一種基于二維激光掃描儀的樹木靶標體積實時測量方法
【技術領域】
[0001] 本發明設及對祀噴霧技術領域，尤其是基于激光處理技術的樹木體積測量方法， 具體地說是一種基于二維激光掃描儀的樹木祀標體積實時測量方法。
【背景技術】
[0002] 目前，針對林木病蟲害居高不下，傳統施藥方式浪費農藥、污染環境等問題，智能 對祀噴霧技術的研究已開展10余年。智能對祀噴霧系統通過實時傳感器檢測樹木祀標，得 到祀標位置、形狀、體積等信息，據此確定噴霧位置和劑量，控制一個或多個噴頭的開閉和 流量，實施間歇式或變量對祀噴霧。
[0003] 國內外學者主要采用超聲波、紅外、可見光、激光傳感器測量祀標位置、形狀、體積 等信息。超聲波、紅外傳感器較粗放，測量誤差大，準確性差;可見光傳感器易受光照影響， 且無法獲取距離信息;激光傳感器測量精度高、分辨率高、測量距離遠，掃描范圍大，是目前 樹木測量最有效的傳感器技術。2010年美國農業部農業工程應用技術國家實驗室與俄亥俄 州立大學合作，研發出首臺基于車載2D激光掃描儀的變量風送式噴霧機，并于2012年形成 產品，在美國苗圃、果園推廣應用。
[0004] 變量對祀噴霧原理如圖1所示。噴霧車輛在豎直方向安裝多個變量噴頭，對應不同 高度的噴霧區域，根據傳感器實時測量每段噴霧區域的樹冠體積，W此調節噴頭噴霧劑量， 使得霧滴在冠層均勻沉積，提高農藥利用率。樹冠的連續體積可離散化為一個個小長方體 計算，如圖2所示。X軸為噴霧車輛移動方向，y軸為噴霧方向，Z軸垂直地面向上。假設祀標前 后對稱，只需測量單側體積。D。為傳感器測量到的樹冠外緣距離，Dc為樹冠中屯、線距離，由此 計算單側樹冠厚度Dd = Dc-DD"Ds為Z方向兩次測量點之間的距離，假設車輛速度為v，x方向 兩次測量間隔時間為A t，則單側樹冠體積V = DdDsV Δ t。從計算過程可看出，要想準確得到 樹冠體積，需測量樹冠中屯、線距離Dc。現有方法主要采用兩種手段確定Dc: (1)假設樹木成行 栽培，噴霧車輛前進方向與栽培線平行，樹木與車輛的距離固定，然后事先測得D。。運種方 法要求樹木規則栽培，不適用于樹木栽培線不為直線的噴霧場景；（2)將樹冠頂部外緣距離 認為是樹冠中屯、線距離。運種方法測量誤差大，準確性差。
【發明內容】
[0005] 本發明的目的是針對現有變量對祀噴霧技術中的祀標體積測量方法智能化水平 較低，應用場合受到限制的問題，提出一種基于二維激光掃描儀的樹木祀標體積實時測量 方法。
[0006] 本發明的技術方案是：
[0007] -種基于二維激光掃描儀的樹木祀標體積實時測量方法，它采用車載二維激光掃 描傳感器獲取樹木的激光數據，通過樹干識別得到樹冠中屯、距離，結合測得的樹冠外緣距 離及車輛速度計算對應于各噴頭的離散化的樹冠體積。
[000引本發明中，具體包括W下步驟：
[0009] 步驟1、將車載二維激光掃描傳感器安裝在噴霧車輛上，噴霧車輛經過任一排待噴 霧樹木，車載二維激光掃描傳感器獲取樹木的激光數據，獲取各掃描點的測量距離和掃描 角度；
[0010] 步驟2、判斷感興趣區域內是否存在樹木祀標，若不存在，將樹干距離標記為未知， 令樹冠體積為0，之后執行步驟1;否則，執行步驟3;
[0011] 步驟3、判斷樹干距離是否已知，若未知，執行步驟5;否則，執行步驟4;
[0012] 步驟4、根據測量距離和樹干距離計算樹冠厚度，再結合車輛速度計算對應于各噴 頭的離散化的樹冠體積，之后執行步驟1;
[0013] 步驟5、進行樹干檢測，若檢測到樹干，執行步驟6;否則，執行步驟1;
[0014] 步驟6、計算樹干距離，標記樹干距離已知，之后執行步驟4。
[0015] 本發明具體包括W下步驟：
[0016] 步驟1、采用二維激光掃描傳感器獲取樹木的激光數據其中，N為當前 掃描采集的數據點數，Ρι、θι分別為車載二維激光掃描傳感器到第i個掃描點的測量距離和 掃描角度;然后，將各掃描點的數據由極坐標系變換到直角坐標系yz下，變換公式為：
[0017] yi = -Pi cos白i
[001 引 zi = f>i sin白i，
[0019] 其中，X軸為車輛行駛方向，y軸為噴霧方向，z軸垂直地面向上，yi、zi為第i個掃描 點在直角坐標系上y、z軸的坐標，yi表示車載二維激光掃描傳感器到第i個掃描點在深度方 向的垂直距離，Zi表示車載二維激光掃描傳感器到第i個掃描點在高度方向的垂直距離；
[0020] 步驟2、判斷感興趣區域內是否存在樹木祀標，感興趣區域即預先設置的激光數據 在y、z方向上的范圍，若{如2,)枯均不在感興趣區域內，認為不存在祀標，將樹干距離標記 為未知，令樹冠體積為0，之后執行步驟1;否則，執行步驟3;
[0021] 步驟3、判斷樹干距離Dc是否已知，若未知，執行步驟5;否則，執行步驟4;
[0022] 步驟4、將單側樹冠體積離散化為不同高度的小長方體，分別計算噴霧車輛上安裝 的η個噴頭對應噴霧區域的樹冠體積，具體包括W下步驟：
[0023] 步驟41、根據車載二維激光掃描傳感器到第i個掃描點在深度方向的垂直距離即 樹冠外緣距離yi和樹干距離Dc計算單側樹冠厚度Dd(i)
[0024] Dd(i)=max(Dc-yi,0)；
[0025] 步驟42、計算各個噴頭對應噴霧區域的樹冠在yz平面上的單側截面積：
[002引 &-(/)= 1 S 去(0',(/.) +A(/ + 1))D(/)， |i|-trfi )+.7(/+1 ))eZ{/)|
[0027] 其中，j表示噴頭編號，Z(j)是第j個噴頭的高度范圍，Ds(i)= |z(i)-z(i + l) I為z 方向兩次測量點之間的距離，扭帥從z(; 1表示第i和第i+1個掃描點在z方向的均值落在 ,之. J 第j個噴頭高度范圍內的所有點的集合；
[0028] 步驟43、各個噴頭對應噴霧區域的樹冠體積V(j)采用下述公式計算：
[0029] Wj)=2Syz(j)vAt，
[0030] 其中，V為當前車輛速度，At為車載二維激光傳感器的掃描周期；
[0031] 步驟5、進行樹干檢測，若檢測到樹干，執行步驟6;否則，執行步驟1;樹干檢測利用 其垂直連續特性，通過檢測Z方向滿足一定長度的y坐標連續變化的點集判斷是否存在樹 干;具體包括W下步驟：
[0032] 步驟51、對每個掃描點判斷其與上一掃描點的y軸坐標是否在一定闊值內abs(yi-yi-i)^T，若成立，則認為該掃描點與上一掃描點連續，繼續下一個掃描點的判斷；否則，認 為連續點集結束，上一掃描點為結束位置，建立新連續點集，將該掃描點作為起始點繼續判 斷，其中，absO表示絕對值函數；
[0033] 步驟52、對每個連續點集的長度進行闊值判斷，若abs(Zstar廣Zend) Μ，認為該連續 點集對應樹干掃描點，執行步驟53;否則，認為不是樹干點集，執行步驟54;
[0034] 步驟53、若上次掃描數據中未找到樹干點集，則認為該次掃描到的是樹干的起始 位置，記錄樹干點集y軸坐標均值Dc_start，樹干檢測結束，認為尚未找到樹干；
[0035] 步驟54、若上次掃描數據中找到樹干點集，則認為該次掃描到的是樹干的結束位 置，記錄樹干點集y軸坐標均值Ds_end，同時，認為檢測到樹干;否則，認為未檢測到樹干；
[0036] 步驟6、計算樹干距離Dc = ^c_start+Dc_end)/2，標記樹干距離已知，之后執行步驟4。
[0037] 本發明的步驟2中，感興趣區域內是指樹木祀標的感興趣區域，該感興趣區域的y、 Z軸的坐標范圍是Ymin < y < Ymax，Zmin < Z < Zmax，其中，Ymin是噴霧場景中樹冠外緣到車載二維 激光掃描傳感器的最小深度距離，范圍是:0.5m~2m，Ymax是樹干到傳感器的最大深度距離， 范圍是1.5m~3m，Zmin是祀標底部到傳感器的垂直距離，為負值，范圍是-1. f5m~-0 .5m , Zmax 是最高祀標到傳感器的垂直距離，范圍是0.5m~3 . OmsYmin優選1 . Om，Ymax優選2.0m，Zmin優 選-〇. 5m，Zmax 優選 2. Om。
[0038] 本發明的巧良據樹干的光滑程度設定，它的范圍是0.005m~0.02m。。
[0039] 本發明的步驟52中，1為樹干連續線段的最小長度，范圍是0.5~Im，優選0.5m。
[0040] 本發明的有益效果：
[0041 ]本發明與現有技術相比，其顯著優點如下：1)本發明通過識別樹干獲取樹木中屯、 位置，從而計算樹冠厚度，結合載運車輛速度得到樹冠體積，生成面向變量噴霧的噴霧處方 圖，適用于樹株不規則栽培的情況;2)本發明提供的樹冠體積測量方法處理速度快，實時性 好，能滿足實時樹木變量對祀噴霧需求。
【附圖說明】
[0042] 圖1是變量對祀噴霧原理示意圖。
[0043] 圖2是樹冠體積測量原理示意圖。
[0044] 圖3是本發明的流程圖。
[0045] 圖4是本發明的噴霧場景坐標系圖。
[0046] 圖5是噴霧場景示意圖。
[0047] 圖6是樹干檢測結果示意圖。
[0048] 圖7是樹冠單側體積示意圖。
【具體實施方式】
[0049] 下面結合附圖和實施例對本發明作進一步的說明。
[0050]如圖3所示，一種基于二維激光掃描儀的樹木祀標體積實時測量方法，其特征是它 采用車載二維激光掃描傳感器獲取樹木的激光數據，通過樹干識別得到樹冠中屯、距離，結 合測得的樹冠外緣距離及車輛速度計算對應于各噴頭的離散化的樹冠體積，具體包括W下 步驟：
[0化1]步驟1、采用二維激光掃描傳感器獲取樹木的激光數據{(A，巧)}；!,，其中，N為當前 掃描采集的數據點數，Ρι、θι分別為車載二維激光掃描傳感器到第i個掃描點的測量距離和 掃描角度;然后，將各掃描點的數據由極坐標系變換到直角坐標系yz下，變換公式為：
[0化2] yi = -Pi cos白i
[0053] zi = f>i sin白i，
[0054] 其中，X軸為車輛行駛方向，y軸為噴霧方向，z軸垂直地面向上，yi、Zi第i個掃描點 在直角坐標系上y、z軸的坐標，yi表示車載二維激光掃描傳感器到第i個掃描點在深度方向 的垂直距離，Zi表示車載二維激光掃描傳感器到第i個掃描點在高度方向的垂直距離；
[0055] 步驟2、判斷感興趣區域內是否存在樹木祀標，感興趣區域即預先設置的激光數據 在y、z方向上的范圍，若似,，z,妃均不在感興趣區域內，認為不存在祀標，將樹干距離標記 為未