一种基于二维激光扫描仪的树木靶标体积实时测量方法
一种基于二维激光扫描仪的树木靶标体积实时测量方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及对祀喷雾技术领域，尤其是基于激光处理技术的树木体积测量方法， 具体地说是一种基于二维激光扫描仪的树木祀标体积实时测量方法。
【背景技术】
[0002] 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 对祀喷雾技术的研究已开展10余年。智能对祀喷雾系统通过实时传感器检测树木祀标，得 到祀标位置、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祀喷雾。
[0003] 国内外学者主要采用超声波、红外、可见光、激光传感器测量祀标位置、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;激光传感器测量精度高、分辨率高、测量距离远，扫描范围大，是目前 树木测量最有效的传感器技术。2010年美国农业部农业工程应用技术国家实验室与俄亥俄 州立大学合作，研发出首台基于车载2D激光扫描仪的变量风送式喷雾机，并于2012年形成 产品，在美国苗圃、果园推广应用。
[0004] 变量对祀喷雾原理如图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树冠体积，W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。树冠的连续体积可离散化为一个个小长方体 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。假设祀标前 后对称，只需测量单侧体积。D。为传感器测量到的树冠外缘距离，Dc为树冠中屯、线距离，由此 计算单侧树冠厚度Dd = Dc-DD"Ds为Z方向两次测量点之间的距离，假设车辆速度为v，x方向 两次测量间隔时间为A t，则单侧树冠体积V = DdDsV Δ t。从计算过程可看出，要想准确得到 树冠体积，需测量树冠中屯、线距离Dc。现有方法主要采用两种手段确定Dc: (1)假设树木成行 栽培，喷雾车辆前进方向与栽培线平行，树木与车辆的距离固定，然后事先测得D。。运种方 法要求树木规则栽培，不适用于树木栽培线不为直线的喷雾场景；（2)将树冠顶部外缘距离 认为是树冠中屯、线距离。运种方法测量误差大，准确性差。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的是针对现有变量对祀喷雾技术中的祀标体积测量方法智能化水平 较低，应用场合受到限制的问题，提出一种基于二维激光扫描仪的树木祀标体积实时测量 方法。
[0006] 本发明的技术方案是：
[0007] -种基于二维激光扫描仪的树木祀标体积实时测量方法，它采用车载二维激光扫 描传感器获取树木的激光数据，通过树干识别得到树冠中屯、距离，结合测得的树冠外缘距 离及车辆速度计算对应于各喷头的离散化的树冠体积。
[000引本发明中，具体包括W下步骤：
[0009] 步骤1、将车载二维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，车载二维激光扫描传感器获取树木的激光数据，获取各扫描点的测量距离和扫描 角度；
[0010] 步骤2、判断感兴趣区域内是否存在树木祀标，若不存在，将树干距离标记为未知， 令树冠体积为0，之后执行步骤1;否则，执行步骤3;
[0011] 步骤3、判断树干距离是否已知，若未知，执行步骤5;否则，执行步骤4;
[0012] 步骤4、根据测量距离和树干距离计算树冠厚度，再结合车辆速度计算对应于各喷 头的离散化的树冠体积，之后执行步骤1;
[0013] 步骤5、进行树干检测，若检测到树干，执行步骤6;否则，执行步骤1;
[0014] 步骤6、计算树干距离，标记树干距离已知，之后执行步骤4。
[0015] 本发明具体包括W下步骤：
[0016] 步骤1、采用二维激光扫描传感器获取树木的激光数据其中，N为当前 扫描采集的数据点数，Ρι、θι分别为车载二维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：
[0017] yi = -Pi cos白i
[001 引 zi = f>i sin白i，
[0019] 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；
[0020] 步骤2、判断感兴趣区域内是否存在树木祀标，感兴趣区域即预先设置的激光数据 在y、z方向上的范围，若{如2,)枯均不在感兴趣区域内，认为不存在祀标，将树干距离标记 为未知，令树冠体积为0，之后执行步骤1;否则，执行步骤3;
[0021] 步骤3、判断树干距离Dc是否已知，若未知，执行步骤5;否则，执行步骤4;
[0022] 步骤4、将单侧树冠体积离散化为不同高度的小长方体，分别计算喷雾车辆上安装 的η个喷头对应喷雾区域的树冠体积，具体包括W下步骤：
[0023] 步骤41、根据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即 树冠外缘距离yi和树干距离Dc计算单侧树冠厚度Dd(i)
[0024] Dd(i)=max(Dc-yi,0)；
[0025] 步骤42、计算各个喷头对应喷雾区域的树冠在yz平面上的单侧截面积：
[002引 &-(/)= 1 S 去(0',(/.) +A(/ + 1))D(/)， |i|-trfi )+.7(/+1 ))eZ{/)|
[0027] 其中，j表示喷头编号，Z(j)是第j个喷头的高度范围，Ds(i)= |z(i)-z(i + l) I为z 方向两次测量点之间的距离，扭帅從z(; 1表示第i和第i+1个扫描点在z方向的均值落在 ,之. J 第j个喷头高度范围内的所有点的集合；
[0028] 步骤43、各个喷头对应喷雾区域的树冠体积V(j)采用下述公式计算：
[0029] Wj)=2Syz(j)vAt，
[0030] 其中，V为当前车辆速度，At为车载二维激光传感器的扫描周期；
[0031] 步骤5、进行树干检测，若检测到树干，执行步骤6;否则，执行步骤1;树干检测利用 其垂直连续特性，通过检测Z方向满足一定长度的y坐标连续变化的点集判断是否存在树 干;具体包括W下步骤：
[0032] 步骤51、对每个扫描点判断其与上一扫描点的y轴坐标是否在一定阔值内abs(yi-yi-i)^T，若成立，则认为该扫描点与上一扫描点连续，继续下一个扫描点的判断；否则，认 为连续点集结束，上一扫描点为结束位置，建立新连续点集，将该扫描点作为起始点继续判 断，其中，absO表示绝对值函数；
[0033] 步骤52、对每个连续点集的长度进行阔值判断，若abs(Zstar广Zend) Μ，认为该连续 点集对应树干扫描点，执行步骤53;否则，认为不是树干点集，执行步骤54;
[0034] 步骤53、若上次扫描数据中未找到树干点集，则认为该次扫描到的是树干的起始 位置，记录树干点集y轴坐标均值Dc_start，树干检测结束，认为尚未找到树干；
[0035] 步骤54、若上次扫描数据中找到树干点集，则认为该次扫描到的是树干的结束位 置，记录树干点集y轴坐标均值Ds_end，同时，认为检测到树干;否则，认为未检测到树干；
[0036] 步骤6、计算树干距离Dc = ^c_start+Dc_end)/2，标记树干距离已知，之后执行步骤4。
[0037] 本发明的步骤2中，感兴趣区域内是指树木祀标的感兴趣区域，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是祀标底部到传感器的垂直距离，为负值，范围是-1. f5m~-0 .5m , Zmax 是最高祀标到传感器的垂直距离，范围是0.5m~3 . OmsYmin优选1 . Om，Ymax优选2.0m，Zmin优 选-〇. 5m，Zmax 优选 2. Om。
[0038] 本发明的巧良据树干的光滑程度设定，它的范围是0.005m~0.02m。。
[0039] 本发明的步骤52中，1为树干连续线段的最小长度，范围是0.5~Im，优选0.5m。
[0040] 本发明的有益效果：
[0041 ]本发明与现有技术相比，其显著优点如下：1)本发明通过识别树干获取树木中屯、 位置，从而计算树冠厚度，结合载运车辆速度得到树冠体积，生成面向变量喷雾的喷雾处方 图，适用于树株不规则栽培的情况;2)本发明提供的树冠体积测量方法处理速度快，实时性 好，能满足实时树木变量对祀喷雾需求。
【附图说明】
[0042] 图1是变量对祀喷雾原理示意图。
[0043] 图2是树冠体积测量原理示意图。
[0044] 图3是本发明的流程图。
[0045] 图4是本发明的喷雾场景坐标系图。
[0046] 图5是喷雾场景示意图。
[0047] 图6是树干检测结果示意图。
[0048] 图7是树冠单侧体积示意图。
【具体实施方式】
[0049] 下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。
[0050]如图3所示，一种基于二维激光扫描仪的树木祀标体积实时测量方法，其特征是它 采用车载二维激光扫描传感器获取树木的激光数据，通过树干识别得到树冠中屯、距离，结 合测得的树冠外缘距离及车辆速度计算对应于各喷头的离散化的树冠体积，具体包括W下 步骤：
[0化1]步骤1、采用二维激光扫描传感器获取树木的激光数据{(A，巧)}；!,，其中，N为当前 扫描采集的数据点数，Ρι、θι分别为车载二维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：
[0化2] yi = -Pi cos白i
[0053] zi = f>i sin白i，
[0054] 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；
[0055] 步骤2、判断感兴趣区域内是否存在树木祀标，感兴趣区域即预先设置的激光数据 在y、z方向上的范围，若似,，z,妃均不在感兴趣区域内，认为不存在祀标，将树干距离标记 为未 知，令树冠体积为0,之后执行步骤1;否则，执行步骤3;所述的感兴趣区域内是指树木 革己标的感兴趣区域，该感兴趣区域的y的最小值在0.5m~2m间，y的最大值在1.5m~3m间，最 小值根据喷雾场景中树冠外缘到传感器的最小距离设定，最大值根据喷雾场景中树干到传 感器的最大距离设定。Z的最小值在-1.5m~-0.5m间，根据祀标底部到传感器的垂直距离设 定，通常为负值，Z的最大值在0.5m~3m间，根据树冠顶部到传感器的最大垂直距离设定。
[0056] 步骤3、判断树干距离Dc是否已知，若未知，执行步骤5;否则，执行步骤4;
[0057] 步骤4、将单侧树冠体积离散化为不同高度的小长方体，分别计算喷雾车辆上安装 的η个喷头对应喷雾区域的树冠体积，具体包括W下步骤：
[005引步骤41、根据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即 树冠外缘距离yi和树干距离Dc计算单侧树冠厚度Dd(i)
[0059] Dd(i)=max(Dc-yi,0)；
[0060] 步骤42、计算各个喷头对应喷雾区域的树冠在yz平面上的单侧截面积：
[0061]
[0062] 其中，j表示喷头编号，Z(j)是第j个喷头的高度范围，Ds(i)=|z(i)-z(i + l)|为Z 方向两次测量点之间的距离，咖I化zwj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；
[0063] 步骤43、各个喷头对应喷雾区域的树冠体积V(j)采用下述公式计算：
[0064] Wj)=2Syz(j)vAt，
[0065] 其中，V为当前车辆速度，At为车载二维激光传感器的扫描周期；
[0066] 步骤5、进行树干检测，若检测到树干，执行步骤6;否则，执行步骤1;树干检测利用 其垂直连续特性，通过检测Z方向满足一定长度的y坐标连续变化的点集判断是否存在树 干;具体包括w下步骤：
[0067]步骤51、对每个扫描点判断其与上一扫描点的y轴坐标是否在一定阔值内abs(yi-yi-i)^T，若成立，则认为该扫描点与上一扫描点连续，继续下一个扫描点的判断；否则，认 为连续点集结束，上一扫描点为结束位置，建立新连续点集，将该扫描点作为起始点继续判 断，其中，absO表示绝对值函数;T的范围在0.005m~0.02m间，根据树干的光滑程度设定。 [00 6引步骤52、对每个连续点集的长度进行阔值判断，若abs(Zstar广Zend) > 1，认为该连续 点集对应树干扫描点，执行步骤5 3;否则，认为不是树干点集，执行步骤5 4; 1的范围在0.5 m ~Im之间，根据树干长度设定。
[0069] 步骤53、若上次扫描数据中未找到树干点集，则认为该次扫描到的是树干的起始 位置，记录树干点集y轴坐标均值Dc_start，树干检测结束，认为尚未找到树干；
[0070] 步骤54、若上次扫描数据中找到树干点集，则认为该次扫描到的是树干的结束位 置，记录树干点集y轴坐标均值Ds_end，同时，认为检测到树干;否则，认为未检测到树干；
[0071] 步骤6、计算树干距离Dc= ^c_start+Dc_end)/2,标记树干距离已知，之后执行步骤4。
[0072] 具体实施时：
[0073] 下面结合实例对本发明做进一步详细的说明。实验采用日本化kuyo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Im~3m，安装8个变量喷头，将喷雾区域均匀分割成8部分分别喷 雾。喷雾场景如图5所示，包含6棵树冠体积、树干距离不同的树木，采用车载二维激光扫描 传感器获取到的感兴趣区域内的激光扫描点如图6所示，其中灰色为检测到的树干点。根据 树干距离计算的每段喷雾区域内的树冠体积如图7所示，该结果可作为喷雾处方图控制8个 变量喷头的流量。
[0074] 本发明未设及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加 W实现。
【主权项】
1. 一种基于二维激光扫描仪的树木靶标体积实时测量方法，其特征是它采用车载二维 激光扫描传感器获取树木的激光数据，通过树干识别得到树冠中心距离，结合测得的树冠 外缘距离及车辆速度计算对应于各喷头的离散化的树冠体积。2. 根据权利要求1所述的基于二维激光扫描仪的树木靶标体积实时测量方法，其特征 是具体包括以下步骤： 步骤1、将车载二维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，车载二维激光扫描传感器获取树木的激光数据，获取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，将树干距离标记为未知，令树 冠体积为O，之后执行步骤1;否则，执行步骤3; 步骤3、判断树干距离是否已知，若未知，执行步骤5;否则，执行步骤4; 步骤4、根据测量距离和树干距离计算树冠厚度，再结合车辆速度计算对应于各喷头的 离散化的树冠体积，之后执行步骤1; 步骤5、进行树干检测，若检测到树干，执行步骤6;否则，执行步骤1; 步骤6、计算树干距离，标记树干距离已知，之后执行步骤4。3. 根据权利要求2所述的基于二维激光扫描仪的树木靶标体积实时测量方法，其特征 是具体包括以下步骤： 步骤1、采用二维激光扫描传感器获取树木的激光数据KaAC1，其中，N为当前扫描 采集的数据点数，PhS1*别为车载二维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 = -Picos9i zi = Pisin0i? 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，Z 1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，感兴趣区域即预先设置的激光数据在y、 z方向上的范围，若均不在感兴趣区域内，认为不存在靶标，将树干距离标记为未 知，令树冠体积为〇，之后执行步骤1;否则，执行步骤3; 步骤3、判断树干距离Dc是否已知，若未知，执行步骤5;否则，执行步骤4; 步骤4、将单侧树冠体积离散化为不同高度的小长方体，分别计算喷雾车辆上安装的η 个喷头对应喷雾区域的树冠体积，具体包括以下步骤： 步骤41、根据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即树冠 外缘距离又:和树干距离Dc计算单侧树冠厚度Dd(i) Dd(i) =max(Dc-yi,0)； 步骤42、计算各个喷头对应喷雾区域的树冠在yz平面上的单侧截面积Syz(j):其中，j表示喷头编号，Z(j)是第j个喷头的高度范围，Ds(i)=|z(i)-z(i+l)|为z方向两 次测量点之间的距离，表示第i和第i + Ι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43、各个喷头对应喷雾区域的树冠体积V(j)采用下述公式计算： V( j) = 2Syz( j)vA t, 其中，v为当前车辆速度，At为车载二维激光传感器的扫描周期； 步骤5、进行树干检测，若检测到树干，执行步骤6;否则，执行步骤1;树干检测利用其垂 直连续特性，通过检测z方向满足一定长度的y坐标连续变化的点集判断是否存在树干;具 体包括以下步骤： 步骤51、对每个扫描点判断其与上一扫描点的y轴坐标是否在一定阈值内abs(yi-yi-i) <T，若成立，则认为该扫描点与上一扫描点连续，继续下一个扫描点的判断；否则，认为连 续点集结束，上一扫描点为结束位置，建立新连续点集，将该扫描点作为起始点继续判断， 其中，abs〇表示绝对值函数； 步骤52、对每个连续点集的长度进行阈值判断，若abs ( Zstart-Zend ) 2 1，认为该连续点集 对应树干扫描点，执行步骤53;否则，认为不是树干点集，执行步骤54; 步骤53、若上次扫描数据中未找到树干点集，则认为该次扫描到的是树干的起始位置， 记录树干点集y轴坐标均值Dytart，树干检测结束，认为尚未找到树干； 步骤54、若上次扫描数据中找到树干点集，则认为该次扫描到的是树干的结束位置，记 录树干点集y轴坐标均值Dc^nd，同时，认为检测到树干;否则，认为未检测到树干； 步骤6、计算树干距离Dc = (Dc^stert+Dc^nd )/2，标记树干距离已知，之后执行步骤4。4. 根据权利要求3所述的基于二维激光扫描仪的树木靶标体积实时测量方法，其特征 是:步骤2中，感兴趣区域内是指树木靶标的感兴趣区域，该感兴趣区域的y、z轴的坐标范围 是Ym in ^ 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:〇. 5m~2m，Ymax是树干到传感器的最大深度距离，范围是1.5m~ 3m，Zmin是革E标底部到传感器的垂直距离，为负值，范围是-1.5m~-0.5m，Zmax是最高革E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所述的基于二维激光扫描仪的树木靶标体积实时测量方法，其特征 是:Ymin为 1 · Om，Ymax为 2 · Om，Zmin为-0 · 5m，Zmax为 2 · Om。6. 根据权利要求3所述的基于二维激光扫描仪的树木靶标体积实时测量方法，其特征 是:步骤51中，T根据树干的光滑程度设定，它的范围是0.005m~0.02m。7. 根据权利要求6所述的基于二维激光扫描仪的树木靶标体积实时测量方法，其特征 是:步骤51中，T取值0.02m。8. 根据权利要求3所述的基于二维激光扫描仪的树木靶标体积实时测量方法，其特征 是:步骤52中，1为树干连续线段的最小长度，范围是0.5~lm。9. 根据权利要求8所述的基于二维激光扫描仪的树木靶标体积实时测量方法，其特征 是:步骤52中，1为树干连续线段的最小长度，取值是0.5m。
【专利摘要】一种基于二维激光扫描仪的树木靶标体积实时测量方法，其特征是它采用车载二维激光扫描传感器获取树木的激光数据，通过树干识别得到树冠中心距离，结合测得的树冠外缘距离及车辆速度计算对应于各喷头的离散化的树冠体积。本发明通过识别树干获取树木中心位置，从而计算树冠厚度，结合载运车辆速度得到树冠体积，生成面向变量喷雾的喷雾处方图，适用于树株不规则栽培的情况；本发明提供的树冠体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。
【IPC分类】G01B11/00
【公开号】CN105486228
【申请号】CN201510834124
【发明人】李秋洁, 徐波, 周宏平, 郑加强, 张慧春, 韦雷, 胡天真, 周敏, 孙溪童
【申请人】南京林业大学
【公开日】2016年4月13日
【申请日】2015年11月25日
【技术领域】
[0001] 本发明设及对祀喷雾技术领域，尤其是基于激光处理技术的树木体积测量方法， 具体地说是一种基于二维激光扫描仪的树木祀标体积实时测量方法。
【背景技术】
[0002] 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 对祀喷雾技术的研究已开展10余年。智能对祀喷雾系统通过实时传感器检测树木祀标，得 到祀标位置、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祀喷雾。
[0003] 国内外学者主要采用超声波、红外、可见光、激光传感器测量祀标位置、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;激光传感器测量精度高、分辨率高、测量距离远，扫描范围大，是目前 树木测量最有效的传感器技术。2010年美国农业部农业工程应用技术国家实验室与俄亥俄 州立大学合作，研发出首台基于车载2D激光扫描仪的变量风送式喷雾机，并于2012年形成 产品，在美国苗圃、果园推广应用。
[0004] 变量对祀喷雾原理如图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树冠体积，W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。树冠的连续体积可离散化为一个个小长方体 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。假设祀标前 后对称，只需测量单侧体积。D。为传感器测量到的树冠外缘距离，Dc为树冠中屯、线距离，由此 计算单侧树冠厚度Dd = Dc-DD"Ds为Z方向两次测量点之间的距离，假设车辆速度为v，x方向 两次测量间隔时间为A t，则单侧树冠体积V = DdDsV Δ t。从计算过程可看出，要想准确得到 树冠体积，需测量树冠中屯、线距离Dc。现有方法主要采用两种手段确定Dc: (1)假设树木成行 栽培，喷雾车辆前进方向与栽培线平行，树木与车辆的距离固定，然后事先测得D。。运种方 法要求树木规则栽培，不适用于树木栽培线不为直线的喷雾场景；（2)将树冠顶部外缘距离 认为是树冠中屯、线距离。运种方法测量误差大，准确性差。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的是针对现有变量对祀喷雾技术中的祀标体积测量方法智能化水平 较低，应用场合受到限制的问题，提出一种基于二维激光扫描仪的树木祀标体积实时测量 方法。
[0006] 本发明的技术方案是：
[0007] -种基于二维激光扫描仪的树木祀标体积实时测量方法，它采用车载二维激光扫 描传感器获取树木的激光数据，通过树干识别得到树冠中屯、距离，结合测得的树冠外缘距 离及车辆速度计算对应于各喷头的离散化的树冠体积。
[000引本发明中，具体包括W下步骤：
[0009] 步骤1、将车载二维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，车载二维激光扫描传感器获取树木的激光数据，获取各扫描点的测量距离和扫描 角度；
[0010] 步骤2、判断感兴趣区域内是否存在树木祀标，若不存在，将树干距离标记为未知， 令树冠体积为0，之后执行步骤1;否则，执行步骤3;
[0011] 步骤3、判断树干距离是否已知，若未知，执行步骤5;否则，执行步骤4;
[0012] 步骤4、根据测量距离和树干距离计算树冠厚度，再结合车辆速度计算对应于各喷 头的离散化的树冠体积，之后执行步骤1;
[0013] 步骤5、进行树干检测，若检测到树干，执行步骤6;否则，执行步骤1;
[0014] 步骤6、计算树干距离，标记树干距离已知，之后执行步骤4。
[0015] 本发明具体包括W下步骤：
[0016] 步骤1、采用二维激光扫描传感器获取树木的激光数据其中，N为当前 扫描采集的数据点数，Ρι、θι分别为车载二维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：
[0017] yi = -Pi cos白i
[001 引 zi = f>i sin白i，
[0019] 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；
[0020] 步骤2、判断感兴趣区域内是否存在树木祀标，感兴趣区域即预先设置的激光数据 在y、z方向上的范围，若{如2,)枯均不在感兴趣区域内，认为不存在祀标，将树干距离标记 为未知，令树冠体积为0，之后执行步骤1;否则，执行步骤3;
[0021] 步骤3、判断树干距离Dc是否已知，若未知，执行步骤5;否则，执行步骤4;
[0022] 步骤4、将单侧树冠体积离散化为不同高度的小长方体，分别计算喷雾车辆上安装 的η个喷头对应喷雾区域的树冠体积，具体包括W下步骤：
[0023] 步骤41、根据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即 树冠外缘距离yi和树干距离Dc计算单侧树冠厚度Dd(i)
[0024] Dd(i)=max(Dc-yi,0)；
[0025] 步骤42、计算各个喷头对应喷雾区域的树冠在yz平面上的单侧截面积：
[002引 &-(/)= 1 S 去(0',(/.) +A(/ + 1))D(/)， |i|-trfi )+.7(/+1 ))eZ{/)|
[0027] 其中，j表示喷头编号，Z(j)是第j个喷头的高度范围，Ds(i)= |z(i)-z(i + l) I为z 方向两次测量点之间的距离，扭帅從z(; 1表示第i和第i+1个扫描点在z方向的均值落在 ,之. J 第j个喷头高度范围内的所有点的集合；
[0028] 步骤43、各个喷头对应喷雾区域的树冠体积V(j)采用下述公式计算：
[0029] Wj)=2Syz(j)vAt，
[0030] 其中，V为当前车辆速度，At为车载二维激光传感器的扫描周期；
[0031] 步骤5、进行树干检测，若检测到树干，执行步骤6;否则，执行步骤1;树干检测利用 其垂直连续特性，通过检测Z方向满足一定长度的y坐标连续变化的点集判断是否存在树 干;具体包括W下步骤：
[0032] 步骤51、对每个扫描点判断其与上一扫描点的y轴坐标是否在一定阔值内abs(yi-yi-i)^T，若成立，则认为该扫描点与上一扫描点连续，继续下一个扫描点的判断；否则，认 为连续点集结束，上一扫描点为结束位置，建立新连续点集，将该扫描点作为起始点继续判 断，其中，absO表示绝对值函数；
[0033] 步骤52、对每个连续点集的长度进行阔值判断，若abs(Zstar广Zend) Μ，认为该连续 点集对应树干扫描点，执行步骤53;否则，认为不是树干点集，执行步骤54;
[0034] 步骤53、若上次扫描数据中未找到树干点集，则认为该次扫描到的是树干的起始 位置，记录树干点集y轴坐标均值Dc_start，树干检测结束，认为尚未找到树干；
[0035] 步骤54、若上次扫描数据中找到树干点集，则认为该次扫描到的是树干的结束位 置，记录树干点集y轴坐标均值Ds_end，同时，认为检测到树干;否则，认为未检测到树干；
[0036] 步骤6、计算树干距离Dc = ^c_start+Dc_end)/2，标记树干距离已知，之后执行步骤4。
[0037] 本发明的步骤2中，感兴趣区域内是指树木祀标的感兴趣区域，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是祀标底部到传感器的垂直距离，为负值，范围是-1. f5m~-0 .5m , Zmax 是最高祀标到传感器的垂直距离，范围是0.5m~3 . OmsYmin优选1 . Om，Ymax优选2.0m，Zmin优 选-〇. 5m，Zmax 优选 2. Om。
[0038] 本发明的巧良据树干的光滑程度设定，它的范围是0.005m~0.02m。。
[0039] 本发明的步骤52中，1为树干连续线段的最小长度，范围是0.5~Im，优选0.5m。
[0040] 本发明的有益效果：
[0041 ]本发明与现有技术相比，其显著优点如下：1)本发明通过识别树干获取树木中屯、 位置，从而计算树冠厚度，结合载运车辆速度得到树冠体积，生成面向变量喷雾的喷雾处方 图，适用于树株不规则栽培的情况;2)本发明提供的树冠体积测量方法处理速度快，实时性 好，能满足实时树木变量对祀喷雾需求。
【附图说明】
[0042] 图1是变量对祀喷雾原理示意图。
[0043] 图2是树冠体积测量原理示意图。
[0044] 图3是本发明的流程图。
[0045] 图4是本发明的喷雾场景坐标系图。
[0046] 图5是喷雾场景示意图。
[0047] 图6是树干检测结果示意图。
[0048] 图7是树冠单侧体积示意图。
【具体实施方式】
[0049] 下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。
[0050]如图3所示，一种基于二维激光扫描仪的树木祀标体积实时测量方法，其特征是它 采用车载二维激光扫描传感器获取树木的激光数据，通过树干识别得到树冠中屯、距离，结 合测得的树冠外缘距离及车辆速度计算对应于各喷头的离散化的树冠体积，具体包括W下 步骤：
[0化1]步骤1、采用二维激光扫描传感器获取树木的激光数据{(A，巧)}；!,，其中，N为当前 扫描采集的数据点数，Ρι、θι分别为车载二维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：
[0化2] yi = -Pi cos白i
[0053] zi = f>i sin白i，
[0054] 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；
[0055] 步骤2、判断感兴趣区域内是否存在树木祀标，感兴趣区域即预先设置的激光数据 在y、z方向上的范围，若似,，z,妃均不在感兴趣区域内，认为不存在祀标，将树干距离标记 为未 知，令树冠体积为0,之后执行步骤1;否则，执行步骤3;所述的感兴趣区域内是指树木 革己标的感兴趣区域，该感兴趣区域的y的最小值在0.5m~2m间，y的最大值在1.5m~3m间，最 小值根据喷雾场景中树冠外缘到传感器的最小距离设定，最大值根据喷雾场景中树干到传 感器的最大距离设定。Z的最小值在-1.5m~-0.5m间，根据祀标底部到传感器的垂直距离设 定，通常为负值，Z的最大值在0.5m~3m间，根据树冠顶部到传感器的最大垂直距离设定。
[0056] 步骤3、判断树干距离Dc是否已知，若未知，执行步骤5;否则，执行步骤4;
[0057] 步骤4、将单侧树冠体积离散化为不同高度的小长方体，分别计算喷雾车辆上安装 的η个喷头对应喷雾区域的树冠体积，具体包括W下步骤：
[005引步骤41、根据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即 树冠外缘距离yi和树干距离Dc计算单侧树冠厚度Dd(i)
[0059] Dd(i)=max(Dc-yi,0)；
[0060] 步骤42、计算各个喷头对应喷雾区域的树冠在yz平面上的单侧截面积：
[0061]
[0062] 其中，j表示喷头编号，Z(j)是第j个喷头的高度范围，Ds(i)=|z(i)-z(i + l)|为Z 方向两次测量点之间的距离，咖I化zwj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；
[0063] 步骤43、各个喷头对应喷雾区域的树冠体积V(j)采用下述公式计算：
[0064] Wj)=2Syz(j)vAt，
[0065] 其中，V为当前车辆速度，At为车载二维激光传感器的扫描周期；
[0066] 步骤5、进行树干检测，若检测到树干，执行步骤6;否则，执行步骤1;树干检测利用 其垂直连续特性，通过检测Z方向满足一定长度的y坐标连续变化的点集判断是否存在树 干;具体包括w下步骤：
[0067]步骤51、对每个扫描点判断其与上一扫描点的y轴坐标是否在一定阔值内abs(yi-yi-i)^T，若成立，则认为该扫描点与上一扫描点连续，继续下一个扫描点的判断；否则，认 为连续点集结束，上一扫描点为结束位置，建立新连续点集，将该扫描点作为起始点继续判 断，其中，absO表示绝对值函数;T的范围在0.005m~0.02m间，根据树干的光滑程度设定。 [00 6引步骤52、对每个连续点集的长度进行阔值判断，若abs(Zstar广Zend) > 1，认为该连续 点集对应树干扫描点，执行步骤5 3;否则，认为不是树干点集，执行步骤5 4; 1的范围在0.5 m ~Im之间，根据树干长度设定。
[0069] 步骤53、若上次扫描数据中未找到树干点集，则认为该次扫描到的是树干的起始 位置，记录树干点集y轴坐标均值Dc_start，树干检测结束，认为尚未找到树干；
[0070] 步骤54、若上次扫描数据中找到树干点集，则认为该次扫描到的是树干的结束位 置，记录树干点集y轴坐标均值Ds_end，同时，认为检测到树干;否则，认为未检测到树干；
[0071] 步骤6、计算树干距离Dc= ^c_start+Dc_end)/2,标记树干距离已知，之后执行步骤4。
[0072] 具体实施时：
[0073] 下面结合实例对本发明做进一步详细的说明。实验采用日本化kuyo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Im~3m，安装8个变量喷头，将喷雾区域均匀分割成8部分分别喷 雾。喷雾场景如图5所示，包含6棵树冠体积、树干距离不同的树木，采用车载二维激光扫描 传感器获取到的感兴趣区域内的激光扫描点如图6所示，其中灰色为检测到的树干点。根据 树干距离计算的每段喷雾区域内的树冠体积如图7所示，该结果可作为喷雾处方图控制8个 变量喷头的流量。
[0074] 本发明未设及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加 W实现。
【主权项】
1. 一种基于二维激光扫描仪的树木靶标体积实时测量方法，其特征是它采用车载二维 激光扫描传感器获取树木的激光数据，通过树干识别得到树冠中心距离，结合测得的树冠 外缘距离及车辆速度计算对应于各喷头的离散化的树冠体积。2. 根据权利要求1所述的基于二维激光扫描仪的树木靶标体积实时测量方法，其特征 是具体包括以下步骤： 步骤1、将车载二维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，车载二维激光扫描传感器获取树木的激光数据，获取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，将树干距离标记为未知，令树 冠体积为O，之后执行步骤1;否则，执行步骤3; 步骤3、判断树干距离是否已知，若未知，执行步骤5;否则，执行步骤4; 步骤4、根据测量距离和树干距离计算树冠厚度，再结合车辆速度计算对应于各喷头的 离散化的树冠体积，之后执行步骤1; 步骤5、进行树干检测，若检测到树干，执行步骤6;否则，执行步骤1; 步骤6、计算树干距离，标记树干距离已知，之后执行步骤4。3. 根据权利要求2所述的基于二维激光扫描仪的树木靶标体积实时测量方法，其特征 是具体包括以下步骤： 步骤1、采用二维激光扫描传感器获取树木的激光数据KaAC1，其中，N为当前扫描 采集的数据点数，PhS1*别为车载二维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 = -Picos9i zi = Pisin0i? 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，Z 1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，感兴趣区域即预先设置的激光数据在y、 z方向上的范围，若均不在感兴趣区域内，认为不存在靶标，将树干距离标记为未 知，令树冠体积为〇，之后执行步骤1;否则，执行步骤3; 步骤3、判断树干距离Dc是否已知，若未知，执行步骤5;否则，执行步骤4; 步骤4、将单侧树冠体积离散化为不同高度的小长方体，分别计算喷雾车辆上安装的η 个喷头对应喷雾区域的树冠体积，具体包括以下步骤： 步骤41、根据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即树冠 外缘距离又:和树干距离Dc计算单侧树冠厚度Dd(i) Dd(i) =max(Dc-yi,0)； 步骤42、计算各个喷头对应喷雾区域的树冠在yz平面上的单侧截面积Syz(j):其中，j表示喷头编号，Z(j)是第j个喷头的高度范围，Ds(i)=|z(i)-z(i+l)|为z方向两 次测量点之间的距离，表示第i和第i + Ι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43、各个喷头对应喷雾区域的树冠体积V(j)采用下述公式计算： V( j) = 2Syz( j)vA t, 其中，v为当前车辆速度，At为车载二维激光传感器的扫描周期； 步骤5、进行树干检测，若检测到树干，执行步骤6;否则，执行步骤1;树干检测利用其垂 直连续特性，通过检测z方向满足一定长度的y坐标连续变化的点集判断是否存在树干;具 体包括以下步骤： 步骤51、对每个扫描点判断其与上一扫描点的y轴坐标是否在一定阈值内abs(yi-yi-i) <T，若成立，则认为该扫描点与上一扫描点连续，继续下一个扫描点的判断；否则，认为连 续点集结束，上一扫描点为结束位置，建立新连续点集，将该扫描点作为起始点继续判断， 其中，abs〇表示绝对值函数； 步骤52、对每个连续点集的长度进行阈值判断，若abs ( Zstart-Zend ) 2 1，认为该连续点集 对应树干扫描点，执行步骤53;否则，认为不是树干点集，执行步骤54; 步骤53、若上次扫描数据中未找到树干点集，则认为该次扫描到的是树干的起始位置， 记录树干点集y轴坐标均值Dytart，树干检测结束，认为尚未找到树干； 步骤54、若上次扫描数据中找到树干点集，则认为该次扫描到的是树干的结束位置，记 录树干点集y轴坐标均值Dc^nd，同时，认为检测到树干;否则，认为未检测到树干； 步骤6、计算树干距离Dc = (Dc^stert+Dc^nd )/2，标记树干距离已知，之后执行步骤4。4. 根据权利要求3所述的基于二维激光扫描仪的树木靶标体积实时测量方法，其特征 是:步骤2中，感兴趣区域内是指树木靶标的感兴趣区域，该感兴趣区域的y、z轴的坐标范围 是Ym in ^ 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:〇. 5m~2m，Ymax是树干到传感器的最大深度距离，范围是1.5m~ 3m，Zmin是革E标底部到传感器的垂直距离，为负值，范围是-1.5m~-0.5m，Zmax是最高革E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所述的基于二维激光扫描仪的树木靶标体积实时测量方法，其特征 是:Ymin为 1 · Om，Ymax为 2 · Om，Zmin为-0 · 5m，Zmax为 2 · Om。6. 根据权利要求3所述的基于二维激光扫描仪的树木靶标体积实时测量方法，其特征 是:步骤51中，T根据树干的光滑程度设定，它的范围是0.005m~0.02m。7. 根据权利要求6所述的基于二维激光扫描仪的树木靶标体积实时测量方法，其特征 是:步骤51中，T取值0.02m。8. 根据权利要求3所述的基于二维激光扫描仪的树木靶标体积实时测量方法，其特征 是:步骤52中，1为树干连续线段的最小长度，范围是0.5~lm。9. 根据权利要求8所述的基于二维激光扫描仪的树木靶标体积实时测量方法，其特征 是:步骤52中，1为树干连续线段的最小长度，取值是0.5m。
【专利摘要】一种基于二维激光扫描仪的树木靶标体积实时测量方法，其特征是它采用车载二维激光扫描传感器获取树木的激光数据，通过树干识别得到树冠中心距离，结合测得的树冠外缘距离及车辆速度计算对应于各喷头的离散化的树冠体积。本发明通过识别树干获取树木中心位置，从而计算树冠厚度，结合载运车辆速度得到树冠体积，生成面向变量喷雾的喷雾处方图，适用于树株不规则栽培的情况；本发明提供的树冠体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。
【IPC分类】G01B11/00
【公开号】CN105486228
【申请号】CN201510834124
【发明人】李秋洁, 徐波, 周宏平, 郑加强, 张慧春, 韦雷, 胡天真, 周敏, 孙溪童
【申请人】南京林业大学
【公开日】2016年4月13日
【申请日】2015年11月25日
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