CN114485460B - 一种基于激光雷达的地表三维形貌测量系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于激光雷达的地表三维形貌测量系统及方法，属于地表三维形貌测量技术领域；本发明通过相机、陀螺仪传感器与激光雷达融合的地表三维形貌数字化重构装置与系统，进一步提高单次测量精度和效率；相机的加入可以针对直径超过特定值的土块进行计算，在便携式计算机中显示出地表土块的轮廓，并且统计出不同直径土块所占的比例；采用上、下位机交互的工作模式进行测量系统开发，通过上位机软件完成参数设置和数据采集，下位机则用于执行传感器移动及精确定位，体现了高效率及操作的简易性，采集过程数据可视化有利于操作人员监控系统运行状态，确保采集过程数据完整可用。

Description

一种基于激光雷达的地表三维形貌测量系统及方法

技术领域

本发明涉及地表三维形貌测量技术领域，特别是涉及一种基于激光雷达的地表三维形貌测量系统及方法。

背景技术

随着农业现代化的发展，我国现代化种植的面积不断扩大。大规模的智能化作业需要地表三维形貌数字化提供数据进行分析。通过地表三维形貌数字化可以直接得到地表信息，如土地平整度与碎土率。土地平整对于改良土壤、培肥土壤、便于机械耕作、实现稳产高产具有十分重要的作用。微地貌或粗糙度反映了土壤表面高度的动态变化特性，是影响地表径流和侵蚀过程的重要因素。农业地表微地貌在短期内的变化主要受农业耕作活动的影响，不同耕作工具对地表微地貌的改变尺度也存在较大差异。根据不同机具的作业效果，地表高度特征主要分为耕作后地表的粗糙度特征以及开沟、起垄等作业的几何特征，这些特征参数可通过土壤表面的截面高度或地表的三维高程数据计算得到。

然而现有的测量平整度的方法很容易破坏原有地表，现有非接触式地表粗糙度测量方法存在单次测量覆盖面积较小的问题，且无法做到对农业耕种作业形成的不同尺度大小微地貌测量，为此我们提出一种基于激光雷达的地表三维形貌测量方法和装置来解决上述问题。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术中存在测量平整度的方法很容易破坏原有地表，现有非接触式地表粗糙度测量方法存在单次测量覆盖面积较小的问题，且无法做到对农业耕种作业形成的不同尺度大小微地貌测量的问题而提出的一种基于激光雷达的地表三维形貌测量系统和方法。

为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

一种基于激光雷达的地表三维形貌测量系统，包括有上位机、下位机、驱动系统和转向系统，整套系统采用48V锂电池经电源降压模块降压后分别进行供电；

所述上位机用于进行参数设置和数据采集，包括有激光雷达、陀螺仪传感器、工业相机和微型计算机，所述激光雷达用于通过线扫描方式对待测地表进行数据采样；所述陀螺仪传感器用于采集所述激光雷达扫描的角度；所述工业相机用于对所述激光雷达采集的地面进行图像拍摄；所述激光雷达、工业相机、陀螺仪与所述PC机之间采用USB协议传输数据；

所述下位机用于执行激光雷达直线移动及精确定位，包括有微型控制器，所述上位机数据通过CAN通讯协议传输至所述微型控制器，控制所述驱动系统和所述转向系统工作；

所述驱动系统用于驱动测量装置进行移动，包括有直流电机驱动器和直流电机，所述直流电机驱动器用于接收下位机的信号控制所述直流电机进行工作，控制测量装置的前进和后退；

所述转向系统用于控制测量装置进行转向，包括推杆电机，所述推杆电机通过所述下位机进行人为控制。

一种基于激光雷达的地表三维形貌测量方法，具体包括以下步骤：

S1、通过上位机软件进行电机运动参数和激光雷达采样参数的设置，并通过编码器精确定位初始位置，进行初始位置采样；

S2、在完成地表微地貌测量装置初始位置记录和初始位置数据采样后进入系统循环，循环过程中上位机接收到下位机发送的单次运转完成指令后开始数据采样；

S3、控制激光雷达以线扫描方式对待测地表进行数据采样，测量过程中直流电机运转带动装载平台沿待测地表前进，上位机测量软件控制激光雷达在直流电机运转按固定的时间周期开启数据采样，同时以极坐标形式返回各测量点距激光雷达扫描中心的距离数据；

S4、控制工业相机每隔一段距离ΔL拍摄一张照片，处理输出土块粒径数据；

S5、在激光雷达开启数据采样时刻，同时启动陀螺仪传感器采集倾角数据；

S6、利用上位机软件实时采集和显示单帧截面高度数据，通过陀螺仪采集的倾角数据修正每一帧激光雷达的采样数据，并存储到文本文件中；

S7、采样数据完成后再发送相应指令给下位机软件，指示下位机软件控制步进电机进行下一采样位置移动，直至达到设定的总采样距离；

S8、对测量的原始点云数据进行数据预处理，处理完成后输出数据。

优选地，所述S4中提到的处理输出土块粒径数据，具体包括以下步骤：

A1、通过工业相机拍摄采集地表图片，获取一帧图像；

A2、对A1中获取的图像进行裁剪并保留感兴趣区域，通过高斯滤波进行处理；

A3、对A2中对滤波处理后的图像进行图像灰度处理；

A4、对A3中经过灰度处理的图像采用Canny边缘检测算法寻找外围轮廓；

A5、滤除A4中外围轮廓尺寸过小目标，统计剩余外围轮廓的直径和面积，并分等级输出外围轮廓数据。

优选地，所述S8中原始点云数据预处理，具体包括以下步骤：

B1、根据采集的地表点云数据生成地表三维模型，并通过插值处理得到等采样间距的地表三维数据；

B2、进行去趋势化处理，消除地表单向倾斜对地表高度测量结果的影响；

B3、去除厢面边坡趋势，消除边坡结构对随机粗糙度参数计算的影响；

B4、通过小波变换，去除垄沟形成的定向粗糙度对随机粗糙度参数计算的影响。

优选地，所述B4中通过小波变换，去除垄沟形成的定向粗糙度对随机粗糙度参数计算的影响，具体包括以下步骤：

C1、将B2处理完的地表三维模型表示为z＝f(x,y)，将z＝f(x,y)分解为一个近似值A_N(x，y)和N个细节的总和，D₁(x，y)，D₂(x，y)，…，D_N(x，y)，代表N个细节，其中N代表小波分解次数；

C2、通过以下公式实现小波变换：

f(x，y)＝A₀(x，y) (2)

A_n-1(x，y)＝A_n(x，y)+D_n(x，y) (3)

D_n(x，y)＝D_Hn(x，y)+D_Vn(x，y)+D_Dn(x，y) (4)

其中，Dn(x，y)表示水平、垂直和对角线地表高度数据细节的总和；

C3、小波变换完成后，对去除垄沟趋势的地表三维数据计算其均方根高度和表面相关长度，作为随机粗糙度的评价参数。

与现有技术相比，本发明提供了一种基于激光雷达的地表三维形貌测量系统及方法，具备以下有益效果：

(1)本发明基于车架搭载激光雷达，相机与陀螺仪传感器融合的地表三维形貌数字化重构装置与系统设计，进一步提高单次测量面积和效率；相机的加入可以针对直径超过特定值的土块进行计算，使用Python语言调用OpenCV更加便捷，在计算机中显示出表面的特定土块的轮廓，并且统计出土块所占的比例；采用上、下位机交互的工作模式进行测量系统开发，通过上位机软件完成参数设置和数据采集，下位机则用于执行激光雷达直线移动及精确定位，体现了便携性及操作的简易性；

(2)本发明用C++语言编写了数据采集上位机软件，可实时采集和显示单帧截面高度数据，并存储到文本文件中；采集过程数据可视化有利于操作人员监控系统运行状态，确保采集过程数据完整可用。

附图说明

图1为本发明提出的一种基于激光雷达的地表三维形貌测量装置的正面立体结构示意图；

图2为本发明提出的一种基于激光雷达的地表三维形貌测量装置的正面结构示意图；

图3为本发明提出的一种基于激光雷达的地表三维形貌测量装置的侧面结构示意图；

图4为本发明提出的一种基于激光雷达的地表三维形貌测量装置的顶部结构示意图；

图5为本发明提出的一种基于激光雷达的地表三维形貌测量装置的测量系统整体示意图；

图6为本发明提出的一种基于激光雷达的地表三维形貌测量方法的测量方法流程示意图；

图7为本发明提出的一种基于激光雷达的地表三维形貌测量方法的显示单帧截面高度数据流程示意图；

图8为本发明提出的一种基于激光雷达的地表三维形貌测量方法的小波变换前的地表三维形貌示意图；

图9为本发明提出的一种基于激光雷达的地表三维形貌测量方法的小波变换后的地表三维形貌示意图。

图中标号说明：

1、微型计算机；2、48V锂电池；3、车架；4、陀螺仪传感器；5、激光雷达；6、工业相机；7、直流电机；8、车轮；9、转向电机；10、推杆；11、推杆电机。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

实施例1：

请参阅图1-4，一种基于激光雷达的地表三维形貌测量装置，包括有车架3，车架3的上表面固定安装有微型计算机1和48V锂电池2，车架3的前端顶面上固定安装有陀螺仪传感器4，车架3的前端底面上固定安装有激光雷达5和工业相机6；车架3的两侧固定安装有推杆电机11，推杆电机11的两端固定连接有推杆10，推杆10的底端固定连接有转向电机9，转向电机9的底端固定连接有连接轴承，连接轴承上固定连接有直流电机7，直流电机7的输出轴上固定连接有车轮8。

请参阅图5，与上述测量装置相匹配的一种基于激光雷达的地表三维形貌测量系统，包括有上位机、下位机、驱动系统和转向系统，整套系统采用48V锂电池2经电源降压模块降压后分别进行供电；

上位机用于进行参数设置和数据采集，包括有激光雷达5、陀螺仪传感器4、工业相机6和微型计算机1，激光雷达5用于通过线扫描方式对待测地表进行数据采样；陀螺仪传感器4用于采集激光雷达5扫描的角度；工业相机6用于对激光雷达5采集的地面进行图像拍摄；激光雷达5、工业相机6、陀螺仪与PC机之间采用USB协议传输数据；

下位机用于执行激光雷达5直线移动及精确定位，包括有微型控制器，上位机数据通过CAN通讯协议传输至微型控制器，控制驱动系统和转向系统工作；

驱动系统用于驱动测量装置进行移动，包括有直流电机驱动器和直流电机7，直流电机驱动器用于接收下位机的信号控制直流电机7进行工作，控制测量装置的前进和后退；

转向系统用于控制测量装置进行转向，包括推杆电机11，推杆电机11通过下位机进行人为控制；

请参阅图6-9，还包括与上述装置和系统相匹配的一种基于激光雷达的地表三维形貌测量方法，三维形貌测量方法及单帧截面高度数据流程如图6-7所示，具体包括以下步骤：

S1、通过上位机软件进行电机运动参数和激光雷达5采样参数的设置，并通过编码器精确定位初始位置，进行初始位置采样；

S2、在完成地表微地貌测量装置初始位置记录和初始位置数据采样后进入系统循环，循环过程中上位机接收到下位机发送的单次运转完成指令后开始数据采样；

S3、控制激光雷达5以线扫描方式对待测地表进行数据采样，测量过程中直流电机7运转带动装载平台沿待测地表前进，上位机测量软件控制激光雷达5在直流电机7运转按固定的时间周期开启数据采样，同时以极坐标形式返回各测量点距激光雷达5扫描中心的距离数据；

S4、控制工业相机6每隔一段距离ΔL拍摄一张照片，处理输出土块粒径数据；

S4中提到的处理输出土块粒径数据，具体包括以下步骤：

A1、通过工业相机6拍摄采集地表图片，获取一帧图像；

A2、对A1中获取的图像进行裁剪并保留感兴趣区域，通过高斯滤波进行处理；

A3、对A2中对滤波处理后的图像进行图像灰度处理；

A4、对A3中经过灰度处理的图像采用Canny边缘检测算法寻找外围轮廓；

A5、滤除A4中外围轮廓尺寸过小目标，统计剩余外围轮廓的直径和面积，并分等级输出外围轮廓数据；

S5、在激光雷达5开启数据采样时刻，同时启动陀螺仪传感器4采集倾角数据；

S6、利用上位机软件实时采集和显示单帧截面高度数据，通过陀螺仪采集的倾角数据修正每一帧激光雷达的采样数据，并存储到文本文件中；

S7、采样数据完成后再发送相应指令给下位机软件，指示下位机软件控制步进电机进行下一采样位置移动，直至达到设定的总采样距离；

S8、对测量的原始点云数据进行数据预处理，处理完成后输出数据；

S8中原始点云数据预处理，具体包括以下步骤：

B1、根据采集的地表点云数据生成地表三维模型，并通过插值处理得到等采样间距的地表三维数据；

B2、进行去趋势化处理，消除地表单向倾斜对地表高度测量结果的影响；

B3、去除厢面边坡趋势，消除边坡结构对随机粗糙度参数计算的影响；

B4、通过小波变换，去除垄沟形成的定向粗糙度对随机粗糙度参数计算的影响；

地表三维形貌的垄沟特征进行小波变换前后示意图如图8-9所示，B4中通过小波变换，去除垄沟形成的定向粗糙度对随机粗糙度参数计算的影响，具体包括以下步骤：

C1、将B2处理完的地表三维模型表示为z＝f(x，y)，将z＝f(x，y)分解为一个近似值A_N(x，y)和N个细节的总和，D₁(x，y)，D₂(x，y)，…，D_N(x，y)，代表N个细节，其中N代表小波分解次数；

C2、通过以下公式实现小波变换：

f(x，y)＝A₀(x，y) (2)

A_n-1(x，y)＝A_n(x，y)+D_n(x，y) (3)

D_n(x，y)＝D_Hn(x，y)+D_Vn(x，y)+D_Dn(x，y) (4)

其中，Dn(x，y)表示水平、垂直和对角线地表高度数据细节的总和；

C3、小波变换完成后，对去除垄沟趋势的地表三维数据计算其均方根高度和表面相关长度，作为随机粗糙度的评价参数。

综上所述，本发明基于车架3搭载激光雷达5，相机与陀螺仪传感器4融合的地表三维形貌数字化重构装置与系统设计，进一步提高单次测量面积和效率；相机的加入可以针对直径超过特定值的土块进行计算，使用Python语言调用OpenCV更加便捷，在计算机中显示出表面的特定土块的轮廓，并且统计出土块所占的比例；采用上、下位机交互的工作模式进行测量系统开发，通过上位机软件完成参数设置和数据采集，下位机则用于执行激光雷达5直线移动及精确定位，体现了便携性及操作的简易性；同时本发明用C++语言编写了数据采集上位机软件，可实时采集和显示单帧截面高度数据，并存储到文本文件中；采集过程数据可视化有利于操作人员监控系统运行状态，确保采集过程数据完整可用。

实施例2：

请参阅图1-9，基于实施例1但有所不同之处在于，

参照图6-9，一种基于激光雷达的地表三维形貌测量方法，其步骤如下：

通过上位机软件进行电机运动参数和激光雷达5采样参数的设置，并通过编码器精确定位初始位置，进行初始位置采样；

在完成地表微地貌测量装置初始位置记录和初始位置数据采样后进入系统循环，循环过程中上位机接收到下位机发送的单次运转完成指令后开始数据采样；

激光雷达5以线扫描方式对待测地表进行数据采样，测量过程中直流电机7间歇运转带动装载平台沿待测地表前进，上位机测量软件控制激光雷达5在直流电机7各间歇停止位置开启数据采样，同时以极坐标形式返回各测量点距激光雷达5扫描中心的距离数据；

上位机软件实时采集和显示单帧截面高度数据，并存储到文本文件中；

采样数据完成后再发送相应指令给下位机软件，指示下位机软件控制步进电机进行下一采样位置移动，直至达到设定的总采样距离，相邻数据点的横向间距d_i可表示为：

d_i＝l_h[tanθ_i-tan(θ_i+δ)]

式中，l_h为激光雷达扫描中心距测量地表水平线，S₀的垂直距离，mm；θ_i为i点扫描位置的扫描角度，rad；δ为采样角度分辨率，rad；

通过对各测量高度下相同采样角度的系统误差数据分析可知，同一采样角度下的系统误差在小范围内随机分布，因此，对所获取不同高度数据的系统误差进行均值处理，得到均值补偿误差。

将同一测量角度下不同高度的测量数据，用均值处理后的误差补偿数据进行补偿处理可得

式中：k表示不同高度测量序号；l_1i’～l_ki’表示不同测量高度对应补偿后数值，mm；l_1i～l_ki表示不同高度的测量值，mm。

通过式直角坐标系坐标值将均值补偿后得到的数据进行坐标转换和基准参考变换，使得测量数据的弯曲趋势得到修正，修正后的不同高度测量曲线近似水平，可明显降低系统误差；

系统对测量的原始点云数据进行数据预处理，处理完成后输出数据。

根据采集的地表点云数据生成厢面地表三维模型，并通过插值处理得到等采样间距的地表三维数据；

进行去趋势化处理，消除地表单向倾斜对厢面高度测量结果的影响；

去除厢面边坡趋势，消除边坡结构对粗糙度参数计算的影响。

其中，显示单帧截面高度数据的步骤如下：

通过工业相机6拍摄采集地表图片，获取第一帧图像；

对获取的图像通过高斯滤波进行处理；

对滤波处理后的图像进行图像灰度处理；

对处理后的图像采用Canny边缘检测算法寻找外围轮廓；

滤除面积过小物体，并根据项点数目和角度范围判断具体形状，判断完成后输出数据。

参照图1-5，一种基于激光雷达的地表三维形貌测量装置及系统，

其中，测量装置包括有车架3，车架3的上表面固定安装有微型计算机1和48V锂电池2，车架3的前端顶面上固定安装有陀螺仪传感器4，车架3的前端底面上固定安装有激光雷达5和工业相机6；车架3的两侧固定安装有推杆电机11，推杆电机11的两端固定连接有推杆10，推杆10的底端固定连接有转向电机9，转向电机9的底端固定连接有连接轴承，连接轴承上固定连接有直流电机7，直流电机7的输出轴上固定连接有车轮8；

测量系统包括有上位机、下位机、驱动系统和转向系统，整套系统采用48V锂电池2经电源降压模块降压后分别进行供电；

上位机包括有激光雷达5、陀螺仪传感器4、工业相机6和微型计算机1，激光雷达5用于通过线扫描方式对待测地表进行数据采样；陀螺仪传感器4用于采集激光雷达5扫描的角度；工业相机6用于对激光雷达5采集的地面进行图像拍摄；激光雷达5、工业相机6、陀螺仪传感器4与微型计算机1之间采用USB协议传输数据；

下位机用于执行激光雷达5直线移动及精确定位，包括有微型控制器，上位机数据通过CAN通讯协议传输至微型控制器，控制驱动系统和转向系统工作；

驱动系统用于驱动测量装置进行移动，包括有直流电机驱动器和直流电机7，直流电机驱动器用于接收下位机的信号控制直流电机7进行工作，控制测量装置的前进和后退；

转向系统用于控制测量装置进行转向，包括推杆电机11，推杆电机11通过下位机进行人为控制。

以上，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种基于激光雷达的地表三维形貌测量方法，其特征在于，应用于一种基于激光雷达的地表三维形貌测量系统中，所述系统包括有上位机、下位机、驱动系统和转向系统，整套系统采用48V锂电池(2)经电源降压模块降压后分别进行供电；

所述上位机用于进行参数设置和数据采集，包括有激光雷达(5)、陀螺仪传感器(4)、工业相机(6)和微型计算机(1)，所述激光雷达(5)用于通过线扫描方式对待测地表进行数据采样；所述陀螺仪传感器(4)用于采集所述激光雷达(5)扫描的角度；所述工业相机(6)用于对所述激光雷达(5)采集的地面进行图像拍摄；所述激光雷达(5)、工业相机(6)、陀螺仪与PC机之间采用USB协议传输数据；

所述下位机用于执行激光雷达(5)直线移动及精确定位，包括有微型控制器，所述上位机数据通过CAN通讯协议传输至所述微型控制器，控制所述驱动系统和所述转向系统工作；

所述驱动系统用于驱动测量装置进行移动，包括有直流电机驱动器和直流电机(7)，所述直流电机驱动器用于接收下位机的信号控制所述直流电机(7)进行工作，控制测量装置的前进和后退；

所述转向系统用于控制测量装置进行转向，包括推杆电机(11)，所述推杆电机(11)通过所述下位机进行人为控制；

所述方法具体包括以下步骤：

S1、通过上位机软件进行电机运动参数和激光雷达(5)采样参数的设置，并通过编码器精确定位初始位置，进行初始位置采样；

S2、在完成地表微地貌测量装置初始位置记录和初始位置数据采样后进入系统循环，循环过程中上位机接收到下位机发送的单次运转完成指令后开始数据采样；

S3、控制激光雷达(5)以线扫描方式对待测地表进行数据采样，测量过程中直流电机(7)运转带动装载平台沿待测地表前进，上位机测量软件控制激光雷达(5)在直流电机(7)运转按固定的时间周期开启数据采样，同时以极坐标形式返回各测量点距激光雷达(5)扫描中心的距离数据；

S4、控制工业相机(6)每隔一段距离ΔL拍摄一张照片，处理输出土块粒径数据；

所述S4中提到的处理输出土块粒径数据，具体包括以下步骤：

A1、通过工业相机(6)拍摄采集地表图片，获取一帧图像；

A2、对A1中获取的图像进行裁剪并保留感兴趣区域，通过高斯滤波进行处理；

A3、对A2中对滤波处理后的图像进行图像灰度处理；

A4、对A3中经过灰度处理的图像采用Canny边缘检测算法寻找外围轮廓；

A5、滤除A4中外围轮廓尺寸过小目标，统计剩余外围轮廓的直径和面积，并分等级输出外围轮廓数据；

S5、在激光雷达(5)开启数据采样时刻，同时启动陀螺仪传感器(4)采集倾角数据；

S6、利用上位机软件实时采集和显示单帧截面高度数据，通过陀螺仪采集的倾角数据修正每一帧激光雷达的采样数据，并存储到文本文件中；

S7、采样数据完成后再发送相应指令给下位机软件，指示下位机软件控制步进电机进行下一采样位置移动，直至达到设定的总采样距离；

S8、对测量的原始点云数据进行数据预处理，处理完成后输出数据。

2.根据权利要求1所述的一种基于激光雷达的地表三维形貌测量方法，其特征在于，所述S8中原始点云数据预处理，具体包括以下步骤：

B1、根据采集的地表点云数据生成地表三维模型，并通过插值处理得到等采样间距的地表三维数据；

B2、进行去趋势化处理，消除地表单向倾斜对地表高度测量结果的影响；

B3、去除厢面边坡趋势，消除边坡结构对随机粗糙度参数计算的影响；

B4、通过小波变换，去除垄沟形成的定向粗糙度对随机粗糙度参数计算的影响。

3.根据权利要求2所述的一种基于激光雷达的地表三维形貌测量方法，其特征在于，所述B4中通过小波变换，去除垄沟形成的定向粗糙度对随机粗糙度参数计算的影响，具体包括以下步骤：

C1、将B2处理完的地表三维模型表示为z＝f(x,y)，将z＝f(x,y)分解为一个近似值A_N(x,y)和N个细节的总和，D₁(x,y)，D₂(x,y)，…，D_N(x,y)，代表N个细节，其中N代表小波分解次数；

C2、通过以下公式实现小波变换：

f(x,y)＝A₀(x,y) (2)

A_n-1(x,y)＝A_n(x,y)+D_n(x,y) (3)

D_n(x,y)＝D_Hn(x,y)+D_Vn(x,y)+D_Dn(x,y) (4)

其中，Dn(x，y)表示水平、垂直和对角线地表高度数据细节的总和；

C3、小波变换完成后，对去除垄沟趋势的地表三维数据计算其均方根高度和表面相关长度，作为随机粗糙度的评价参数。

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