CN107255446B - 一种矮化密植果树冠层三维地图构建系统和方法 - Google Patents

一种矮化密植果树冠层三维地图构建系统和方法 Download PDF

Info

Publication number
CN107255446B
CN107255446B CN201710646547.2A CN201710646547A CN107255446B CN 107255446 B CN107255446 B CN 107255446B CN 201710646547 A CN201710646547 A CN 201710646547A CN 107255446 B CN107255446 B CN 107255446B
Authority
CN
China
Prior art keywords
camera
fruit tree
gps
dimensional map
coordinate system
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN201710646547.2A
Other languages
English (en)
Other versions
CN107255446A (zh
Inventor
田光兆
顾宝兴
王海青
周俊
安秋
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Nanjing Agricultural University
Original Assignee
Nanjing Agricultural University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Nanjing Agricultural University filed Critical Nanjing Agricultural University
Priority to CN201710646547.2A priority Critical patent/CN107255446B/zh
Publication of CN107255446A publication Critical patent/CN107255446A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN107255446B publication Critical patent/CN107255446B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B11/00—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B5/00—Measuring arrangements characterised by the use of mechanical techniques
    • G01B5/0035—Measuring of dimensions of trees
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01C—MEASURING DISTANCES, LEVELS OR BEARINGS; SURVEYING; NAVIGATION; GYROSCOPIC INSTRUMENTS; PHOTOGRAMMETRY OR VIDEOGRAMMETRY
    • G01C11/00—Photogrammetry or videogrammetry, e.g. stereogrammetry; Photographic surveying

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Botany (AREA)
  • Multimedia (AREA)
  • Radar, Positioning & Navigation (AREA)
  • Remote Sensing (AREA)
  • Position Fixing By Use Of Radio Waves (AREA)
  • Image Processing (AREA)

Abstract

本发明涉及一种矮化密植果树冠层三维地图构建系统，包括三目视觉相机、工控机和GPS，所述三目视觉相机安装在植保机械头部，所述GPS的卫星天线安装在所述植保机械的几何中心；所述三目视觉相机和GPS分别通过1394B接口和RS232接口与工控机电性相连。本发明通过长、短基线两套视觉系统同时对图像特征点检测与匹配，获得相机坐标系的空间坐标；工控机采集GPS的信息，转换到世界坐标系；将相机空间坐标转换到世界坐标系中；绕道果树另外一侧，按照同样的方法获取果树冠层点云坐标；两侧点云数据拼接，完成三维地图构建。本发明能够以较低的成本，创建较高精度的矮化密植果树冠层三维地图，为自走式植保机械的作业提供依据，避免了资源浪费，提高了农业机械的智能化水平。

Description

一种矮化密植果树冠层三维地图构建系统和方法
技术领域
本发明涉及一种智能化农机装备，尤其是一种适用于矮化密植果树的机械运行时构建果树冠层三维地图的系统和方法，具体的说是一种矮化密植果树冠层三维地图构建系统和方法。
背景技术
具有复式作业功能的自主导航植保机械能够在行驶过程中执行两种或两种以上的作业任务，如除草、施肥、喷雾等，能够大大提高作业效率。但是施肥和喷雾作业需要测得精准的果树冠层位置及体积等信息，依此调节肥量和雾量，实现变量作业，避免造成资源浪费。
目前，常用的冠层信息检测方式是采用二维激光雷达周期性扫描，可以确定冠层截面，但是较难确定冠层体积。若采用三维激光雷达，则又价格昂贵，增加使用成本。因此，需要设计一种既能够准确测定冠层体积，又可不大幅增加成本的设备和方法，为智能农机的发展创造有利条件。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种矮化密植果树冠层三维地图构建系统和方法，可以有效提高对果树冠层测量的准确性，同时，又可节约成本，提高效益。
本发明的技术方案是：
一种矮化密植果树冠层三维地图构建系统，包括三目视觉相机、工控机和GPS，所述三目视觉相机安装在植保机械头部，距离地面高度1.2±0.1m，光轴与地面呈30±5°夹角；所述GPS的卫星天线安装在所述植保机械的几何中心；所述三目视觉相机和GPS分别通过1394B接口和RS232接口与所述工控机相连，使该工控机能够控制所述三目视觉相机和GPS采集和传输信息。
进一步的，所述三目视觉相机包括左、中和右三个相机，其中，右相机和中相机组合成短基线双目视觉系统，右相机和左相机组合成长基线双目视觉系统；该两套视觉系统空间坐标系原点均位于右相机光心，水平向右为x轴正方向，垂直向下为y轴正方向，按照右手定则确定z轴正方向。
进一步的，所述短基线双目视觉系统中的短基线长度为10cm，所述长基线双目视觉系统中的长基线长度为20cm。
进一步的，所述GPS为RTK-GPS(载波相位实时差分GPS)，使其定位精度更高。
一种矮化密植果树冠层三维地图构建方法，包括以下步骤：
1)使植保机械行走在两行果树之间，由工控机控制右、中、左三个相机同时采集两侧果树冠层图像，并分别通过长、短基线两套视觉系统同时对图像特征点检测与匹配，再通过视差法计算冠层特征点云在相机坐标系的空间坐标；
2)工控机采集GPS的信息，获取当前位置的经纬度和高程信息，并通过高斯吕克投影转换到世界坐标系；
3)将上述步骤1)中的所有相机坐标系中的点云通过坐标变换，转换到世界坐标系下；
4)使植保机械行驶到果树另外一侧，重复步骤1)～步骤3)，获取果树冠层点云坐标，并转换到世界坐标系下；
5)对世界坐标系下的果树冠层三维点云进行曲面拟合，获取点云包络面，完成三维地图创建。
进一步的，所述步骤3)中，通过尺子和倾角仪测量相机坐标系到移动坐标系的平移变换矩阵为T，旋转变换矩阵为R，则相机坐标系中点云坐标PC变换到世界坐标下PW的公式为：PW＝R×PC+T+G。
本发明的有益效果：
本发明设计合理，结构简单，实施方便，能够以较低的成本，创建较高精度的矮化密植果树冠层三维地图，为自走式植保机械的作业提供依据，避免资源浪费，提高农业机械的智能化水平。
附图说明
图1是本发明系统的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。
如图1所示。
以施肥喷雾一体化作业植保机为例。
(1)将三目视觉相机安装在植保机械的头部，距离地面高度1.2±0.1m，光轴与地面呈30±5°夹角。同时，将RTK-GPS的卫星天线通过吸盘固定在植保机械的几何中心。所述工控机分别通过1394B接口和RS232接口与三目视觉相机和RTK-GPS连接。
(2)所述三目视觉相机中的右相机和中相机组合成短基线双目视觉系统。同时，右相机和左相机组合成长基线双目视觉系统。其中，短基线的长度为10cm，长基线长度为20cm。
(3)植保机械在两行果树之间行驶时，由工控机控制右、中、左三个相机同时采集两侧果树冠层图像，并分别通过长、短基线两套视觉系统同时对图像特征点检测与匹配，再通过视差法计算冠层特征点云在相机坐标系的空间坐标。两套视觉系统空间坐标系原点重合，均在右相机光心，水平向右为x轴正方向，垂直向下为y轴正方向，按照右手定则确定z轴正方向。
(4)工控机采集RTK-GPS的信息，获取当前位置的经纬度和高程信息，并通过高斯吕克投影转换到世界坐标系，得到GPS卫星天线几何中心的三维坐标为G。
(5)在RTK-GPS卫星天线的几何中心建立移动坐标系，正东为x轴正方向，正北为y轴正方向，垂直向上为z轴正方向。通过尺子和倾角仪测量相机坐标系到移动坐标系的平移变换矩阵为T，旋转变换矩阵为R。那么，相机坐标系中点云坐标PC变换到世界坐标下PW的公式为：PW＝R×PC+T+G。通过该公式，将两套视觉系统相机坐标系中的点云全部转换到世界坐标系下。
(6)使植保机械行驶到果树另外一侧，按照同样的方法获取果树冠层点云坐标，并转换到世界坐标系下。
(7)对世界坐标系下的果树冠层三维点云通过常规最小二乘法进行曲面拟合，获取点云包络面方程，完成三维地图创建。
本发明通过两次测量，可获得更多的点云数据，有效提高测量精度。
本发明未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。

Claims (5)

1.一种矮化密植果树冠层三维地图构建系统，包括三目视觉相机、工控机和GPS，其特征是所述三目视觉相机安装在植保机械头部，距离地面高度1.2±0.1m，光轴与地面呈30±5°夹角；所述GPS的卫星天线安装在所述植保机械的几何中心；所述三目视觉相机和GPS分别通过1394B接口和RS232接口与所述工控机相连，使该工控机能够控制所述三目视觉相机和GPS采集和传输信息；所述三目视觉相机包括左、中和右三个相机，其中，右相机和中相机组合成短基线双目视觉系统，右相机和左相机组合成长基线双目视觉系统；两套视觉系统空间坐标系原点均位于右相机光心，水平向右为x轴正方向，垂直向下为y轴正方向，按照右手定则确定z轴正方向。
2.根据权利要求1所述的矮化密植果树冠层三维地图构建系统，其特征是所述短基线双目视觉系统中的短基线长度为10cm，所述长基线双目视觉系统中的长基线长度为20cm。
3.根据权利要求1所述的矮化密植果树冠层三维地图构建系统，其特征是所述GPS为RTK-GPS，使其定位精度更高。
4.一种采用权利要求1所述系统的矮化密植果树冠层三维地图构建方法，其特征是包括以下步骤：
1）使植保机械行走在两行果树之间，由工控机控制右、中、左三个相机同时采集两侧果树冠层图像，并分别通过长、短基线两套视觉系统同时对图像特征点检测与匹配，再通过视差法计算冠层特征点云在相机坐标系的空间坐标；
2）工控机采集GPS的信息，获取当前位置的经纬度和高程信息，并通过高斯吕克投影转换到世界坐标系；
3）将上述步骤1）中的所有相机坐标系中的点云通过坐标变换，转换到世界坐标系下；
4）使植保机械行驶到果树另外一侧，重复步骤1）~步骤3），获取果树冠层点云坐标，并转换到世界坐标系下；
5）对世界坐标系下的果树冠层三维点云进行曲面拟合，获取点云包络面，完成三维地图创建。
5.根据权利要求4所述的矮化密植果树冠层三维地图构建方法，其特征是所述步骤3）中，通过尺子和倾角仪测量相机坐标系到移动坐标系的平移变换矩阵为T，旋转变换矩阵为R，则相机坐标系中点云坐标PC变换到世界坐标下PW的公式为：PW=R×PC+T+G。
CN201710646547.2A 2017-08-01 2017-08-01 一种矮化密植果树冠层三维地图构建系统和方法 Active CN107255446B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201710646547.2A CN107255446B (zh) 2017-08-01 2017-08-01 一种矮化密植果树冠层三维地图构建系统和方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201710646547.2A CN107255446B (zh) 2017-08-01 2017-08-01 一种矮化密植果树冠层三维地图构建系统和方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN107255446A CN107255446A (zh) 2017-10-17
CN107255446B true CN107255446B (zh) 2020-01-07

Family

ID=60025347

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201710646547.2A Active CN107255446B (zh) 2017-08-01 2017-08-01 一种矮化密植果树冠层三维地图构建系统和方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN107255446B (zh)

Families Citing this family (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN108827245A (zh) * 2018-05-17 2018-11-16 北京林业大学 一种双镜头便携式林业调查设备
CN110120090B (zh) * 2019-04-01 2020-09-25 贝壳找房(北京)科技有限公司 三维全景模型构建方法、装置及可读存储介质
CN111950524B (zh) * 2020-08-28 2024-03-29 广东省现代农业装备研究所 一种基于双目视觉和rtk的果园局部稀疏建图方法和系统
CN112833292A (zh) * 2021-02-04 2021-05-25 东北农业大学 一种夹持杆、夹持机构以及植被覆盖度采集装置

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2007114168A (ja) * 2005-10-17 2007-05-10 Applied Vision Systems Corp 画像処理方法および装置、並びにプログラム
CN102800083A (zh) * 2012-06-19 2012-11-28 中国农业大学 基于双目视觉网格划分匹配算法的农作物喷雾定位方法
CN103793895A (zh) * 2014-01-10 2014-05-14 中国农业大学 一种果树冠层器官图像拼接方法
CN104680556A (zh) * 2015-02-16 2015-06-03 燕山大学 基于视差的鱼类运动三维轨迹跟踪方法
CN104866819A (zh) * 2015-04-30 2015-08-26 苏州科技学院 一种基于三目视觉系统的地形分类方法
CN105371762A (zh) * 2015-11-20 2016-03-02 南京农业大学 一种基于图像分析的果树树冠体积测量方法
CN106840112A (zh) * 2017-01-09 2017-06-13 天津大学 一种利用自由空间视线凝视点测量的空间几何量测量方法

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2007114168A (ja) * 2005-10-17 2007-05-10 Applied Vision Systems Corp 画像処理方法および装置、並びにプログラム
CN102800083A (zh) * 2012-06-19 2012-11-28 中国农业大学 基于双目视觉网格划分匹配算法的农作物喷雾定位方法
CN103793895A (zh) * 2014-01-10 2014-05-14 中国农业大学 一种果树冠层器官图像拼接方法
CN104680556A (zh) * 2015-02-16 2015-06-03 燕山大学 基于视差的鱼类运动三维轨迹跟踪方法
CN104866819A (zh) * 2015-04-30 2015-08-26 苏州科技学院 一种基于三目视觉系统的地形分类方法
CN105371762A (zh) * 2015-11-20 2016-03-02 南京农业大学 一种基于图像分析的果树树冠体积测量方法
CN106840112A (zh) * 2017-01-09 2017-06-13 天津大学 一种利用自由空间视线凝视点测量的空间几何量测量方法

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
"基于Gray_EKF算法的智能农业车辆同时定位与地图创建";田光兆等;《农业工程学报》;20121031;第28卷(第19期);第17-25页 *
"欠点特征环境的视觉同步定位与制图研究";戴立根;《中国优秀硕士学位论文全文数据库 信息科技辑》;20170215(第2期);第I138-4054页 *

Also Published As

Publication number Publication date
CN107255446A (zh) 2017-10-17

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN110779498B (zh) 基于无人机多视点摄影的浅水河流水深测绘方法及系统
CN108663681B (zh) 基于双目摄像头与二维激光雷达的移动机器人导航方法
CN107255446B (zh) 一种矮化密植果树冠层三维地图构建系统和方法
CN108921947B (zh) 生成电子地图的方法、装置、设备、存储介质以及采集实体
CN101241011B (zh) 激光雷达平台上高精度定位、定姿的装置和方法
EP3062066A1 (en) Determination of object data by template-based UAV control
CN109238240A (zh) 一种顾及地形的无人机倾斜摄影方法及其摄影系统
CN110223386A (zh) 一种基于多源无人机遥感数据融合的数字地形建模方法
CN112987065B (zh) 一种融合多传感器的手持式slam装置及其控制方法
CN101335431A (zh) 基于机载激光雷达数据的架空送电线路优化选线方法
CN113820735B (zh) 位置信息的确定方法、位置测量设备、终端及存储介质
CN105388494B (zh) 一种应用于rtk接收机的激光测距定位方法
CN109032174B (zh) 一种无人机作业航线规划方法以及作业执行方法
Vacca et al. The use of the UAV images for the building 3D model generation
CN110389369A (zh) 基于rtk-gps和移动二维激光扫描的冠层点云获取方法
CN112197741A (zh) 基于扩展卡尔曼滤波的无人机slam技术测量倾斜角系统
CN109975848B (zh) 基于rtk技术的移动测量系统精度优化方法
CN105547282A (zh) 一种用于移动定位目标的方法及测量设备
CN111006645A (zh) 基于运动与结构重建的无人机测绘方法
ABULRAHMAN Evaluation of UAV-based DEM for volume calculation
CN211060910U (zh) 一种无人机测量和机载激光雷达的像控点标靶系统
CN116957360A (zh) 一种基于无人机的空间观测与重建方法及系统
Hlotov et al. Accuracy investigation of creating orthophotomaps based on images obtained by applying Trimble-UX5 UAV
CN111121727A (zh) 一种无人机测量和机载激光雷达的像控点标靶系统及方法
CN114966793B (zh) 三维测量系统、方法及gnss系统

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant