CN115049946B - 一种基于点云变换的麦田生长状态判别方法与装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于点云变换的麦田生长状态判别方法与装置，该方法包括：1、获取麦田无人机图像数据，其中，麦田无人机图像数据用于获取麦田原始点云；2、基于麦田原始点云进行预处理，得到麦田归一化点云；3、基于麦田归一化点云进行连续不同高度的点云个数统计，得到麦田点云高度信号；4、基于变分模态分解以及格拉姆变换方法，对麦田点云高度信号进行图像化，得到点云变换图像；5、基于点云变换图像构建深度学习识别模型，并用于判别麦田生长状态。本发明能够有效提取麦田点云高度信息，从而能提高对麦田生长状态判别的精准性。

Description

一种基于点云变换的麦田生长状态判别方法与装置
技术领域
本发明涉及作物表性分析及图像处理领域，具体而言，涉及一种基于点云变换的麦田生长状态判别方法与装置。
背景技术
目前麦田生长状态判别包括基于人工测量、基于光学遥感以及基于点云数据。其中，传统人工测量麦田生长状态的方式工作量大、耗时长并且难以获取较大范围的麦田生长状态。另外，基于传统光学遥感的方式只能提供麦田冠层表面的光谱和纹理特征，对于提取麦田生长状态信息仍存在一定的局限性。相比之下，点云数据能够同时获取麦田的水平和垂直两个维度的信息，可以有效反映出麦田生长状态信息。但是点云为散乱数据，没有具体的拓扑结构，且计算量较大，难以进行直接处理。另外，一维点云信号所具有的信息相对单一，缺乏深层次的点云信息。
发明内容
本发明是为了解决上述现有技术存在的不足之处，提出一种基于点云变换的麦田生长状态判别方法与装置，以期能降低点云处理的难度与复杂度和挖掘更深层次的点云信息，从而能快速、精准对麦田生长状态进行判别。
本发明为达到上述发明目的，采用如下技术方案：
本发明一种基于点云变换的麦田生长状态判别方法的特点在于，包括以下步骤：
步骤1、获取a个麦田小区的麦田无人机图像数据；
步骤2、根据所述麦田无人机图像数据获取各个麦田小区的麦田原始点云；
步骤3、对各个麦田小区的麦田原始点云进行预处理，得到每个麦田小区的麦田归一化点云；
步骤4、根据所述麦田归一化点云进行连续不同高度的点云个数统计，得到每个麦田小区的麦田点云高度信号；
步骤5、基于变分模态分解以及格拉姆变换方法，对所述麦田点云高度信号进行图像化处理，得到每个麦田小区的点云变换图像；
步骤6、利用深度学习模型对所述点云变换图像进行训练、验证和测试，得到麦田生长状态判别模型，并用于判别麦田生长状态。
本发明所述的基于点云变换的麦田生长状态判别方法的特点也在于，所述步骤3包括：
步骤3.1、对所述麦田原始点云进行去噪处理，并得到去噪后的麦田原始点云；
步骤3.2、利用滤波方法获取所述去燥后的麦田原始点云的地面点，从而得到麦田数字高程模型；
步骤3.3、将去噪后的麦田原始点云与所述麦田数字高程模型相减后，得到麦田归一化点云。
所述步骤4包括：
步骤4.1、对所述麦田归一化点云进行z值统计，得到麦田归一化点云中每个点的高度值；
步骤4.2、将所述麦田归一化点云中高度值区间进行划分，得到为b个连续高度区间；
步骤4.3、根据所述b个连续高度区间进行点云个数统计，得到麦田点云高度信号。
所述步骤5包括：
步骤5.1、将所述麦田点云高度信号进行归一化处理，得到一条归一化特征信号；
步骤5.2、对所述归一化特征信号进行变分模态分解，获得3k条长度为n的分解特征信号CH1i-CH3ki表示3k条分解特征信号中的第i个信号值，k取正整数；
步骤5.3、将3k条分解特征信号按照以下情况进行处理，得到3条变换特征信号；
当k＝1时，由3k条分解特征信号直接获得3条变换特征信号其中，I1i-I3i表示3条变换特征信号中的第i个信号值；
当k＝2时，利用式(1)对3k条分解特征信号进行处理，获得3条变换特征信号/>
当k≥3时，利用式(2)对3k条分解特征信号进行处理，获得3条变换特征信号/>
步骤5.4、将3条变换特征信号分别进行转置后，并相应与3条变换特征信号/>相乘，从而得到3个格拉姆矩阵用于表示点云变换图像，其中，每个格拉姆矩阵分别对应点云变换图像中R、G、B三个通道中的一个通道。
本发明一种基于点云变换的麦田生长状态判别装置的特点在于，包括：点云获取单元，点云预处理单元，信号提取单元，信号变换单元，生长状态判别单元，其中，
所述点云获取单元，用于根据麦田的无人机图像，获取麦田的原始点云；
所述点云预处理单元，将所述麦田的点云输入点云预处理模块，获取麦田归一化点云；
所述信号提取单元，用于将所述麦田归一化点云进行连续不同高度的点云个数统计，获取麦田的点云高度信号；
所述信号变换单元，用于基于变分模态分解以及格拉姆变换方法，对所述麦田的点云高度信号进行图像化，得到麦田的点云变换图像；
所述生长状态判别单元，用于构建深度学习生长状态判别模型，对所述麦田的点云变换图像进行模型训练、验证和测试，获取麦田生长状态结果。
本发明所述的装置的特点也在于，所述信号变换单元包括以下步骤：
将所述待识别麦田的点云高度信号进行归一化处理，得到一条归一化特征信号；
对所述归一化特征信号进行变分模态分解，获得3k条长度为n的分解特征信号CH1i-CH3ki表示3k条分解特征信号中的第i个信号值，k取正整数；
将所述3k条长度为n的分解特征信号进行以下分情况处理，得到3条变换特征信号；
当k＝1时，由3k条分解特征信号直接获得3条变换特征信号其中，I1i-I3i表示3条变换特征信号中的第i个信号值；
当k＝2时，利用式(3)对3k条分解特征信号进行处理，获得3条变换特征信号/>
当k≥3时，利用式(4)对3k条分解特征信号进行处理，获得3条变换特征信号/>
将所述3条变换特征信号分别进行转置，并与3条原变换特征信号相乘，得到3个格拉姆矩阵，分别对应R、G、B共三个通道，获得点云变换图像。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
1、本发明通过麦田点云变换方法达到了降低点云处理的难度与复杂度和挖掘更深层次的信息的目的，进而解决了点云数据计算量较大，难以进行直接处理的问题，从而能快速、精准对麦田生长状态进行判别。
2、针对受麦田地形起伏的影响，获得的原始点云具有高程偏差问题，本发明通过对原始点云进行预处理，克服了原始点云具有高程偏差的问题，从而获得归一化点云数据，为麦田点云变换提供了数据基础，达到了提高麦田生长状态判别精度的效果。
3、本发明通过对麦田点云高度信号进行变分模态分解以及格拉姆变换，充分利用了变分模态分解信号的深层信息，并将其信息进行格拉姆变换，进而融合到点云变化图像中，克服了一维点云信号所具有的信息相对匮乏的问题，达到了提高麦田生长状态判别精度的效果。
4、本发明通过变分模态分解以及格拉姆变换方法，对麦田点云高度信号进行图像化处理，得到每个麦田小区的点云变换图像，同时，基于点云变换图像对深度学习识别模型进行训练，得到麦田生长状态判别模型，从而实现了麦田生长状态快速、准确判别。
附图说明
图1为本发明中的一种基于点云变换的麦田生长状态判别方法的流程图；
图2为本发明中的基于MobileNetV2的麦田生长状态判别效果图；
图3为本发明中的一种基于点云变换的麦田生长状态判别装置的示意图。
具体实施方式
本实施例中，参照图1，一种基于点云变换的麦田生长状态判别方法是按如下步骤进行：
步骤1，获取a个麦田小区的麦田无人机图像数据；
本实施例中，研究区中定义3.8m×7.8m的麦田小区为麦田样地，共判别260个麦田样地，另外，研究区共获取了98张无人机图像。
步骤2，根据麦田无人机图像数据获取各个麦田小区的麦田原始点云；
本实施例中，通过输入98张无人机图像相应的位置、姿态和特征点信息，还原出相应的图像特征点的空间位置信息，由此产生研究区的麦田原始点云，并结合每块样地的位置信息进行切割获得260个长×宽为3.8m×7.8m的麦田样地点云。
步骤3，对麦田原始点云进行预处理，得到麦田归一化点云；
步骤3.1，对麦田原始点云进行去噪处理，并得到去噪后的麦田原始点云；
步骤3.2，利用滤波方法获取去燥后的麦田原始点云的地面点，从而得到麦田数字高程模型；
步骤3.3，将去噪后的麦田原始点云与麦田数字高程模型相减后，得到麦田归一化点云。
在本实施例中，受麦田地形起伏的影响，获得的原始点云具有高程偏差问题，为此，有必要对获取的研究区域原始点云进行归一化处理，从而获得归一化点云数据，为麦田点云降维提供数据基础，旨在提高麦田倒伏程度判断的精度，其中，对原始点云进行归一化处理的步骤包括去噪处理、提取地面点、DEM生成以及归一化点云生成。
首先，求取全局点云距离分布，依次判断每个采样点与其邻域的距离是否满足阈值，如果一个采样点与其领域的距离大于阈值，该点将被视为噪声并被移除；
然后，基于过绿指数颜色阈值将图像中地面和非地面进行分离，且阈值设为0.0729，采用克里金插值法对提取的地面点进行插值拟合获得研究区的DEM；
最后，将去除噪声的研究区点云与研究区DEM进行高程相减，得到不含地形的点云数据为归一化点云数据。
步骤4，根据麦田归一化点云进行连续不同高度的点云个数统计，得到每个麦田小区的麦田点云高度信号；
步骤4.1、对麦田归一化点云进行z值统计，得到麦田归一化点云中每个点的高度值；
步骤4.2、将麦田归一化点云中高度值区间进行划分，得到为b个连续高度区间；
步骤4.3、根据b个连续高度区间进行点云个数统计，得到麦田点云高度信号。
在本实施例中，对260个归一化麦田样地点云分别进行连续不同高度的点云个数统计，其中，将高度区间设为300个区间，因此，获得了260个长度为300的点云高度信号。
步骤5，基于变分模态分解以及格拉姆变换方法，对麦田点云高度信号进行图像化处理，得到每个麦田小区的点云变换图像；
步骤5.1，将麦田点云高度信号进行归一化处理，得到一条归一化特征信号；
步骤5.2，对归一化特征信号进行变分模态分解，获得3k条长度为n的分解特征信号CH1i-CH3ki表示3k条分解特征信号中的第i个信号值，k取正整数；
步骤5.3，将3k条分解特征信号按照以下情况进行处理，得到3条变换特征信号；
当k＝1时，由3k条分解特征信号直接获得3条变换特征信号其中，I1i-I3i表示3条变换特征信号中的第i个信号值；
当k＝2时，利用式(1)对3k条分解特征信号进行处理，获得3条变换特征信号/>
当k≥3时，利用式(2)对3k条分解特征信号进行处理，获得3条变换特征信号/>
步骤5.4，将3条变换特征信号分别进行转置后，并相应与3条变换特征信号相乘，从而得到3个格拉姆矩阵用于表示点云变换图像，其中，每个格拉姆矩阵分别对应点云变换图像中R、G、B三个通道中的一个通道。
在本实施例中，首先，对获得260个的麦田样地点云高度信号进行归一化处理，得到260条归一化特征信号；其次，对260条归一化特征信号分别进行变分模态分解，旨在提取分解深层信息，得到3k条长度为300的分解特征信号，其中，将k设为2，获得6条长度为300的分解特征信号；然后，将6条分解特征信号进行变换获得3条变换特征信号；最后，将3条变换特征信号分别进行转置后，并相应与3条变换特征信号相乘，从而得到3个格拉姆矩阵用于表示点云变换图像，共获得了260个点云变换图像，其中，每个格拉姆矩阵分别对应点云变换图像中R、G、B三个通道中的一个通道；该方法降低了点云处理的难度与复杂度，同时挖掘了更深层次的点云信息。
步骤6，利用深度学习模型对点云变换图像进行训练、验证和测试，得到麦田生长状态判别模型，并用于判别麦田生长状态；
本实施例中，将点云变换图像尺寸调整为224×224×3，并使用随机多角度旋转方式对对260个点云变换图像进行数据扩增，以划分比例为16:4:5分成训练集、验证集、测试集从而构建点云变换图像数据集；另外，以点云变换图像为实验数据，构建了基于MobileNetV2模型的麦田生长状态判别模型，用于判别麦田是否发生倒伏，图2为基于MobileNetV2麦田生长状态判别效果图。
参照图3，本实施例中，一种基于点云变换的麦田生长状态判别装置包括：点云获取单元，点云预处理单元，信号提取单元，信号变换单元和生长状态判别单元；
点云获取单元，用于根据麦田的无人机图像，获取麦田的原始点云；
点云预处理单元，用于将麦田的点云输入点云预处理模块，获取麦田归一化点云；
信号提取单元，用于将麦田归一化点云进行连续不同高度的点云个数统计，获取麦田的点云高度信号；
信号变换单元，用于基于变分模态分解以及格拉姆变换方法，对麦田的点云高度信号进行图像化，得到麦田的点云变换图像；
具体实施中，信号变换单元包括以下步骤：
将待识别麦田的点云高度信号进行归一化处理，得到一条归一化特征信号；
对归一化特征信号进行变分模态分解，获得3k条长度为n的分解特征信号CH1i-CH3ki表示3k条分解特征信号中的第i个信号值，k取正整数；
将3k条长度为n的分解特征信号进行以下分情况处理，得到3条变换特征信号；
当k＝1时，由3k条分解特征信号直接获得3条变换特征信号其中，I1i-I3i表示3条变换特征信号中的第i个信号值；
当k＝2时，利用式(1)对3k条分解特征信号进行处理，获得3条变换特征信号/>
当k≥3时，利用式(2)对3k条分解特征信号进行处理，获得3条变换特征信号/>
将3条变换特征信号分别进行转置，并与3条原变换特征信号相乘，得到3个格拉姆矩阵，分别对应R、G、B共三个通道，获得点云变换图像。
生长状态判别单元，用于构建深度学习生长状态判别模型，对麦田的点云变换图像进行模型训练、验证和测试，获取麦田生长状态结果，从而达到了降低点云处理的难度与复杂度以及挖掘更深层次点云信息的目的，从而实现了麦田生长状态快速、准确判别的效果。

Claims (4)

1.一种基于点云变换的麦田生长状态判别方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、获取a个麦田小区的麦田无人机图像数据；
步骤2、根据所述麦田无人机图像数据获取各个麦田小区的麦田原始点云；
步骤3、对各个麦田小区的麦田原始点云进行预处理，得到每个麦田小区的麦田归一化点云；
步骤4、根据所述麦田归一化点云进行连续不同高度的点云个数统计，得到每个麦田小区的麦田点云高度信号；
步骤5、基于变分模态分解以及格拉姆变换方法，对所述麦田点云高度信号进行图像化处理，得到每个麦田小区的点云变换图像；
步骤5.1、将所述麦田点云高度信号进行归一化处理，得到一条归一化特征信号；
步骤5.2、对所述归一化特征信号进行变分模态分解，获得3k条长度为n的分解特征信号CH1i-CH3ki表示3k条分解特征信号中的第i个信号值，k取正整数；
步骤5.3、将3k条分解特征信号按照以下情况进行处理，得到3条变换特征信号；
当k＝1时，由3k条分解特征信号直接获得3条变换特征信号/>其中，I1i-I3i表示3条变换特征信号中的第i个信号值；
当k＝2时，利用式(1)对3k条分解特征信号进行处理，获得3条变换特征信号/>
当k≥3时，利用式(2)对3k条分解特征信号进行处理，获得3条变换特征信号/>
步骤5.4、将3条变换特征信号分别进行转置后，并相应与3条变换特征信号相乘，从而得到3个格拉姆矩阵用于表示点云变换图像，其中，每个格拉姆矩阵分别对应点云变换图像中R、G、B三个通道中的一个通道；
步骤6、利用深度学习模型对所述点云变换图像进行训练、验证和测试，得到麦田生长状态判别模型，并用于判别麦田生长状态。
2.根据权利要求1所述的基于点云变换的麦田生长状态判别方法，其特征在于，所述步骤3包括：
步骤3.1、对所述麦田原始点云进行去噪处理，并得到去噪后的麦田原始点云；
步骤3.2、利用滤波方法获取所述去噪后的麦田原始点云的地面点，从而得到麦田数字高程模型；
步骤3.3、将去噪后的麦田原始点云与所述麦田数字高程模型相减后，得到麦田归一化点云。
3.根据权利要求1所述的基于点云变换的麦田生长状态判别方法，其特征在于，所述步骤4包括：
步骤4.1、对所述麦田归一化点云进行z值统计，得到麦田归一化点云中每个点的高度值；
步骤4.2、将所述麦田归一化点云中高度值区间进行划分，得到为b个连续高度区间；
步骤4.3、根据所述b个连续高度区间进行点云个数统计，得到麦田点云高度信号。
4.一种基于点云变换的麦田生长状态判别装置，其特征在于，包括：点云获取单元，点云预处理单元，信号提取单元，信号变换单元，生长状态判别单元，其中，
所述点云获取单元，用于根据麦田的无人机图像，获取麦田的原始点云；
所述点云预处理单元，将所述麦田的点云输入点云预处理模块，获取麦田归一化点云；
所述信号提取单元，用于将所述麦田归一化点云进行连续不同高度的点云个数统计，获取麦田的点云高度信号；
所述信号变换单元，用于基于变分模态分解以及格拉姆变换方法，对所述麦田的点云高度信号进行图像化，得到麦田的点云变换图像；
所述信号变换单元包括以下步骤：
将待识别麦田的点云高度信号进行归一化处理，得到一条归一化特征信号；
对所述归一化特征信号进行变分模态分解，获得3k条长度为n的分解特征信号CH1i-CH3ki表示3k条分解特征信号中的第i个信号值，k取正整数；
将所述3k条长度为n的分解特征信号进行以下分情况处理，得到3条变换特征信号；
当k＝1时，由3k条分解特征信号直接获得3条变换特征信号/>其中，I1i-I3i表示3条变换特征信号中的第i个信号值；
当k＝2时，利用式(3)对3k条分解特征信号进行处理，获得3条变换特征信号/>
当k≥3时，利用式(4)对3k条分解特征信号进行处理，获得3条变换特征信号/>
将所述3条变换特征信号分别进行转置，并与3条原变换特征信号相乘，得到3个格拉姆矩阵，分别对应R、G、B共三个通道，获得点云变换图像；
所述生长状态判别单元，用于构建深度学习生长状态判别模型，对所述麦田的点云变换图像进行模型训练、验证和测试，获取麦田生长状态结果。
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