CN109990721A - 一种基于线结构光的树木直径自动测量系统和测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于线结构光的树木直径自动测量系统和测量方法，所述的测量系统包括检测部分和工作站；检测部分包括：小车、电机、电池、控制器、图像处理模块、车载图传模块、车载数传模块、检测云台、GPS模块；工作站包括：工作站图传模块、工作站数传模块、工作站显示模块和工作站存储模块；所述的测量方法为控制所述的测量系统对树木的中心骨架与其水平面的夹角，结构光条纹并计算其长度，摄像头与被测树木距离，然后对所测得的数据进行计算，算出被测树木的直径；本发明可实现自动化非接触测量，从而提高树木径向生长测量的工作效率，减少人力物力的耗费。

Description

一种基于线结构光的树木直径自动测量系统和测量方法

技术领域

本发明涉及林业领域，更具体地，涉及一种基于线结构光的树木直径自动测量系统和测量方法。

背景技术

树木的直径在林业和一些相关领域中是一个重要因子，直径的有效获取具有关键意义；进行森林清查和森林建模都需要进行树木直径测量，蓄积量、生物量、生长情况、价值评估、栖息地评估几乎都是用直径测量来评估和建模。树木直径测量，尤其是对树木胸径的测量是我国林业监测领域的一项重要工作。

传统的树木径向生长量测量多采用由技术人员手持轮尺或皮尺等测量工具进行测量的方式，这种接触性的测量方法存在着测量存在着较大的误差，且测量的结果需要通过人工记录，不能自动记录，容易造成数据丢失等问题；工作效率低，需要耗费大量人力物力；在测量过程中，往往需要技术人员双手直接接触树木表面，因此容易造成技术人员被树木表面的分泌物和尖刺所伤害，同时这种方法无法测量树径较大的树木。

对于树木直径自动测量装置的研制，国内处于起步阶段，且多数仍是采用接触测量法来实现的，仍未实现自动化非接触测量；接触测量法的装置需要技术人员手动安装，将其固定在树干上的进行测量由此耗费大量的人力资源；测量过程仍然没有从根本上解决技术人员的安全问题。

发明内容

本发明为克服上述现有技术所述的对树木直径的测量未实现自动化非接触测量缺陷，提供一种基于线结构光的树木直径自动测量系统和测量方法。

本发明所述的测量系统包括检测部分和工作站；检测部分包括：小车、电机、电池、控制器、图像处理模块、车载图传模块、车载数传模块、检测云台、GPS模块；工作站包括：工作站图传模块、工作站数传模块、工作站显示模块和工作站存储模块；

电机、控制器、图像处理模块、车载图传模块、车载数传模块、检测云台分别与电池连接；

电机、图像处理模块、检测云台分别与控制模块连接；

检测云台、车载图传模块、车载数传模块分别与图像处理模块连接；

GPS模块与车载数传模块连接；

工作站图传模块与车载图传模块连接；

工作站数传模块与车载数传模块连接；

工作站图传模块、工作站数传模块分别与工作站显示模块连接；

工作站数传模块与工作站存储模块连接。

优选地，GPS模块、电机、电池、控制器、图像处理模块、车载图传模块、车载数传模块、检测云台分别搭载于小车上。

优选地，检测云台与小车之间设有伸缩杆，伸缩杆与控制器连接。

优选地，所述的检测云台包括步进电机、线激光器、补光灯、摄像头、TOF测距模块、云台支架；

摄像头与图像处理模块连接；

线激光器、补光灯、摄像头、TOF测距模块设于云台支架上；

步进电机设在伸缩杆上，用于控制云台支架旋转；

步进电机、线激光器、补光灯、摄像头、TOF测距模块分别与控制器连接。

优选地，所述的补光灯由9个650nm发光二极管组成。

优选地，线激光器的中心点与摄像头的中心点安装于同一水平线上，用于为测量过程提供线结构光；TOF测距模块的中心点与摄像头的中心点安装于同一竖直线上，用于测量被测树木与摄像头的水平距离。

优选地，所述的测量系统还包括沿路肩行驶模块，沿路肩行驶模块与控制器连接，沿路肩行驶模块设于小车的两侧；用于检测小车两侧是否有路肩；

所述的测量系统还包括避障模块，避障模块设于小车前端，用于检测小车前方是否存在障碍物。

优选地，所述的小车设有防震器；防震器设于小车的车身与车轮之间。

本发明所述的测量方法应用于本发明所述的测量系统；所述方法包括以下步骤：

S1：工作站发送指令给控制器控制小车开始行驶，并开启补光灯和摄像头；工作站显示模块实时显示摄像头所拍摄的画面和GPS模块所发送的位置信息；

S2：图像处理模块将摄像头所采集的图像信息进行处理，当摄像头所拍摄到的视野中出现树木时，选定一待测树木并计算其中心点坐标；将此中心坐标与摄像头所采集图像的中心坐标进行比较，当该树木位于图像画面中心位置时，向主控制器发送信号；

S3：主控制器接收到信号，立刻使小车停止前进；

S4：图像处理模块将摄像头所采集的图像作进一步处理：提取该树木中心骨架并计算其与水平面的夹角为倾斜角θ，将倾斜角θ与实验结果所得最小倾斜角θ_min比较；若θ<θ_min则为倾斜生长的树木，向工作站发出警报信号；若θ>θ_min则为正常生长的树木，向主控制器发送信号；

S5：主控制器接收到信号，发出指令关闭补光灯、打开线激光器，同时启动TOF测距模块；

S6：图像处理模块将摄像头所采集的线结构光条纹的图像进行图像预处理，预处理所得图像经基尔霍夫变换提取线结构光条纹，并得到该线结构光条纹的像素点个数x，计算结构光条纹实际长度，则其实际长度l可由以下公式计算所得：

l＝x·psize

其中psize为单个像素感光单元的实际的物理尺寸；

与此同时，TOF测距模块测量被测树木与摄像头的距离，并将测量结果发送给图像处理模块，图像处理模块根据线结构光条纹长度及被测树木与摄像头的距离计算该树木直径，并将计算结果发送给工作站数传模块；

S7：工作站数传模块将接收到的树木直径和小车位置信息存储在工作站存储模块中；

S8：该树木测量结束，主控制器关闭线激光器、TOF测距模块；

S9：判断是否需要进行下一棵树木的测量，若不需要，则关闭系统，退出测量；若需继续测量，则重新开启补光灯，同时控制小车继续向前行驶，当下一棵待测树木进入摄像头所拍摄到的视野中出现时，重复S1～S9。

优选地，步骤S6中树木直径的计算公式为：

其中，f为摄像头焦距，μ为摄像头分辨率，l为结构光条纹长度，L为摄像头与被测树木距离，d为被测树木直径估计结果，D为被测树木直径测量结果。

与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是：本发明可实现自动化非接触测量，从而提高树木径向生长测量的工作效率，减少人力物力的耗费。

附图说明

图1为本发明车载部分等轴侧图。

图2为本发明车载部分正视图。

图3为本发明车载部分检测云台等轴侧图。

图4为本发明车载部分检测云台正视图。

图5为本发明车载部分检测云台侧视图。

图6为本发明树木直径自动测量系统结构图。

其中，1-小车，2-电机，3-电池，4-控制器，5-检测云台，6-伸缩杆，7-沿路肩行驶模块，8-避障模块，9-防震器，501-步进电机，502-线激光器，503-补光灯，504-摄像头，505-TOF测距模块，506-云台支架。

具体实施方式

附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；

为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；

对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。

实施例1

本实施例提供一种基于线结构光的树木直径自动测量系统，如图1-6所示，所述测量系统包括：检测部分和工作站。其中检测部分包括：小车1、电机2、电池3、控制器4、检测云台5、图像处理模块、车载图传模块、车载数传模块、GPS模块；工作站包括：工作站图传模块、工作站数传模块、工作站显示模块和工作站存储模块。

电机2、控制器4、图像处理模块、车载图传模块、车载数传模块、检测云台5分别与电池连接；

电机2、图像处理模块、检测云台5分别与控制模块连接；

检测云台5、车载图传模块、车载数传模块分别与图像处理模块连接；

GPS模块与车载数传模块连接；

工作站图传模块与车载图传模块连接；

工作站数传模块与车载数传模块连接；

工作站图传模块、工作站数传模块分别与工作站显示模块连接；

工作站数传模块与工作站存储模块连接。

GPS模块、电机1、电池3、控制器4、图像处理模块、车载图传模块、车载数传模块、检测云台5分别搭载于小车1上。

检测云台5与小车1之间设有伸缩杆6，伸缩杆6与控制器4连接。

所述的检测云台5包括步进电机501、线激光器502、补光灯503、摄像头504、TOF测距模块505、云台支架506；

线激光器502、补光灯503、摄像头504、TOF测距模块505设于云台支架506上；

步进电机501设在伸缩杆6上，控制云台支架506旋转；

步进电机501、线激光器502、补光灯503、摄像头504、TOF测距模块505分别与控制器4连接。

所述的补光灯503由9个650nm发光二极管组成。

所述的测量系统还包括沿路肩行驶模块7，沿路肩行驶模块7与控制器4连接，沿路肩行驶模块7设于小车1的两侧；用于检测小车1两侧是否有路肩。

所述的测量系统还包括避障模块8，避障模块8设于小车1前端，用于检测小车1前方是否存在障碍物。

所述的小车设有防震器9；防震器9设于小车1的车身与车轮之间。

所述的图像处理模块、车载图传模块、车载数传模块、GPS模块集成于控制器4内。

沿肩行驶模7块安装于小车1左右两侧，用于检测路肩。避障模块8安装小车1前端，用于检测小车1前方是否存在障碍物。控制器4根据沿路肩行驶模块7、避障模块8所发送的信号计算小车行驶路线，控制电机2，从而控制小车1沿着路肩行驶。电池3为系统工作提供电源。防震器9安装在车身与车轮间，用于减少小车1行驶过程中震动，避免检测云台5大幅度晃动。伸缩杆6安装于车身上端平面的中心位置，用于支撑检测云台5，同时可通过该伸缩杆6调整检测云台在垂直方向的位置。GPS模块与车载数传模块连接，用于获取小车的实时位置，并由车载数传模块发送给工作站。图像处理模块用于处理摄像头所采集的图像信息，从而计算出被测树木的直径。车载图传模块用于将拍摄到的图像传回工作站，车载数传模块用于将传回小车实时位置和直径测量结果等数据。

步进电机501与云台支架506连接，同时线激光器502、补光灯503、摄像头504、TOF测距模块505均安装固定在云台支架506上。步进电机501通过控制云台支架506旋转，从而控制摄像头504旋转。补光灯503由9个650nm发光二极管组成，由于本测量系统工作时间为夜晚，所以需要补光灯503进行补光。线激光器502的中心点与摄像头504的中心点安装于同一水平线上，用于为测量过程提供线结构光。摄像头504与图像处理模块连接，用于采集图像，同时将采集的图像信息发送给图像处理模块进行处理。TOF测距模块505的中心点与摄像头504的中心点安装于同一竖直线上，用于测量被测树木与摄像头的水平距离。

所述的工作站包括：工作站图传模块、工作站数传模块、工作站显示模块和工作站存储模块。工作站图传模块用于接收车载图传模块拍摄到的图像，并发送到工作站显示模块中显示。工作站数传模块用于接收车载数传模块所发送的数据，并将数据发送给显示模块和存储模块。工作站显示模块接收工作站图传模块接收到的图像信息和车载数传模块所发送的数据，并实时显示在显示器上。存储模块用于存储车载数传模块所发送的数据。

实施例2

本实施例提供一种基于线结构光的树木直径自动测量方法，所述的测量方法应用于实施例1所述的测量系统；所述方法包括以下步骤：

S1：工作站发送指令给控制器控制小车开始行驶，并开启补光灯和摄像头；工作站显示模块实时显示摄像头所拍摄的画面和GPS模块所发送的位置信息；

S2：图像处理模块将摄像头所采集的图像信息进行处理，当摄像头所拍摄到的视野中出现树木时，选定一待测树木并计算其中心点坐标；将此中心坐标与摄像头所采集图像的中心坐标进行比较，当该树木位于图像画面中心位置时，向主控制器发送信号；

S3：主控制器接收到信号，立刻使小车停止前进；

S4：图像处理模块将摄像头所采集的图像作进一步处理：提取该树木中心骨架并计算其与水平面的夹角为倾斜角θ，将倾斜角θ与实验结果所得最小倾斜角θ_min比较；若θ<θ_min则为倾斜生长的树木，向工作站发出警报信号；若θ>θ_min则为正常生长的树木，向主控制器发送信号；

S5：主控制器接收到信号，发出指令关闭补光灯、打开线激光器，同时启动TOF测距模块；

S6：图像处理模块将摄像头所采集的线结构光条纹的图像进行图像预处理，预处理所得图像经基尔霍夫变换提取线结构光条纹，并得到该线结构光条纹的像素点个数x，计算结构光条纹实际长度，则其实际长度l可由以下公式计算所得：

l＝x·psize

其中psize为单个像素感光单元的实际的物理尺寸；

与此同时，TOF测距模块测量被测树木与摄像头的距离，并将测量结果发送给图像处理模块，图像处理模块根据线结构光条纹长度及被测树木与摄像头的距离计算该树木直径，并将计算结果发送给工作站数传模块；

S7：工作站数传模块将接收到的树木直径和小车位置信息存储在工作站存储模块中；

S8：该树木测量结束，主控制器关闭线激光器、TOF测距模块；

S9：判断是否需要进行下一棵树木的测量，若不需要，则关闭系统，退出测量；若需继续测量，则重新开启补光灯，同时控制小车继续向前行驶，当下一棵待测树木进入摄像头所拍摄到的视野中出现时，重复S1～S9。

所述的步骤S6中树木直径的计算公式为：

其中，f为摄像头焦距，μ为摄像头分辨率，l为结构光条纹长度，L为摄像头与被测树木距离，d为被测树木直径估计结果，D为被测树木直径测量结果。

相同或相似的标号对应相同或相似的部件；

附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于线结构光的树木直径自动测量系统，其特征在于，所述的测量系统包括检测部分和工作站；检测部分包括：小车、电机、电池、控制器、图像处理模块、车载图传模块、车载数传模块、检测云台、GPS模块；工作站包括：工作站图传模块、工作站数传模块、工作站显示模块和工作站存储模块；

电机、控制器、图像处理模块、车载图传模块、车载数传模块、检测云台分别与电池连接；

电机、图像处理模块、检测云台分别与控制模块连接；

检测云台、车载图传模块、车载数传模块分别与图像处理模块连接；

GPS模块与车载数传模块连接；

工作站图传模块与车载图传模块连接；

工作站数传模块与车载数传模块连接；

工作站图传模块、工作站数传模块分别与工作站显示模块连接；

工作站数传模块与工作站存储模块连接。

2.根据权利要求1所述的基于线结构光的树木直径自动测量系统，其特征在于，GPS模块、电机、电池、控制器、图像处理模块、车载图传模块、车载数传模块、检测云台分别搭载于小车上。

3.根据权利要求2所述的基于线结构光的树木直径自动测量系统，其特征在于，检测云台与小车之间设有伸缩杆，伸缩杆与控制器连接。

4.根据权利要求3所述的基于线结构光的树木直径自动测量系统，其特征在于，所述的检测云台包括步进电机、线激光器、补光灯、摄像头、TOF测距模块、云台支架；

摄像头与图像处理模块连接；

线激光器、补光灯、摄像头、TOF测距模块设于云台支架上；

步进电机设在伸缩杆上，用于控制云台支架旋转；

步进电机、线激光器、补光灯、摄像头、TOF测距模块分别与控制器连接。

5.根据权利要求4所述的基于线结构光的树木直径自动测量系统，其特征在于，所述的补光灯由9个650nm发光二极管组成。

6.根据权利要求4所述的基于线结构光的树木直径自动测量系统，其特征在于，线激光器的中心点与摄像头的中心点安装于同一水平线上，用于为测量过程提供线结构光；TOF测距模块的中心点与摄像头的中心点安装于同一竖直线上，用于测量被测树木与摄像头的水平距离。

7.根据权利要求6所述的基于线结构光的树木直径自动测量系统，其特征在于，所述的测量系统还包括沿路肩行驶模块，沿路肩行驶模块与控制器连接，沿路肩行驶模块设于小车的两侧；用于检测小车两侧是否有路肩；

所述的测量系统还包括避障模块，避障模块设于小车前端，用于检测小车前方是否存在障碍物。

8.根据权利要求1所述的基于线结构光的树木直径自动测量系统，其特征在于，所述的小车设有防震器；防震器设于小车的车身与车轮之间。

9.一种基于线结构光的树木直径自动测量方法，其特征在于，所述的测量方法应用于权利要求7所述的测量系统；所述方法包括以下步骤：

S1：工作站发送指令给控制器控制小车开始行驶，并开启补光灯和摄像头；工作站显示模块实时显示摄像头所拍摄的画面和GPS模块所发送的位置信息；

S2：图像处理模块将摄像头所采集的图像信息进行处理，当摄像头所拍摄到的视野中出现树木时，选定一待测树木并计算其中心点坐标；将此中心坐标与摄像头所采集图像的中心坐标进行比较，当该树木位于图像画面中心位置时，向主控制器发送信号；

S3：主控制器接收到信号，立刻使小车停止前进；

S4：图像处理模块将摄像头所采集的图像作进一步处理：提取该树木中心骨架并计算其与水平面的夹角为倾斜角θ，将倾斜角θ与实验结果所得最小倾斜角θ_min比较；若θ<θ_min则为倾斜生长的树木，向工作站发出警报信号；若θ>θ_min则为正常生长的树木，向主控制器发送信号；

S5：主控制器接收到信号，发出指令关闭补光灯、打开线激光器，同时启动TOF测距模块；

S6：图像处理模块将摄像头所采集的线结构光条纹的图像进行图像预处理，预处理所得图像经基尔霍夫变换提取线结构光条纹，并得到该线结构光条纹的像素点个数x，计算结构光条纹实际长度l，结构光条纹实际长度l由以下公式计算所得：

l＝x·psize

其中psize为单个像素感光单元的实际的物理尺寸；

与此同时，TOF测距模块测量被测树木与摄像头的距离，并将测量结果发送给图像处理模块，图像处理模块根据线结构光条纹长度及被测树木与摄像头的距离计算该树木直径，并将计算结果发送给工作站数传模块；

S7：工作站数传模块将接收到的树木直径和小车位置信息存储在工作站存储模块中；

S8：该树木测量结束，主控制器关闭线激光器、TOF测距模块；

S9：判断是否需要进行下一棵树木的测量，若不需要，则关闭系统，退出测量；若需继续测量，则重新开启补光灯，同时控制小车继续向前行驶，当下一棵待测树木进入摄像头所拍摄到的视野中出现时，重复S1～S9。

10.根据权利要求9所述的基于线结构光的树木直径自动测量方法，其特征在于，步骤S6中树木直径的计算公式为：

其中，f为摄像头焦距，μ为摄像头分辨率，l为结构光条纹长度，L为摄像头与被测树木距离，d为被测树木直径估计结果，D为被测树木直径测量结果。