高，扫描速度快，可以检测到靶标的体积、轮廓等信息特征，为喷雾机提供精确的变量处方，受到了国内外学者的广泛关注。基于变量喷雾的果园自动仿形喷雾机通常使用长方体分割法来构建冠层模型，将果树冠层离散为多个小长方体，所有长方形体积相加，近似为果树冠层体积。如图2所示为单个长方体体积测算的原理图，x轴方向为激光传感器前进方向，y轴方向为朝向植株方向，z轴方向为垂直于地面方向，当激光扫描仪行进至点P时，扫描到点A，Ya为D点在y轴上的坐标，表示传感器到果树外缘A点的水平距离值，Dp为传感器到果树中心线的水平距离值，果树外缘A点的冠层厚度w＝Dp-Ya，纵向分割单元的高度h为上一个扫描点与A点z值之差，宽度为s＝v·t，v为喷雾机的前进速度，t为传感器的扫描周期，可得单个分割单元的体积V＝s·h·w，将所有分割单元的体积相加，近似为果树冠层的总体积。该分割方法误差较大，准确性较差。综上所述，现有技术存在的问题是：现有的果树冠层体积测算方法存在误差较大，准确性较差。
技术实现思路
针对现有技术存在的问题，本专利技术提供了一种基于二维激光传感器实时测算果树冠层体积的方法。本专利技术是这样实现的，一种基于二维激光传感器实时测算果树冠层体积的方法，所述基于二维激光传感器实时测算果树冠层体积的方法使用二维激光传感器获取树木的点云数据；将每两帧之间相邻的三个点按一定规律连接，生成不规则三角网；将表面的三角形投影到平行于激光传感器前进方向、经过树干中心线垂直于地面的截面上，获得以不规则三棱柱为基础的冠层分割模型，将所有三棱柱体积相加，近似为果树冠层体积。进一步，所述基于二维激光传感器实时测算果树冠层体积的方法具体包括：步骤一、设置激光传感器的工作参数，包括扫描角分辨率，扫描频率，角度范围等，然后设置传感器到果树树干的水平距离Dp；步骤二、开始扫描，接收并处理传感器返回的点云数据。步骤三、判断扫描区域内是否存在靶标，若存在，执行步骤四；若不存在，执行步骤二；步骤四、判断是否检测到树干，若是，计算扫描仪到树干的水平距离，保存为Dp，执行步骤五；若否，执行步骤六；步骤五、使用获取到的点云数据建立三角网格模型；步骤六、使用步骤五获得的三角网格模型和Dp计算果树体积，之后执行步骤二。进一步，所述步骤二中，激光扫描仪返回的测量数据是以字符串的形式传输的，数据处理软件需要对传输回来的字符串数据进行解析、缓冲，进行相关的处理；返回的测量数据是极坐标数据，首先将扫描数据由极坐标系转换到直角坐标系：Xi＝v·t；Yi＝licosθ；Zi＝lisinθ；其中，坐标原点为扫描仪的初始位置，x轴方向为激光传感器前进方向，y轴方向为水平朝向植株方向，z轴方向为垂直于地面方向，Xi、Yi、Zi为第i个扫描点在直角坐标系上的坐标值，li为扫描仪到第i个扫描点的直线距离，θ为第i个扫描点的扫描角度，v为激光传感器行进速度，t为行进时间。进一步，所述步骤四中判断是否检测到树干及计算扫描仪到树干的水平距离的过程具体包括：(1)检测树干需要对所有扫描点进行分析，集合其中n表示扫描帧数，Nj表示第j帧是否为树干帧的标识，Nj＝0表示该帧没有树干，Nj＝1表示该帧有树干；根据初始设定的扫描角度范围β，角度分辨率α，计算，得单帧扫描点数为：计算判断j为整数是否成立；若成立，则第i个扫描点是第j帧的第一个扫描点，设定Nj＝0；若不成立，继续下一个扫描点的判断；(2)阈值S＝20mm，求扫描点i和扫描点i-1在y轴方向上的差值：n＝|Yi-Yi-1|；判断n＜S是否成立，若成立，认定i点与i-1点连续，继续下一个扫描点的判断；否则，认定该点集结束，点i-1是该点集的结束点，建立新的点集，以i点为初始点，继续下一个扫描点的判断；(3)阈值果树树干高度为ltree＝200mm，对每个扫描点集的初始点和终止点进行如下计算：|Zstart-Zend|＞ltree；若上述不等式成立，表明该扫描点集为树干扫描点集，求得更改Nj＝1，执行(4)；反之，表明该扫描点集不是树干扫描点集，继续下一个扫描点的判断；(4)判断该帧的上一帧Nj-1＝0是否成立，若成立，则该帧为树干的起始帧，取该树干点集的y轴平均值为Dp，表示扫描仪到树干的水平距离，认定为检测到树干；反之，认定为未检测到树干。进一步，所述步骤五中获取到的点云数据建立三角网格模型的过程具体包括：(1)根据初始设定的扫描角度范围β，角度分辨率α，计算可得单帧扫描点数为：(2)对于第i个扫描点，判断是否成立，若否，继续扫描；若是，执行(3)；(3)对于第i个扫描点，判断i％num≠0是否成立，若否，继续下一个扫描点的判断；若是，执行(4)；(4)阈值T＝500mm，判断Yi-1＞T、Yi-num＞T、Yi-num-1＞T、Yi-1-Dp＞0、Yi-num-Dp＞0、Yi-num-1-Dp＞0是否同时成立，若是，将i-1、i-num、i-num-1三点相连，组成三角形；若否，舍去该三角形；(5)设定阈值T＝500mm，判断Yi＞T、Yi-1＞T、Yi-num＞T、Yi-Dp＞0、Yi-1-Dp＞0、Yi-num-Dp＞0是否同时成立，若是，将i、i-1、i-num三点相连，组成三角形，继续下一个扫描点的判断；若否，舍去该三角形，继续下一个扫描点的判断。进一步，所述步骤六中将所有三角形投影到平行于激光传感器前进方向、经过树干中心线垂直于地面的截面上，获得以不规则三棱柱为基础的冠层分割模型；已知每个三角形顶点的三维坐标值，和激光传感器到该截面的水平距离，可以求得不规则三棱柱的棱长，进而求出每个三棱柱的体积，将所有三棱柱体积相加，近似为果树冠层体积。综上所述，本专利技术的优点及积极效果为：本专利技术基于不规则三棱柱的冠层分割方法比之现有技术误差更小、准确性更高。现有果树仿形喷雾机大多使用初始设定的传感器到果树树干的水平距离来计算冠层体积；本专利技术通过动态识别果树树干的方法计算树冠厚度，计算出果树冠层体积，可以有效降低因果树栽种不齐、喷雾机行进不直所带来的误差。本专利技术提出的算法处理速度快，实时性好，可以实时为自动仿形喷雾(喷药、叶面肥喷施)的风量和喷雾量提供变量处方，也可用于果树产量估测和变量施肥。附图说明图1是本专利技术实施例提供的基于二维激光传感器实时测算果树冠层体积的方法流程图。图2是本专利技术实施例提供的基于二维激光传感器实时测算果树冠层体积的方法实现流程图。图3是本专利技术实施例提供的基于长方体模型的冠层分割方法原理示意图。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于二维激光传感器实时测算果树冠层体积的方法，其特征在于，所述基于二维激光传感器实时测算果树冠层体积的方法使用二维激光传感器获取树木的点云数据；将每两帧之间相邻的三个点按一定规律连接，生成不规则三角网；将表面的三角形投影到平行于激光传感器前进方向、经过树干中心线垂直于地面的截面上，获得以不规则三棱柱为基础的冠层分割模型，将所有三棱柱体积相加，近似为果树冠层体积。

【技术特征摘要】
1.一种基于二维激光传感器实时测算果树冠层体积的方法，其特征在于，所述基于二维激光传感器实时测算果树冠层体积的方法使用二维激光传感器获取树木的点云数据；将每两帧之间相邻的三个点按一定规律连接，生成不规则三角网；将表面的三角形投影到平行于激光传感器前进方向、经过树干中心线垂直于地面的截面上，获得以不规则三棱柱为基础的冠层分割模型，将所有三棱柱体积相加，近似为果树冠层体积。2.如权利要求1所述的基于二维激光传感器实时测算果树冠层体积的方法，其特征在于，所述基于二维激光传感器实时测算果树冠层体积的方法具体包括：步骤一、设置激光传感器的工作参数，包括扫描角分辨率，扫描频率，角度范围等，然后设置传感器到果树树干的水平距离Dp；步骤二、开始扫描，接收并处理传感器返回的点云数据；步骤三、判断扫描区域内是否存在靶标，若存在，执行步骤四；若不存在，执行步骤二；步骤四、判断是否检测到树干，若是，计算扫描仪到树干的水平距离，保存为Dp，执行步骤五；若否，执行步骤六；步骤五、使用获取到的点云数据建立三角网格模型；步骤六、使用步骤五获得的三角网格模型和Dp计算果树体积，之后执行步骤二。3.如权利要求2所述的基于二维激光传感器实时测算果树冠层体积的方法，其特征在于，所述步骤二中，激光扫描仪返回的测量数据是以字符串的形式传输的，数据处理软件需要对传输回来的字符串数据进行解析、缓冲，进行相关的处理；返回的测量数据是极坐标数据，首先将扫描数据由极坐标系转换到直角坐标系：Xi＝v·t；Yi＝licosθ；Zi＝lisinθ；其中，坐标原点为扫描仪的初始位置，x轴方向为激光传感器前进方向，y轴方向为水平朝向植株方向，z轴方向为垂直于地面方向，Xi、Yi、Zi为第i个扫描点在直角坐标系上的坐标值，li为扫描仪到第i个扫描点的直线距离，θ为第i个扫描点的扫描角度，v为激光传感器行进速度，t为行进时间。4.如权利要求2所述的基于二维激光传感器实时测算果树冠层体积的方法，其特征在于，所述步骤四中判断是否检测到树干及计算扫描仪到树干的水平距离的过程具体包括：(1)检测树干需要对所有扫描点进行分析，集合其中n表示扫描帧数，Nj表示第j帧是否为树干帧的标识，Nj＝0表示该帧没有树干，Nj＝1表示该帧有树干；根据初始设定的扫描角度范围β，角度分辨率α，计算，得单帧扫描点数为：计算判断j为整数是否成立；若成立，则第i个扫描点是第j帧的第一个...

【专利技术属性】
技术研发人员：吕强，李鹏，王腾，张明，郑永强，易时来，
申请(专利权)人：西南大学，
类型：发明
国别省市：重庆,50