CN111288934A - 一种基于移动激光扫描的靶标叶面积在线计算方法 - Google Patents

一种基于移动激光扫描的靶标叶面积在线计算方法 Download PDF

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Abstract

一种基于移动激光扫描的靶标叶面积在线计算方法，它采用移动激光扫描传感器获取靶标即树木的激光数据，根据移动激光扫描传感器的移动速度结合移动激光扫描传感器获得的测量距离计算变尺度格网面积，通过累加对应于各喷头的变尺度格网面积计算靶标叶面积，生成变量喷雾的数据基础，适用于疏枝果园；本发明提供的靶标叶面积测量方法处理速度快，实时性好，能满足实时变量对靶喷雾需求。

Description

一种基于移动激光扫描的靶标叶面积在线计算方法
技术领域
本发明涉及对靶喷雾技术领域，尤其是基于激光处理技术的靶标叶面积测量方法，具体地说是一种基于移动激光扫描的靶标叶面积在线计算方法。
背景技术
目前，针对林木病虫害居高不下，传统施药方式浪费农药、污染环境等问题，智能对靶喷雾技术的研究已开展10余年。智能对靶喷雾系统通过实时传感器检测树木靶标，得到靶标位置、形状、体积等信息，据此确定喷雾位置和剂量，控制一个或多个喷头的开闭和流量，实施间歇式或变量对靶喷雾。
国内外学者主要采用超声波、红外、可见光、激光传感器测量靶标位置、形状、体积等信息。超声波、红外传感器较粗放，测量误差大，准确性差；可见光传感器易受光照影响，且无法获取距离信息。
对于疏枝果园，为增加果树产量、提高果实质量，果树冠层被修剪的较为稀疏，枝条的分支角较大，叶片重叠程度低，采用现有的传感器数据难以计算冠层体积。
发明内容
本发明的目的是针对现有变量对靶喷雾技术中的靶标叶面积测量方法智能化水平较低，应用场合受到限制的问题，提出一种基于移动激光扫描的靶标叶面积在线计算方法。
本发明的技术方案是：
本发明提供一种基于移动激光扫描的靶标叶面积在线计算方法，它采用移动激光扫描传感器获取靶标即树木的激光数据，根据移动激光扫描传感器的移动速度结合移动激光扫描传感器获得的测量距离计算变尺度格网面积，通过累加对应于各喷头的变尺度格网面积计算靶标叶面积。
进一步地，具体包括以下步骤：
步骤1、将移动激光扫描传感器安装在喷雾车辆上，喷雾车辆经过任一排待喷雾树木，移动激光扫描传感器获取树木的激光数据，包括各扫描点的测量距离和扫描角度；
步骤2、判断感兴趣区域内是否存在树木靶标，若不存在，令树冠叶面积为0，之后执行步骤1；否则，执行步骤3；
步骤3、进行喷雾车速度检测，若检测到喷雾车速度v，执行步骤4；否则，停止执行并报警；
步骤4、根据测量距离和喷雾车速度v计算变尺度格网面积，再累加变尺度格网面积计算对应于各喷头的树冠表面的叶面积，之后执行步骤5；
步骤5、根据步骤4得到的对应于各个喷头的格网面积计算真实的树冠叶面积。
进一步地，步骤1具体为：采用移动激光扫描传感器获取树木的激光数据
Figure BDA0002416254380000021
其中，N为当前扫描采集的扫描点数，i表示扫描点的编号，ri、αi分别为激光扫描传感器到第i个扫描点的测量距离和扫描角度；然后，将各扫描点的数据由极坐标系变换到直角坐标系yz下，变换公式为：
yi＝-ricosαi
zi＝-risinαi
其中，x轴为车辆行驶方向，y轴为喷雾方向，z轴垂直地面向上，yi、zi为第i个扫描点在直角坐标系上y、z轴的坐标，yi表示车载二维激光扫描传感器到第i个扫描点在深度方向的垂直距离，zi表示车载二维激光扫描传感器到第i个扫描点在高度方向的垂直距离。
进一步地，步骤2中：感兴趣区域即预先设置的激光数据在y、z方向上的范围；该感兴趣区域的y、z轴的坐标范围是Ymin≤y≤Ymax，Zmin≤z≤Zmax，其中，Ymin是喷雾场景中树冠外缘到车载二维激光扫描传感器的最小深度距离，范围是：0.5m～2m，Ymax是树干到传感器的最大深度距离，范围是1.5m～3m，Zmin是靶标底部到传感器的垂直距离，为负值，范围是-1.5m～-0.5m，Zmax是最高靶标到传感器的垂直距离，范围是0.5m～3.0m。
进一步地，Ymin为1.0m，Ymax为2.0m，Zmin为-0.5m，Zmax为2.0m。
进一步地，步骤4具体包括以下步骤：
步骤4、将移动激光扫描传感器单次扫描数据离散化为不同高度的小长方形，分别计算喷雾车辆上安装的n个喷头对应喷雾区域的面积即变尺度格网面积S(j)，j表示喷头编号，具体包括以下步骤：
步骤41、根据移动激光扫描传感器到第i个扫描点的距离ri与激光扫描传感器分辨率的弧度值Δα计算变尺度格网的宽ds，
ds(i)＝ri·Δα；
步骤42、采用下述公式计算变尺度格网的长度dm，
dm(i)＝vi·Δt·M
其中：Δt为移动激光传感器的扫描周期；vi表示在第i个扫描点的喷雾车速度；M表示移动激光传感器的扫描帧数；
步骤43、计算各个喷头对应喷雾区域的变尺度格网面积S(j)，
Figure BDA0002416254380000031
其中，j表示喷头编号，Z(j)是第j个喷头的高度范围，
Figure BDA0002416254380000032
表示第i和第i+1个扫描点在z方向的均值落在第j个喷头高度范围内的所有点的集合；
进一步地，步骤5具体为：采用线性模型拟合树冠总体叶面积TGA，a、分别表示一次项系数：
TGA＝aS(j)+b。
进一步地，a、b由试验得到，取值分别为2.899，-1.002。
本发明的有益效果：
本发明与现有技术相比，其显著优点如下：
1)本发明以移动激光传感器的扫描方向和移动方向作为格网尺度，通过累加计算感兴趣区域的变尺度格网的面积，从而计算感兴趣区域的叶面积，生成变量喷雾的数据基础，适用于疏枝果园；
2)本发明提供的靶标叶面积测量方法处理速度快，实时性好，能满足实时树木变量对靶喷雾需求。
本发明的其它特征和优点将在随后具体实施方式部分予以详细说明。
附图说明
通过结合附图对本发明示例性实施方式进行更详细的描述，本发明的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显，其中，在本发明示例性实施方式中，相同的参考标号通常代表相同部件。
图1是变量对靶喷雾原理示意图。
图2是移动激光雷达数据的格网结构。
图3是本发明的流程图。
图4是变尺度格网面积计算理示意图。
图5是本发明的喷雾场景坐标系图。
图6是仿真树。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本发明的优选实施方式。虽然附图中显示了本发明的优选实施方式，然而应该理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施方式所限制。
变量对靶喷雾原理如图1所示。喷雾车辆在竖直方向安装多个变量喷头，对应不同高度的喷雾区域，根据传感器实时测量每段喷雾区域的叶面积，以此调节喷头喷雾剂量，使得雾滴在冠层均匀沉积，提高农药利用率。树叶可离散化为一个个小长方形计算，如图2所示。x轴为喷雾车辆移动方向，y轴为喷雾方向，z轴垂直地面向上。r表示传感器到测量点的距离，Δα为传感器的分辨率，ds表示为传感器的扫描方向的格网尺度ds＝r·Δα；x方向两次测量间隔时间为Δt，假设车辆速度为v，dm表示为喷雾车的移动方向的格网尺度dm＝v·Δt，由此计算变尺度格网的面积S＝ds·dm。
如图3所示，一种基于移动激光扫描的靶标叶面积在线计算方法，它采用移动激光扫描传感器获取靶标即树木的激光数据，根据移动激光扫描传感器的移动速度结合移动激光扫描传感器获得的测量距离计算变尺度格网面积，通过累加对应于各喷头的变尺度格网面积计算靶标叶面积；具体包括以下步骤：
步骤1、将移动激光扫描传感器安装在喷雾车辆上，喷雾车辆经过任一排待喷雾树木，采用移动激光扫描传感器获取树木的激光数据
Figure BDA0002416254380000051
其中，N为当前扫描采集的扫描点数，i表示扫描点的编号，ri、αi分别为激光扫描传感器到第i个扫描点的测量距离和扫描角度；然后，将各扫描点的数据由极坐标系变换到直角坐标系yz下，变换公式为：
yi＝-ricosαi
zi＝-risinαi
其中，x轴为车辆行驶方向，y轴为喷雾方向，z轴垂直地面向上，yi、zi为第i个扫描点在直角坐标系上y、z轴的坐标，yi表示车载二维激光扫描传感器到第i个扫描点在深度方向的垂直距离，zi表示车载二维激光扫描传感器到第i个扫描点在高度方向的垂直距离。
步骤2、判断感兴趣区域内是否存在树木靶标，若不存在，令树冠叶面积为0，之后执行步骤1；否则，执行步骤3；感兴趣区域即预先设置的激光数据在y、z方向上的范围；该感兴趣区域的y、z轴的坐标范围是Ymin≤y≤Ymax，Zmin≤z≤Zmax，其中，Ymin是喷雾场景中树冠外缘到车载二维激光扫描传感器的最小深度距离，范围是：0.5m～2m，Ymax是树干到传感器的最大深度距离，范围是1.5m～3m，Zmin是靶标底部到传感器的垂直距离，为负值，范围是-1.5m～-0.5m，Zmax是最高靶标到传感器的垂直距离，范围是0.5m～3.0m；以下述取值为例：Ymin为1.0m，Ymax为2.0m，Zmin为-0.5m，Zmax为2.0m；
步骤3、进行喷雾车速度检测，若检测到喷雾车速度v，执行步骤4；否则，停止执行并报警；
步骤4、根据测量距离和喷雾车速度v计算变尺度格网面积，再累加变尺度格网面积计算对应于各喷头的树冠表面的叶面积，具体为将移动激光扫描传感器单次扫描数据离散化为不同高度的小长方形，分别计算喷雾车辆上安装的n个喷头对应喷雾区域的面积即变尺度格网面积S(j)，j表示喷头编号，具体包括以下步骤：
步骤41、根据移动激光扫描传感器到第i个扫描点的距离ri与激光扫描传感器分辨率的弧度值Δα计算变尺度格网的宽ds，
ds(i)＝ri·Δα；
步骤42、采用下述公式计算变尺度格网的长度dm，
dm(i)＝vi·Δt·M
其中：Δt为移动激光传感器的扫描周期；vi表示在第i个扫描点的喷雾车速度；M表示移动激光传感器的扫描帧数；
步骤43、计算各个喷头对应喷雾区域的变尺度格网面积S(j)，
Figure BDA0002416254380000071
其中，j表示喷头编号，Z(j)是第j个喷头的高度范围，
Figure BDA0002416254380000072
表示第i和第i+1个扫描点在z方向的均值落在第j个喷头高度范围内的所有点的集合；
步骤5、根据步骤4得到的对应于各个喷头的格网面积计算真实的树冠叶面积，采用线性模型拟合树冠总体叶面积TGA，a、b分别表示一次项系数：
TGA＝aS(j)+b。
a、b由试验得到，取值分别为2.899，-1.002；对于任一类的树木，可以预先进行部分采样，根据样本的树冠总体叶面积拟合获取相应的一次项系数。
具体实施时：
实验采用日本Hokuyo公司生产的二维激光扫描仪UTM-30LX，扫描周期25ms，扫描范围270°，角度分辨率0.25°，喷雾车辆速度为3.2km/h。假设喷雾范围为1m～3m，单侧安装20个变量喷头，将喷雾区域均匀分割成20部分分别喷雾。变尺度格网面积计算原理如图4所示，以图6所示的仿真树作为实验对象，通过拟合得到格网面积计算靶标叶面积的斜率与截距，该结果可作为计算20个变量喷头的的数据基础。
以上已经描述了本发明的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。

Claims (8)

1.一种基于移动激光扫描的靶标叶面积在线计算方法，其特征是它采用移动激光扫描传感器获取靶标即树木的激光数据，根据移动激光扫描传感器的移动速度结合移动激光扫描传感器获得的测量距离计算变尺度格网面积，通过累加对应于各喷头的变尺度格网面积计算靶标叶面积。
2.根据权利要求1所述的基于移动激光扫描的靶标叶面积在线计算方法，其特征是具体包括以下步骤：
步骤1、将移动激光扫描传感器安装在喷雾车辆上，喷雾车辆经过任一排待喷雾树木，移动激光扫描传感器获取树木的激光数据，包括各扫描点的测量距离和扫描角度；步骤2、判断感兴趣区域内是否存在树木靶标，若不存在，令树冠叶面积为0，之后执行步骤1；否则，执行步骤3；
步骤3、进行喷雾车速度检测，若检测到喷雾车速度v，执行步骤4；否则，停止执行并报警；
步骤4、根据测量距离和喷雾车速度v计算变尺度格网面积，再累加变尺度格网面积计算对应于各喷头的树冠表面的叶面积，之后执行步骤5；
步骤5、根据步骤4得到的对应于各个喷头的格网面积计算真实的树冠叶面积。
3.根据权利要求2所述的基于移动激光扫描的靶标叶面积实时测量方法，其特征是步骤1具体为：采用移动激光扫描传感器获取树木的激光数据
Figure FDA0002416254370000011
其中，N为当前扫描采集的扫描点数，i表示扫描点的编号，ri、αi分别为激光扫描传感器到第i个扫描点的测量距离和扫描角度；然后，将各扫描点的数据由极坐标系变换到直角坐标系yz下，变换公式为：
yi＝-ricosαi
zi＝-risinαi
其中，x轴为车辆行驶方向，y轴为喷雾方向，z轴垂直地面向上，yi、zi为第i个扫描点在直角坐标系上y、z轴的坐标，yi表示车载二维激光扫描传感器到第i个扫描点在深度方向的垂直距离，zi表示车载二维激光扫描传感器到第i个扫描点在高度方向的垂直距离。
4.根据权利要求2所述的基于移动激光扫描的靶标叶面积实时测量方法，其特征是步骤2中：感兴趣区域即预先设置的激光数据在y、z方向上的范围；该感兴趣区域的y、z轴的坐标范围是Ymin≤y≤Ymax，Zmin≤z≤Zmax，其中，Ymin是喷雾场景中树冠外缘到车载二维激光扫描传感器的最小深度距离，范围是：0.5m～2m，Ymax是树干到传感器的最大深度距离，范围是1.5m～3m，Zmin是靶标底部到传感器的垂直距离，为负值，范围是-1.5m～-0.5m，Zmax是最高靶标到传感器的垂直距离，范围是0.5m～3.0m。
5.根据权利要求4所述的基于移动激光扫描的靶标叶面积在线计算方法，其特征是：Ymin为1.0m，Ymax为2.0m，Zmin为-0.5m，Zmax为2.0m。
6.根据权利要求2所述的基于移动激光扫描的靶标叶面积实时测量方法，其特征是步骤4具体包括以下步骤：
步骤4、将移动激光扫描传感器单次扫描数据离散化为不同高度的小长方形，分别计算喷雾车辆上安装的n个喷头对应喷雾区域的面积即变尺度格网面积S(j)，j表示喷头编号，具体包括以下步骤：
步骤41、根据移动激光扫描传感器到第i个扫描点的距离ri与激光扫描传感器分辨率的弧度值Δα计算变尺度格网的宽ds，
ds(i)＝ri·Δα；
步骤42、采用下述公式计算变尺度格网的长度dm，
dm(i)＝vi·Δt·M
其中：Δt为移动激光传感器的扫描周期；vi表示在第i个扫描点的喷雾车速度；M表示移动激光传感器的扫描帧数；
步骤43、计算各个喷头对应喷雾区域的变尺度格网面积S(j)，
Figure FDA0002416254370000031
其中，j表示喷头编号，Z(j)是第j个喷头的高度范围，
Figure FDA0002416254370000032
表示第i和第i+1个扫描点在z方向的均值落在第j个喷头高度范围内的所有点的集合。
7.根据权利要求2所述的基于移动激光扫描的靶标叶面积实时测量方法，其特征是步骤5具体为：采用线性模型拟合树冠总体叶面积TGA，a、b分别表示一次项系数：
TGA＝aS(j)+b。
8.根据权利要求7所述的基于基于移动激光扫描的靶标叶面积在线计算方法，其特征是：a、b由试验得到，取值分别为2.899，-1.002。
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