面向植物表型的移动式近感系统及数据获取方法技术方案

本发明专利技术公布一种面向植物表型的激光扫描与深度成像移动式近感系统及数据获取方法，以移动车作为数据采集平台，至少包括：两个二维激光雷达、安装框架、深度成像传感器、控制单元和便携电源；其中，安装框架固定在移动平台上；在安装框架上安装二维激光雷达和深度成像传感器；便携电源向二维激光雷达和深度成像传感器进行供电；两个二维激光雷达分别安装在安装框架两端设置的与垂直面成固定夹角的倾斜面上，交叉向下扫描获取二维剖面数据；深度成像传感器安装在安装框架的中心；激光雷达和深度成像传感器通过线缆与控制单元连接并受控制单元控制。本发明专利技术获取的数据可以反映更多的植物下层结构信息，性能更高，成本更低。

【技术实现步骤摘要】
面向植物表型的移动式近感系统及数据获取方法
本专利技术涉及面向植物表型的激光雷达成像技术，尤其涉及一种面向植物表型的激光扫描与深度成像移动式近感系统及数据获取方法，能够获取植物三维点云以及红绿蓝(RGB)特征信息。
技术介绍
植物表型受基因和环境因素决定和影响，反映植物结构及组成、植物生长发育过程及结果的全部物理、生理、生化特征和性状。植物表型分析的精确实现有助于农作物基因型与育种工作。植物表型分析对高效且低成本的表型获取技术需求强烈。三维激光雷达因其可以快速、准确获取扫描对象表面三维点云信息，在植物参数定量测量和反演上具有广阔的应用前景。对于小型植物表型信息的获取，地基三维激光雷达一次只能固定的从某一角度范围对植物进行扫描，无法移动、倾斜交叉多方位的对植物进行扫描，这会造成某一方向上叶片之间的遮挡使扫描数据的完整性缺失。车载激光雷达可以在行驶过程中扫描周边地物三维点云，但因体积大和工作环境限制了其无法在植物表型研究中发挥太大作用。深度图像每个像素记录了场景中物体到采景器的距离，可以用于表征可见三维物体表面的几何形状。深度图像经过坐标转换可以计算为点云数据，为植物点云数据获取提供了另一方案。红绿蓝深度图像(RGBD)采集传感器Kinect可用于彩色影像和结构光深度图像采集，其由一个RGB彩色相机、红外线发射器和红外线CMOS摄影机构成。在植物表型参数定量测量和反演应用中，大量的植物表型组学数据的获取需要依托可靠的植物表型平台。但是，现有的植物表型平台技术还难以提供用于植物表型监测、植物架构量化、高精度控制测量。
技术实现思路
为解决地基三维激光雷达和车载三维激光雷达在植物表型获取中灵活性不足、无法同步获取RGB与深度图像、价格昂贵和运行成本高的问题，本专利技术提供了一种面向植物表型的移动式激光扫描与深度成像传感器组合移动式近感系统及数据获取方法，用于采集植物三维结构信息，对植物快速表征。本专利技术将两个二维激光雷达、一个深度成像传感器、四个减速直流电机和控制单元一体化集成为能够获取低矮植物三维点云和深度图像的移动式激光扫描与深度成像近感系统。将两个二维激光扫描仪安装在两个远端的安置于移动平台的固定架的倾斜面上，将它们的扫描剖面设置成一个斜交的方式。系统在单方向匀速运动位移可解算，然后，经过精确的三维坐标求解和点云数据校正，平台的移动可以使得两个远端二维激光雷达扫描的二维扫描剖面转变为扫描对象的三维点云表征。同步获取目标植物的深度图像，分割获取样方叶片区域，计算得到植物叶片区域的植被指数。本专利技术结构紧凑，性能可靠、稳定，可广泛应用于低矮植物的三维彩色点云数据获取。本专利技术的技术方案如下：一种面向植物表型的移动式激光扫描与深度成像近感系统，以移动车作为数据采集平台(移动平台)，二维激光雷达与深度传感器安装在框架上，安装框架固定在移动平台上。系统至少包括：两个二维激光雷达、安装框架、深度成像传感器Kinect、控制单元和便携电源；其中，便携电源可通过USB接口向二维激光雷达、深度成像传感器Kinect、直流减速电机进行供电，控制单元可对二维激光雷达进行控制，如操作控制、参数设置和测量数据存储。两个二维激光雷达安装在安装框架的两个远端，均安装在与垂直面成一定固定夹角的倾斜面上，交叉向下扫描获取二维剖面数据。深度成像传感器Kinect安装在安装框架的中心，竖直向下采集深度图像和RGB图像。激光雷达、Kinect和直流减速电机通过线缆与控制单元连接，接受控制单元控制。上述面向植物表型的移动式激光扫描与深度成像近感系统工作时，以移动平台的移动方向为笛卡尔坐标系的Y轴构建三维坐标系，行进过程中进行多个倾斜的扫描剖面序列三维重构，从而形成三维点云数据。两个二维激光雷达安装在与垂直面成一定固定夹角的倾斜面上，并且与三维坐标系的三个坐标轴方向成一定的夹角。倾斜面属于激光雷达安装框架的一部分，位于框架的两端。两个二维激光雷达扫描剖面被设置成一个斜交的方式。可以通过坐标转换将二维激光雷达测量的二维极坐标数据(距离与扫描角度)通过坐标系间的旋转、平移转换为笛卡尔坐标系的(x,y,z)坐标数据。然后，经过对初始三维点云数据校正，根据平台的移动可以使得两个系列的二维扫描剖面转变为研究区一排植物的全部三维表征。为了避免植物冠层遮蔽激光束影响植物结构表征的完整性，两个二维激光雷达通过设定扫描剖面互相交叉的方式从不同视角进行扫描。深度成像传感器Kinect固定在两个激光雷达安装框架中心处，用于获取彩色和深度图像，彩色图像记录了位置和颜色信息，深度图像记录了距离信息。对Kinect采集到的每一帧彩色和深度数据配准后，通过数据转换每个图像像素都被转换为一个点，可以得到场景中物体位置(x,y,z)和(R,G,B)信息。本专利技术具体实施时，移动式激光扫描与深度成像近感系统包括两个二维激光雷达、深度成像传感器Kinect、控制单元、两个黑色遮光灯罩、USB集线器、四个直流减速电机、调速器、电源控制器、供电电缆、便携电源、移动平台、激光雷达安装框架。两个二维激光雷达安装在激光雷达安装框架的两个远端，激光雷达安装框架放置于移动平台上，深度成像传感器Kinect固定在激光雷达安装框架的中部。控制单元与两个二维激光雷达通过集线器和USB线缆连接，进行数据传输、数据存储和总体控制，便携电源对两个二维激光雷达、Kinect和直流电机通过USB线缆供电。二维激光雷达获取数据内容包括角度、距离和反射强度三种信息。深度成像传感器Kinect通过数据线缆向控制单元传输获取的深度图像和RGB图像。四个直流减速电机安装在移动平台的四个足部，便携电源向移动平台的四个直流减速电机供电，为移动平台提供向前向后行进的动力，这样构建成了一种面向植物表型的移动式激光扫描与深度成像近感系统。其中，黑色遮光灯罩采用半圆球面黑色灯罩，直径为25厘米，表面具有吸光涂料，两个二维激光雷达的上方均安装半圆球面黑色灯罩。本专利技术还提供一种面向植物表型的移动式激光扫描与深度成像近感数据获取方法，包括如下步骤：1)以移动车作为数据采集移动平台；安装框架固定在移动平台上；在安装框架上安装二维激光雷达和深度成像传感器，可通过调节距离地面的高度控制扫描范围；便携电源向二维激光雷达和深度成像传感器进行供电；控制单元对二维激光雷达进行控制；移动平台的四条腿的底部安装由减速直流电机驱动的轮子；两个二维雷达安装在激光雷达安装框架的两个远端；两个二维雷达安装在与垂直面成固定夹角分别为anglex1和anglex2的两个倾斜面上，两个倾斜面与支架互相成角度为angley1和angley2；深度成像传感器Kinect固定在激光雷达安装框架的中部，镜头面朝天底方向；两个二维激光雷达上方安装半圆球面黑色灯罩，用于遮蔽摄入激光雷达的太阳光；2)轮子通过控制单元设定速度使得匀速移动；将低矮植被放置于移动平台的行进方向或将移动平台移动到低矮植被处；设置减速直流电机的运行速度、二维激光雷达的扫描分辨率、深度成像传感器Kinect的拍摄间隔，开始扫描和移动；3)以移动方向为笛卡尔坐标系的Y轴构建三维坐标系，不同位置的多组扫描剖面构成被测植物的三维点云；在构建的三维坐标框架中，用于安放激光扫描仪的斜交的平面与Y轴方向和Z轴方向分别成一定的夹角，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种面向植物表型的移动式激光扫描与深度成像近感系统，以移动车作为数据采集移动平台，系统至少包括：两个二维激光雷达、安装框架、深度成像传感器、控制单元和便携电源；其中，安装框架固定在移动平台上；在安装框架上安装二维激光雷达和深度成像传感器；便携电源向二维激光雷达和深度成像传感器进行供电；控制单元对二维激光雷达进行控制；两个二维激光雷达分别安装在安装框架的两个远端，两个远端分别设有与垂直面成固定夹角的倾斜面，两个二维激光雷达安装在倾斜面上，扫描剖面被设置成一个斜交的方式，交叉向下扫描获取二维剖面数据，包括角度、距离和反射强度信息；二维激光雷达距离地表的高度可根据扫描植物的高矮进行调整；深度成像传感器安装在安装框架的中心，竖直向下采集红绿蓝深度RGBD图像；激光雷达和深度成像传感器通过线缆与控制单元连接并受控制单元控制。

【技术特征摘要】
1.一种面向植物表型的移动式激光扫描与深度成像近感系统，以移动车作为数据采集移动平台，系统至少包括：两个二维激光雷达、安装框架、深度成像传感器、控制单元和便携电源；其中，安装框架固定在移动平台上；在安装框架上安装二维激光雷达和深度成像传感器；便携电源向二维激光雷达和深度成像传感器进行供电；控制单元对二维激光雷达进行控制；两个二维激光雷达分别安装在安装框架的两个远端，两个远端分别设有与垂直面成固定夹角的倾斜面，两个二维激光雷达安装在倾斜面上，扫描剖面被设置成一个斜交的方式，交叉向下扫描获取二维剖面数据，包括角度、距离和反射强度信息；二维激光雷达距离地表的高度可根据扫描植物的高矮进行调整；深度成像传感器安装在安装框架的中心，竖直向下采集红绿蓝深度RGBD图像；激光雷达和深度成像传感器通过线缆与控制单元连接并受控制单元控制。2.如权利要求1所述面向植物表型的移动式激光扫描与深度成像近感系统，其特征是，激光雷达安装框架的长度为1.5米，宽度为4厘米；在安装框架两端焊接的两个斜着的平面的垂直部分长度为20厘米；深度成像传感器为Kinect传感器；成像方向为天底方向。3.如权利要求1所述面向植物表型的移动式激光扫描与深度成像近感系统，其特征是，便携电源通过USB接口进行供电。4.如权利要求1所述面向植物表型的移动式激光扫描与深度成像近感系统，其特征是，两个二维激光雷达的上方均安装黑色遮光灯罩。5.如权利要求4所述面向植物表型的移动式激光扫描与深度成像近感系统，其特征是，所述黑色遮光灯罩采用半圆球面黑色灯罩，直径为25厘米，表面具有吸光涂料。6.如权利要求1所述面向植物表型的移动式激光扫描与深度成像近感系统，其特征是，所述系统包括两个二维激光雷达、深度成像Kinect传感器、控制单元、两个黑色遮光灯罩、USB集线器、四个直流减速电机、调速器、电源控制器、供电电缆、便携电源、移动平台和激光雷达安装框架；控制单元与两个二维激光雷达通过集线器和USB线缆连接，进行数据获取、数据传输、数据存储和总体控制；便携电源通过USB线缆对两个二维激光雷达、Kinect和直流电机供电；深度成像Kinect传感器通过数据线缆向控制单元传输获取的数据。7.如权利要求6所述面向植物表型的移动式激光扫描与深度成像近感系统，其特征是，四个直流减速电机分别安装在移动平台的四个足部；便携电源向安装在移动平台的四个直流减速电机供电。8.一种面向植物表型的移动式激光扫描与深度成像近感数据获取方法，包括如下步骤：1)以移动车作为数据采集移动平台；安装框架固定在移动平台上；在安装框架上安装二维激光雷达LIDAR1、LIDAR2和深度成像传感器，可通过调节距离地面的高度控制扫描范围；便携电源向二维激光雷达和深度成像传感器进行供电；控制单元对二维激光雷达进行控制；移动平台的四条腿的底部安装由减速直流电机驱动的轮子；LIDAR1、LIDAR2分别安装在激光雷达安装框架的两个远端；LIDAR1、LIDAR2安装在与垂直面成固定夹角分别为anglex1和anglex2的两个倾斜面上；两个倾斜面与支架互相成角度为angley1和angley2；深度成像传感器Kinect固定在激光雷达安装框架的中部，镜头面朝天底方向；LI...

【专利技术属性】
技术研发人员：林沂，史振伟，王欢欢，孟祥爽，晏磊，
申请(专利权)人：北京大学，
类型：发明
国别省市：北京,11