CN106871799A - 一种全自动农作物株高测量方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种全自动农作物株高测量方法及装置，首先建立摄像机坐标系、地面坐标系和标定板平面坐标系；建立系统模型后预先标定装置参数，所述装置参数包括摄像机内参数、摄像机安装参数及线激光平面参数；摄像机采集图像，并将采集到的图像传输至控制处理器，控制处理器控制线激光器开、关，并对图像进行处理；根据图像处理结果和装置参数，控制处理器计算、输出农作物株高。本发明无需人工测量，避免人工测量产生的主观因素影响，可以简单方便地实现农作物株高非接触、自动化测量。

Description

一种全自动农作物株高测量方法及装置

技术领域

本发明涉及农作物结构信息非接触、自动化测量领域，尤其涉及一种全自动农作物株高测量方法及装置。

背景技术

通过农作物生长参数观测，鉴定农业气象条件对农作物生长发育和产量形成及品质的影响，为农业气象情报、预报以及农作物的气候评价、指导大田管理等提供依据，为高产、优质、高效、精准农业提供服务。农作物生长参数主要包括密度、叶面指数、株高、长势等，其中株高参数是农作物生长过程中的重要参数，主要依靠人工观测，如中国专利CN204007409 U公开的装置，仍是需要人工使用装置完成测量，然而，人工观测存在工作量大，观测过程易受主观因素影响等不足。专利CN 102175156 B给出的依赖于运动机构的自动化测量装置，由于作物生长在风吹、日晒等作用环境中，运动机构易损坏，实用价值不高。对农作物株高参数实现自动化观测是实现高效、精细农业的基础和前提，是目前亟待解决的问题。

目前的株高自动测量技术主要包括超声波技术和单纯视觉测量技术。超声波技术由于信号处理简单、分辨力较强、价格低等优点广泛用于距离测量中。然而，普通超声波存在无法测量20cm以内距离的盲区问题，且由于波束发散大，定向精度不高，在农作物株高测量领域并未取得很好的效果。单纯视觉测量技术中，有基于单目视觉计算株高信息，也有利用双目视觉系统重构株高等信息的相关技术，但存在测量精度不高，模型复杂，计算量大，很难实际使用等缺点，所以并未得到广泛应用。

结构光技术广泛用于三维测量领域，主要可测量物体三维形貌。中国专利CN103438832 B公开了一种基于线结构光的三维影像测量方法，该方法通过提取线激光条中心线与被测物体边缘交点作为特征点，得出特征点的三维信息值，从而达到测量目的。中国专利CN 205720668 U公开了结构光测距装置，给出了基于三角测量原理的三维测量装置。然而在农作物株高测量中，需要确定株高相对于生长水平面的高度，目前的结构光测量系统在建模或标定过程未考虑该应用场景，所以不适合直接用于测量农作物株高。

发明内容

发明目的：为实现农作物株高自动化测量，提高测量精度，本发明提供一种全自动农作物株高测量方法。

本发明的另一目的是提供一种全自动农作物株高测量装置。

技术方案：一种全自动农作物株高测量方法，包括以下步骤：

(1)定义摄像机坐标系、地面坐标系及标定板平面坐标系；以摄像机光心点为坐标原点，平行于图像x、y方向为x_c轴、y_c轴，光轴方向为z_c轴，建立摄像机坐标系，定义x_c轴、y_c轴和z_c轴；以农作物底端起点所在的水平面为x_g轴y_g轴构成的平面，重垂线反方向为z_g轴，建立地面坐标系，定义x_g轴、y_g轴和z_g轴；以标定板上棋盘格奇数和偶数角点的方向为x_b轴、y_b轴，建立标定板平面坐标系，定义x_b轴、y_b轴和z_b轴；

(2)建立摄像机模型，光平面方程模型及本装置三角测量模型；建立摄像机模型，摄像机内参数为K，所述其中，x、y为摄像机拍摄出的图像的两个方向，f_x、f_y为x、y方向上的有效焦距，s为感光元件x、y轴的不垂直因子，u₀,v₀为摄像机光轴与感光元件的交点坐标；建立光平面方程模型，线激光平面在摄像机坐标系中表示为π＝[a,b,c,1]，即线激光平面的方程为ax+by+cz+1＝0；根据摄像机安装参数建立本装置三角测量模型，摄像机安装参数包括摄像机光轴方向与重垂线的夹角θ的余弦值cos(θ)和摄像机在地面坐标系的安装高度z'_g0；

(3)预先标定摄像机模型、光平面方程模型以及三角测量模型中的参数；所述参数包括摄像机内参数、线激光平面参数及摄像机安装参数；

(4)株高测量；控制处理器控制线激光器打开，摄像机采集图像，并将采集到的图像传输至控制处理器；控制处理器对图像进行处理；测量作物顶点在摄像机坐标系的z_c轴坐标，结合步骤(2)中标定的装置参数，计算农作物株高：

h＝z_g0-z_qcos(θ)

其中，10≤q≤20，z_q为q个农作物顶点在摄像机坐标系的z_c轴坐标的平均值，h为计算出的农作物株高。

进一步的，所述步骤(2)或步骤(3)中摄像机内参数K的标定方法采用张正友棋盘格标定方法，标定过程使用不同位姿的m幅图像，m≥3；要求标定过程中，至少有一次将棋盘格标定板置于农作物底端起点对应的水平面上，使地面坐标系与标定板平面坐标系重合，以标定摄像机安装参数。

进一步的，所述步骤(2)或步骤(3)中摄像机安装参数中，安装高度参数z_g0的标定方法为：将棋盘格标定板置于农作物底端起点对应的水平面上，此时定义地面坐标系与标定板平面坐标系重合；摄像机坐标系(x_c,y_c,z_c)与地面坐标系(x_g,y_g,z_g)之间关系为其中R₀为两坐标系之间的旋转矩阵，t₀为两坐标系的平移向量，利用张正友棋盘格标定方法求出R₀,t₀；则摄像机坐标系坐标原点X_C0＝[0,0,0]^T，齐次形式为在地面坐标系的坐标为X_G0＝[x_g0,y_g0,z_g0]，齐次形式为z'_g0＝|z_g0|即为摄像机安装高度参数，通过下式求出：

进一步的，所述步骤(2)或步骤(3)中摄像机安装参数中，摄像机光轴与重垂线夹角参数θ的余弦值cos(θ)的标定方法为：棋盘格标定板置于农作物底端起点对应的水平面上时，标定板平面在地面坐标系的方程表示为π₀＝[0,0,1,0]，即z＝0的平面，将所述标定版平面变换到摄像机坐标系，表示为π₀'＝(a₀,b₀,c₀,d₀)，π₀'由下式计算：

π’₀ ^T＝T₀-^Tπ₀ ^T

光轴与π₀'平面的交点为即由此可标定出夹角余弦值cos(θ)：

进一步的，所述步骤(2)或步骤(3)中，线激光平面参数的标定方法为：标定板平面方程在标定板平面坐标系表示为π₀＝[0,0,1,0]，第i次位姿下标定板平面方程在摄像机坐标系表示为π_i'，将标定板平面方程从标定板坐标系变换到摄像机坐标系，对应的平面方程为其中R_i,t_i为相应的旋转矩阵和平移向量，在标定内参数过程中求出；

标定过程中使用m幅标定板位姿并采集图像，m≥3，控制处理器对采集图像进行处理，提取线激光条中心线与标定板平面交点作为标定特征点，在每幅图上选取n个在标定板平面上的激光条特征点，n≥10，选取的标定特征点在图像平面的齐次坐标为将所述齐次坐标变换为在摄像机坐标系的坐标X_Ci[x_ci,y_ci,z_ci]^T，齐次形式为变换公式为：

这mn个标定特征点X_Ci均在线激光平面上，满足光平面方程模型采用最小二乘法拟合线激光平面参数π。

进一步的，所述步骤(4)中，对摄像机采集到的打了线激光条的植株图像进行处理，提取线激光条中心线与被测物体边缘交点作为特征点；若图像特征明显，则采用二值化操作区分目标与背景；若图像特征不明显，则采用滤波、锐化等图像处理方法进行图像处理。

进一步的，所述步骤(4)中，对摄像机采集到的打了线激光条的植株图像进行处理后，提取线激光条中心线与农作物交点作为测量特征点，其在图像平面的齐次坐标变换到摄像机坐标系的坐标X_Ci[x_ci,y_ci,z_ci]^T，齐次形式为满足三角测距原理：

选取z_ci最小的q个激光点，10≤q≤20，计算平均值

计算植株高度为：h＝z'_g0-z_qcos(θ)。

一种全自动农作物株高测量装置，包括摄像机、线激光器、控制处理器、壳体、横撑杆和竖撑杆，所述竖撑杆与地面垂直安装，所述横撑杆安装在竖撑杆上端且与竖撑杆相互垂直，所述壳体为下表面采用透明材料封装的长方体，所述壳体的上表面固定在横撑杆上，摄像机与线激光器安装在所述壳体内，所述摄像机的摄像头朝下；壳体内还设有电机，所述电机用于控制线激光器转动；所述摄像机、线激光器、电机分别制处理器信号连接。

进一步的，还包括L型支架和夹具，所述电机通过L型支架固定在壳体内的上表面，电机包括电机轴，所述夹具安装在电机轴上，夹具夹持住线激光器，所述线激光器与重垂线方向的夹角为且线激光器发出的光平面不通过摄像机坐标系原点；所述电机可转动的范围为

进一步的，所述线激光器功率不小于30mW；所述摄像机、线激光器、电机分别与控制处理器之间通过连接线或通过无线网络连接。

有益效果：本发明提供的一种全自动农作物株高测量方法，可以简单方便的实现农作物株高自动化测量，高效精细，非接触，高精度，无需人工测量株高，避免人工测量产生的主观因素影响。

本发明提供的一种全自动农作物株高测量装置，结构简单，容易安装，标定完成后无需人工操作即可自动测量农作物株高，方便快捷。

附图说明

图1为全自动农作物株高测量装置结构图；

图2为控制激光器转动机构图；

图3是全自动农作物株高测量装置工作流程图。

图1和图2中：1-摄像机，2-激光器，3-控制处理器，4-壳体，5-连接线，6-横撑杆，7-竖撑杆，8-电机，81-电机轴，9-L型支架，10-夹具，11-地面，12-农作物。

具体实施方式

下面结合本申请实施例中的附图对本发明给出的一种全自动农作物株高测量方法及装置具体实施方式做进一步说明。显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部实施例。基于本申请的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

本发明的基本思路是：农作物高度测量，即确定农作物生长顶端高点到农作物底部起点对应水平面的距离。根据结构光视觉传感系统能够测量三维信息的特点，结合农作物测量的具体应用背景，对结构光系统再建模，以适应新的测量环境。在新的系统模型下，采用特定的标定方法，以标定系统参数，参数标定完成后可达到对农作物测株高全自动测量的目的。该方法具有测量精度高，实时性好等优点，具有良好的实用性。

如图3所示，本发明所述测量方法包括四步，第一步，定义坐标系；第二步，建立系统模型，第三步，标定装置参数；第四步，测量株高。结合图1阐述以下具体步骤：

1定义坐标系

以摄像机光心点为坐标原点，平行于图像x、y方向为x_c轴、y_c轴，光轴方向为z_c轴，建立摄像机坐标系，定义x_c轴、y_c轴和z_c轴；以农作物底端起点所在的水平面为x_g轴y_g轴构成的平面，重垂线反方向为z_g轴，建立地面坐标系，定义x_g轴、y_g轴和z_g轴；以标定板上棋盘格奇数、偶数角点的方向为x_b轴、y_b轴，建立标定板平面坐标系，定义x_b轴、y_b轴和z_b轴；

2建立系统模型

该系统模型中，包括摄像机模型、光平面方程模型和改进的三角测量模型。

2.1摄像机模型

设空间上任意一点P在摄像机坐标系的坐标为X_P＝(x_c,y_c,z_c)^T，经摄像机成像后，在图像平面上的投影点p，其坐标为p＝(u,v)^T，将其增加一维单位坐标变成齐次形式为：和在不考虑畸变情况下，根据摄像机模型，摄像机坐标系与图像平面坐标系的关系为：

其中z_c为P在摄像机坐标系的深度值，一般无法通过小孔成像模型直接获得，即在小孔成像模型中，图像坐标系的一个点对应三维空间中的一条射线；是摄像机内参数，f_x,f_y是图像x、y方向的尺度因子，s反映x、y两轴向的夹角因子，u₀,v₀是摄像机镜头光轴与CCD平面的交点坐标。

2.2光平面方程模型

基于激光视觉的作物株高测量装置中，摄像机与激光平面投射器刚性连接，且激光平面不通过摄像机坐标系原点，则激光平面在摄像机坐标系可表示为π＝(a,b,c,1)；在系统工作时，激光条打在农作物上，线激光条中心线与被测农作物相交形成系列特征点，设特征点在摄像机坐标系的齐次坐标为该系列特征点在激光平面上，所以满足：

2.3改进的三角测量模型

设P为激光平面上一点，p为其投影到图像平面上的对应点，原始的三角测量模型，即给定像平面上一点p和激光平面方程，求解p点对应的摄像机坐标系的P点的三维坐标值，但本测量背景是测量农作物株高，要求解农作物相对于底端水平面的高度，所以本发明使用改进的三角测量模型。

根据三角测距原理，激光条形成的特征点既满足小孔成像模型，又满足光平面方程模型，即：

可得激光条打在农作物上特征点在摄像机坐标系坐标X_c，其深度值z_cl。如图1所示，设摄像机的安装高度为z'_g0，摄像机光轴与重垂线夹角为θ，参数z'_g0和θ的余弦值cos(θ)共同构成摄像机安装参数。则农作物株高为：

h＝z'_g0-z_ccos(θ)

其中摄像机光轴与重垂线夹角参数z_c0为摄像机光轴与地面坐标系交点在摄像机坐标系的z_c轴值。

在本发明所述的激光视觉的作物株高测量方法及装置中，摄像机内参数K，一定位置的激光器光平面方程π，摄像机安装高度z'_g0，摄像机光轴与重垂线夹角参数cos(θ)，随着系统安装完成后即固定，为常量，需预先标定；系统工作时，激光条打在农作物上的特征点可通过相应图像处理方法得到，将特征点带入系统模型中运算即可实时测量农作物株高参数。

3.1摄像机内参数标定方法

摄像机内参数K的标定方法采用张正友棋盘格标定方法，标定过程使用不同位姿的m≥3幅图像；要求标定过程中，至少有一次将棋盘格标定板置于农作物底端起点对应的水平面上，使地面坐标系与标定板平面坐标系重合，以标定摄像机安装参数。

3.2摄像机安装参数标定方法

摄像机安装参数包括摄像机的安装高度z'_g0，摄像机光轴与重垂线夹角θ的余弦值cos(θ)。

3.2.1摄像机安装高度z'_g0标定方法

将棋盘格标定板置于农作物底端起点对应的水平面上，此时定义地面坐标系与标定板平面坐标系重合；摄像机坐标系(x_c,y_c,z_c)与地面坐标系(x_g,y_g,z_g)之间关系为其中R₀为两坐标系之间的旋转矩阵，t₀为两坐标系的平移向量，利用棋盘格标定方法求出R₀,t₀；则摄像机坐标系坐标原点X_C0＝[0,0,0]^T，齐次形式为在地面坐标系的坐标为X_G0＝[x_g0,y_g0,z_g0]^T，齐次形式为z'_g0＝|z_g0|即为摄像机安装高度参数，通过下式求出：

3.2.2摄像机光轴与重垂线夹角θ的余弦值cos(θ)标定方法

棋盘格标定板置于农作物底端起点对应的水平面上时，标定板平面在地面坐标系的方程表示为π₀＝[0,0,1,0]，即z＝0的平面，将所述平面变换到摄像机坐标系，表示为π₀'＝(a₀,b₀,c₀,d₀)，π₁由下式计算：

光轴与π₀'平面的交点为即由此可标定出夹角余弦值cos(θ)：

如果将摄像机竖直安装，即θ＝0，通过其他手段，如直接测量，超声波测距等直接测出摄像机距离地面高度z'_g0的测量方式，应该视为本测量方法及装置的特殊形式，属于本申请保护范围。

3.3线激光平面参数标定方法

标定板平面在标定板平面坐标系表示为π₀＝[0,0,1,0]，第i次位姿下标定板平面方程在摄像机坐标系表示为π_i'，将标定板平面从标定板坐标系表示π₀变换到摄像机坐标系表示π_i'，变换式为其中R_i,t_i为相应的旋转矩阵和平移向量，在标定内参数过程中求出；

标定过程中使用m≥3幅标定板位姿并采集图像，对采集图像进行处理，提取线激光条中心线与标定板平面交点作为标定特征点，在每幅图上选取n≥10个标定特征点，选取的特征点在图像平面的齐次坐标为将所述齐次坐标变换为在摄像机坐标系的坐标X_Ci[x_ci,y_ci,z_ci]^T，齐次形式为变换公式为：

这mn个点X_Ci均在线激光平面上，满足光平面方程模型采用最小二乘法拟合线激光平面参数π。

在株高测量时，激光器进行旋转扫描测量时，不同位置计算株高带入相应的光平面方程参数。比如，当电机带动激光器首次旋转角度时，标定相应位置的光平面方程在首次旋转度的情况下再旋转度，标定相应位置的光平面方程其中和的范围为

4.1图像处理

对1-摄像机采集到的打了线激光条的植株图像进行二值化，根据二值化图像提取激光条中心线与被测物体的交点作为特征点；由于本实施例采用的线激光功率较大，在图像中特征明显，二值化操作即可明显区分目标与背景，若在其他实施例中，图像特征不明显，则采用滤波、锐化等图像处理方法进行图像处理，而后提取特征点。

4.2株高测量

对摄像机采集到的打了线激光条的植株图像进行处理后，提取出线激光条中心线与被测农作物的交点，其在图像平面的齐次坐标变换到摄像机坐标系的坐标X_Ci[x_ci,y_ci,z_ci]^T，齐次形式为满足三角测距原理：

选取z_ci最小的q个激光点，10≤q≤20，计算平均值

计算植株高度为：h＝z'_g0-z_qcos(θ)。

其中，10≤q≤20，z_q为q个激光条特征点在摄像机坐标系的z_c轴坐标的平均值，h为计算出的农作物株高。

如图1所示，自动农作物株高测量装置包括摄像机1、线激光器2、控制处理器3、壳体4、横撑杆6和竖撑杆7，所述竖撑杆7与地面11垂直安装，所述横撑杆6安装在竖撑杆7上端且与竖撑杆7相互垂直，所述壳体4为下表面采用透明材料封装的长方体，所述壳体4的上表面固定在横撑杆6上，摄像机1与线激光器2安装在所述壳体4内，所述摄像机1的摄像头朝下；壳体4内还设有电机8，所述电机8用于控制线激光器2转动；所述摄像机1、线激光器2、电机8分别制处理器3信号连接。摄像机1、线激光器2等可直接在市面上买到。

如图2所示，还包括L型支架9和夹具10，所述电机8通过L型支架9固定在壳体4内的上表面，电机8包括电机轴81，所述夹具10安装在电机轴81上，夹具10夹持住线激光器2，所述线激光器2与重垂线方向的夹角为且线激光器发出的光平面不通过摄像机坐标系原点；所述电机8可转动的角度范围为

采用电机控制激光器可旋转一定角度，通过激光器旋转实现激光器在作物上方扫描测量，可以避免激光器打到农作物垄间。如果将激光器连接到可旋转一定角度的装置上，通过激光器旋转实现激光器在作物上方扫描测量，以避免激光器打到农作物垄间，应该视为本测量方法及装置的特殊形式，属于本申请保护范围。

所述线激光器2功率不小于30mW，由控制处理器3控制，在非测量状态下关闭，测量状态下打开；所述摄像机1、线激光器2、电机8分别与控制处理器3之间通过连接线5连接。当然，也可以采用无线网络进行通讯，在壳体内设置无线通讯模块，所述摄像机1、线激光器2、电机8分别与无线通讯模块连接，所述控制处理器3上也设有无线通讯模块，用于与摄像机1、线激光器2、电机8进行无线通讯。

所述装置中，摄像机1安装在壳体4内部，用以采集相关图像；线激光器2安装在摄像机1旁边，线激光器2发出的激光平面不通过摄像机光心点；控制处理器3控制线激光器2的开、关，控制电机8转动，并进行图像处理运算；控制处理器运算完成后可直接输出农作物12的高度；本实施例所述的控制处理器3由计算机构成，也可以是由DSP或ARM处理芯片及外围电路的嵌入式系统，采用嵌入式系统实现控制处理器功能并将其集成在装置外壳内部，应该视为本测量方法及装置的特殊形式，属于本申请保护范围。

控制处理器控制线激光器的开关，需要测量时打开线激光器，线激光器将激光条打在农作物上，摄像机采集图像并对图像进行处理，根据结构光视觉测量技术的原理测量出农作物株高，控制处理器输出农作物株高值。

该装置可以简单方便的实现农作物株高自动化测量，结构简单，容易安装，高效精细，非接触，无需人工测量株高，可自动测量并输出农作物株高，方便快捷，而且可以避免人工测量产生的主观因素影响。

对上述所公开的实施例，相关专业的技术人员能够实现或使用本申请。对实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见。因此，本申请所定义的一般原理可以在不脱离本申请的技术范围情况下，在其他实施例中实现。所以，本申请将不限于本文所示的实施例，而是符合本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种全自动农作物株高测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)定义摄像机坐标系、地面坐标系及标定板平面坐标系；以摄像机光心点为坐标原点，平行于图像x、y方向为x_c轴、y_c轴，光轴方向为z_c轴，建立摄像机坐标系，定义x_c轴、y_c轴和z_c轴；以农作物底端起点所在的水平面为x_g轴y_g轴构成的平面，重垂线反方向为z_g轴，建立地面坐标系，定义x_g轴、y_g轴和z_g轴；以标定板上棋盘格奇数和偶数角点的方向为x_b轴、y_b轴，建立标定板平面坐标系，定义x_b轴、y_b轴和z_b轴；

(2)建立摄像机模型，光平面方程模型及本装置三角测量模型；建立摄像机模型，摄像机内参数为K，所述其中，x、y为摄像机拍摄出的图像的两个方向，f_x、f_y为x、y方向上的有效焦距，s为感光元件x、y轴的不垂直因子，u₀,v₀为摄像机光轴与感光元件的交点坐标；建立光平面方程模型，线激光平面在摄像机坐标系中表示为π＝[a,b,c,1]，即线激光平面的方程为ax+by+cz+1＝0；根据摄像机安装参数建立本装置三角测量模型，摄像机安装参数包括摄像机光轴方向与重垂线的夹角θ的余弦值cos(θ)和摄像机在地面坐标系的安装高度z'_g0；

(3)预先标定摄像机模型、光平面方程模型以及本装置三角测量模型中的参数；所述参数包括摄像机内参数、线激光平面参数及摄像机安装参数；

(4)株高测量；控制处理器控制线激光器打开，摄像机采集图像，并将采集到的图像传输至控制处理器；控制处理器对图像进行处理，提取激光条特征点，所述激光条特征点为激光条中心点；测量作物顶点在摄像机坐标系的z_c轴坐标，结合步骤(2)中标定的装置参数，计算农作物株高：

h＝z'_g0-z_qcos(θ)

其中，10≤q≤20，z_q为q个激光条特征点在摄像机坐标系的z_c轴坐标的平均值，h为计算出的农作物株高。

2.根据权利要求1所述的全自动农作物株高测量方法，其特征在于，所述步骤(2)或步骤(3)中摄像机内参数K的标定方法采用张正友棋盘格标定方法，标定过程使用不同位姿的m幅图像，m≥3；要求标定过程中，至少有一次将棋盘格标定板置于农作物底端起点对应的水平面上，使地面坐标系x_g，y_g轴构成的平面与标定板平面坐标系x_b，y_b轴构成的平面重合，以标定摄像机安装参数。

3.根据权利要求2所述的全自动农作物株高测量方法，其特征在于，所述步骤(2)或步骤(3)中摄像机安装参数中，高度参数z'_g0的标定方法为：将棋盘格标定板置于农作物底端起点对应的水平面上，此时定义地面坐标系与标定板平面坐标系重合；摄像机坐标系(x_c,y_c,z_c)与地面坐标系(x_g,y_g,z_g)之间关系为其中R₀为两坐标系之间的旋转矩阵，t₀为两坐标系的平移向量，利用张正友棋盘格标定方法求出R₀,t₀；则摄像机坐标系坐标原点X_C0＝[0,0,0]^T，齐次形式为变换到地面坐标系的坐标为X_G0＝[x_g0,y_g0,z_g0]^T，齐次形式为z'_g0＝|z_g0|即为摄像机安装高度参数，通过下式求出：

${\stackrel{\‾}{X}}_{G0}=T_0{\stackrel{\‾}{X}}_{C0}.$

4.根据权利要求2或3所述的全自动农作物株高测量方法，其特征在于，所述步骤(2)或步骤(3)中摄像机安装参数中，摄像机光轴与重垂线夹角参数θ的余弦值cos(θ)的标定方法为：棋盘格标定板置于农作物底端起点对应的水平面上时，标定板平面在地面坐标系的方程表示为π₀＝[0,0,1,0]，即z＝0的平面，将所述标定版平面变换到摄像机坐标系，表示为π₀'＝(a₀,b₀,c₀,d₀)，π₀'由下式计算：

π’₀ ^T＝T₀-^Tπ₀ ^T

光轴与π₀'平面的交点为即由此可标定出夹角余弦值cos(θ)：

$cos\left(\mathrm{\θ}\right)=\frac{z_{g0}^{\′}}{z_{c1}}=-\frac{z_{g0}^{\′}{c}_0}{d_0}.$

5.根据权利要求2或3所述的全自动农作物株高测量方法，其特征在于，所述步骤(2)或步骤(3)中，线激光平面参数的标定方法为：标定板平面方程在标定板平面坐标系表示为π₀＝[0,0,1,0]，第i次位姿下标定板平面方程在摄像机坐标系表示为π_i'，将标定板平面方程从标定板坐标系变换到摄像机坐标系，对应的平面方程为其中R_i,t_i为相应的旋转矩阵和平移向量，在标定内参数过程中求出；

标定过程中使用m幅标定板位姿并采集图像，m≥3,对采集图像进行处理，提取激光条中心点作为特征点，在每幅图上选取n个在标定板平面上的激光条特征点，n≥10，选取的激光条特征点在图像平面的齐次坐标为将所述齐次坐标变换为在摄像机坐标系的坐标X_Ci[x_ci,y_ci,z_ci]^T，齐次形式为变换公式为：

$\left\{\begin{array}{c}{X}_{Ci}=z_{ci}{K}^{-1}\stackrel{\‾}{l}\\ {\mathrm{\π}}_i{\stackrel{\‾}{X}}_{Ci}=0\end{array}\right.$

这mn个点X_Ci均在线激光平面上，满足光平面方程模型采用最小二乘法拟合线激光平面参数π。

6.根据权利要求1或2或3所述的全自动农作物株高测量方法，其特征在于，所述步骤(4)中，对摄像机采集到的打了线激光条的植株图像进行处理，提取光条中心点；若图像特征明显，则采用二值化操作区分目标与背景；若图像特征不明显，则采用滤波、锐化等图像处理方法进行图像处理。

7.根据权利要求6所述的全自动农作物株高测量方法，其特征在于，所述步骤(4)中，对摄像机采集到的打了线激光条的植株图像进行处理后，提取出线激光条特征点在图像平面的齐次坐标变换到摄像机坐标系的坐标X_Ci[x_ci,y_ci,z_ci]^T，齐次形式为满足三角测距原理：

$\left\{\begin{array}{c}{X}_{ci}=z_c{K}^{-1}\stackrel{\‾}{l_i}\\ \mathrm{\π}{\stackrel{\‾}{X}}_c=0\end{array}\right.$

选取z_ci最小的q个激光点，10≤q≤20，计算平均值

计算植株高度为：h＝z_g0-z_qcos(θ)。

8.一种全自动农作物株高测量装置，其特征在于，包括摄像机(1)、线激光器(2)、控制处理器(3)、壳体(4)、横撑杆(6)和竖撑杆(7)，所述竖撑杆(7)与地面垂直安装，所述横撑杆(6)安装在竖撑杆(7)上端且与竖撑杆(7)相互垂直，所述壳体(4)为下表面采用透明材料封装的长方体，所述壳体(4)的上表面固定在横撑杆(6)上，摄像机(1)与线激光器(2)安装在所述壳体(4)内，所述摄像机(1)的摄像头朝下；壳体(4)内还设有电机(8)，所述电机(8)用于控制线激光器(2)转动；所述摄像机(1)、线激光器(2)、电机(8)分别与控制处理器(3)信号连接。

9.根据权利要求8所述全自动农作物株高测量装置，其特征在于，还包括L型支架(9)和夹具(10)，所述电机(8)通过L型支架(9)固定在壳体(4)内的上表面，电机(8)包括电机轴(81)，所述夹具(10)安装在电机轴(81)上，夹具(10)夹持住线激光器(2)，所述线激光器(2)与重垂线方向的安装夹角为满足且线激光器发出的光平面不通过摄像机坐标系原点；所述电机(8)可转动的角度范围为

10.根据权利要求8或9所述的全自动农作物株高测量装置，其特征在于，所述线激光器(2)功率不小于30mW；所述摄像机(1)、线激光器(2)、电机(8)分别与控制处理器(3)之间通过连接线(5)或通过无线网络连接。