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黼基于移动激光扫描的靶标叶面积计算方法农业机械学报李秋洁袁鹏成贤邓茹煜引言Ⅵ变量对靶施药技术已在果园、苗圃病虫害防治中成功应用¨浠∈嵌园斜甑木继讲庥胄畔提取‘<す饫状技术能快速获取树木完整形貌,提高测量效月第卷第痡..—...暇┝忠荡笱Щ档缱庸こ萄г海暇摘要:针对疏枝果园的变量对靶施药问题,提出基于移动激光扫描,技术的靶标叶面积计算方法,为变量施药实时提供基础数据。为消除激光雷达培琇讲饩嗬牒褪┮┏辆行驶速度对点云密度的影响,在车辆行驶方向和激光雷达扫描方向上计算每个测量点的分辨率,为阍剖据建立变尺度格网,以格网面积作为被激光束覆盖的叶面积,建立靶标总体格网面积,与真实总体叶面积,的线性回归模型。采用仿真树模拟疏枝果树靶标,搭建移动激光扫描测量系统,采集靶标点云数据,改变探测距离及移动速度,获取了植煌柚Τ潭劝斜甑个样本数据。试验结果表明,随着探测距离的增加和移动速度的降低,靶标点云数显著减少,变异系数最小为斜旮裢婊芪榷ㄌ取,.%。关键词:变量对靶施药;冠层总体叶面积;二维激光雷达;移动激光扫描;变尺度格网中图分类号:.文献标识码:文章编号:.旬詑,鈋口谀薲,琹口,飅凡凡簪蚩蒳秒,,毛声:—琣...,.“,收稿日期:一一修回日期:——基金项目:江苏省基础研究计划嗄昊项目⒐易匀豢蒲Щ鹣钅徒帐∨┮悼萍甲灾鞔葱伦式鹣作者简介:李秋洁,女,副教授,主要从事林木信息技术研究,￡,.,籩瑆猻;目;
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率,已广泛应用于树木信息提取卜。和三维重建‘统参数,可估算出冠层体积,据此调节施药剂挝,使枝果园,为增加果树产量、提高果实品质,果树冠层程度低,此时难以准确计算冠层体积,更适合用冠层频率,利用激光束方向与叶倾角进行校正,得到冠层药实时测量的需求。9诓愕淖芴逡睹婊采用点云数进行估计。文献证明了冠层点云晃南譡一婊≡褚徊糠止诓愕阍琈际跻言诎斜旯诓闾寤饬恐谐晒牧嫌敕椒将靶标冠层离散化为规则几何体,通过凳测量树冠外缘距离,结合预设的树行距离及其他系药液在冠层内部均匀沉积””。上述方法适用于冠层结构紧密、叶片交错重叠程度大的靶标。对于疏被修剪得较为稀疏,枝条的分支角度较大,叶片重叠叶面积作为喷雾依据。基于囊睹婊庾钪饕Q芯恳睹婊数,、叶面积密度.【琇妥芴逡睹婊,.等冠层参数。堑ノ煌恋孛婊囊镀苊婊常从冠层点云数据中提取透光率、消光系数等参数来计算⋯“淞慷园惺┮┬枰2饬颗缥矸较蛏的叶片总面积,因此并不适合。5ノ惶寤的叶片总面积,先将体素化后的冠层划分为多个横切面或纵切面,然后计算激光束与冠层切面的接触切面的纫。憬衔8丛樱⑶倚枰乘以冠层体积才能得到叶面积,不满足变量对靶施数与叶面积之间为线性关系;文献采用高斯函数、多项式函数与指数函数拟合し教迥诘牡阍剖胍镀叵担夂嫌哦达数据,利用三角剖分算法生成的三角形面积估计点云个数与叶面积的比率,同时,考虑到测量距离对点云密度的影响,按距离对冠层分层,分别计算叶囊贫す馍应用。虬㈨。”诎斜暌睹婊饬可弦踩〉昧艘恍┭究成果““U攵允柚暗谋淞慷园惺┮┪侍猓研究基于际醯陌斜暌睹婊扑惴椒ǎ探测距离和移动速度对点云密度有较大影响。本文分析上述因素与阍品直媛实墓叵担缘阍剖进行校正,以提高叶面积测量精度,为变量对靶施药提供基础数据。移动激光扫描测量试验采用日本,。最大测量距离,扫描范围#柚芷瑂,角度分辨率#看紊璺祷匾院撩孜5ノ坏膌测量点,用鲎纸诘恼硎尽饬肯低橙缤所示,将で蛳搭载在长度为乃扛嘶‥,【单片机控制型步进电机带动滑台在丝杆ぃ痵的速度匀速移动,计算机通过串口溪取荩袢〈怪庇贗。贫较虻纳形扫描区域内的靶标距离信息㈣靶标样本采用树高⒐,仿真树共有髦Γ≡、、髦δ拟由疏到密的不同疏枝情况,分别作为靶标号,如图尽采用网格方法测量单片叶面积,如图荆格尺寸为,。经测量,叶片高螅,,面积为捎诜抡媸鞯乃幸镀积相同,将叶片数乘以单片叶面积,叮得到靶标总体第李秋沽等:培于移动激光扫描的靶标叶而积汁算方法面积。基于究闹惴椒╦已自‘研究Ⅲ。,,髦,,
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А芸”。≯等∥,,/∑琂式中:,——测量点,,牟饬烤嗬△!狶弧度分辨率”!狶在第〉囊贫俣△!狶扫描周期度,取叶片长、宽中的较小值作为叶片尺度△。们则饬肯低车淖畲筇讲饩嗬搿搿⒑妥畲笠贫俣,,.,,!V∧诘冢霾饬康愕纳杞嵌月——坐标在辍辍!!、搿!搿!、!!#/!!W芴甯裢婊式中矗——斜率!=鼐!!!D夂瞎诓阕芴逡睹婊匝橛敕治格网面积计算变尺度格网阍剖菸8裢峁梗梢酝ü饬康阒序号椭∧诒嗪舑进行索引,记为√缤所示。,格网的尺度并不一致,称为变尺度格网。A頳。和7直鸨硎綥扫描方向和移动方向上的格网尺度,如图荆虿饬康琷的格网尺度为【#△￡由式芍#孀臠移动速度和测量点距离增加,格网尺度增加,点云密度减小。积,测量点,,格网尺度应小于叶片尺‰,、为叶面积计算为提取冠层点云数据,求取阍迫标,其中,石轴为贫较颍瑈轴为深度方向,:轴垂直地面向上。测量点,,娜晡佟鱢【。,,/臼式中根据冠层点云边界设置坐标阈值!8辍!。。、‰。!#扑愎诓愕阍频淖芴甯裢婊。⋯段诘阍扑饕募采用线性模型拟合冠层总体叶面积与总体格网面积的回归关系,即变量对靶施药时,首先计算当前施药区域内冠层点云的格网面积如。然后采用式笕∫睹婊“㈠据此调节施药剂量,使药液均匀分布在叶片上。选取叶片长、宽中数值较小的叶片宽作为叶片8菔、琈探测距离应小于贫俣扔π∮.农、机械学报缙睹婊饬表斜曜芴逡睹婊用测量点的格网面积表示与其接触的叶片面图涑叨雀裢,尺度,即△。。.痵。为图.。鳎坏母駆叫结构產七/
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一㈠掣誊够謦影响,丝杆到树干的距离栉...龅燃叮保DD獠煌贫俣龋缘阍剖进行采样,即每隔若干帧选取一帧点云数据,设置不同的采样比使速度在~求取原始点云数据的三维空间坐标,设置阈值据的距离统汁值及点云数,随着探测距离变大,点云密度降低,点云数显著减小。核塑鹤分析讲饩嗬牒鸵贫俣榷砸睹婊饬康痵之问变化,如表尽按照以上参数分别对霭斜杲惺莶杉如图荆ü谋涮讲饩嗬牒筒裳龋扛霭斜均获取个样本,共获取霭斜暄尽冠层格网面积不同参数对靶标点云的影响分割出冠层点云,。,点云数显著减小。取、、移动速度变快,点图给出号靶标原始点云数据的距离直方图,从图中可看出,受甶刃紊描测量方式和靶标冠层结构及叶片分布影响,冠层内的点云距离有较大差异,点云密度不一致。表霾煌讲饩嗬胂号靶标原始点云数不同参数对靶标点云数和格网面积的影响表2煌俣群吞讲饩嗬胂号靶标的格网面积,从表中可看出,格网面积受探测距离和移动速度影响较小。第李秋沽等:基于移动激光扫描的靶标叶而积计算方法—————————————————————————————————————————————————————————————————————一———————————————————————————————————一——,统汁参数最小值/最大值/均值/标准差/“.速度/【痵痵痑瑂【七;痬】一
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——#—产』】—。:坠悖篖为对比不同参数对靶标点云数Ⅳ和格网面积式中Ⅳ。。——靶标点云数最小值#骸!8裢婊钚≈和相对靶标格网面积,为便于比较,设置相同的纵坐旦式中盯——数据标准差“——数据均值!1湟煜凳夂#旱挠跋欤允萁性ご淼玫较喽园斜甑阍剖,拖喽愿裢婊鼳。.,计算式为图为不同靶标个样本的相对靶标点云数标范围。从图中可看出,靶标点云数受贫速度和探测距离影响较大,同一靶标的点云数有较大差异,而格网面积则差异较小。采用变异系数珻评价同一靶标点云数及格网面积的离散程度,汁算式为表0斜甑阍剖案裢婊谋湟煜凳标格网面积具有较小的变异系数,不同参数下能稳定提取靶标格网面积。由于号靶标枝叶遮挡程度较高,因此不同参数绕涫遣煌嗬对点云数疏的靶标引入更大的测量误差,因此与枝叶较密集的号靶标相比,号靶标有更大的格网面积变异系数。冠层叶面积采用线性模型拟合蚑,如图所示,,,为.%。表统计了不同靶标、不同探测距离和不同速度下叶面积测量的相对误差均值和农业机械学报的影响大于号靶标。由于离散格网会对枝叶稀图靶标叶面积拟合曲线一图相对靶标点云数和格网面积表斜瓯湟煜凳一表煌斜甑囊睹婊饬肯喽晕蟛表不同探测距离的叶面积测量相对误差靶标序号礗州‘肛琻“%,╪
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结论标准差。从表煽闯觯、虐斜甑南喽晕蟛钚于枝叶更为稀疏的号靶标,这是由于离散格网对枝叶稀疏的靶标引入更大的测量误差。从表煽闯觯讲饩嗬攵圆饬课蟛钣薪洗笥跋欤测距离越远,格网在璺较蛏系某叨仍大,使得测量精度越低。从表煽闯觯氚斜昀型和探测距离相比,速度对测量误差影响较小,根据式芍#俣榷运懈裢叨鹊挠跋煜嗤测距离改变会引起测量点距离发生不同的变化,这种不一致性导致了探测距离对测量误差有较大影响。一种基于饬肯低车陌斜暌睹婊扑惴椒ǎ过分析系统分辨率建立变尺度格网,采用冠层总体格网面积估计总体叶面积。捎梅抡媸髂D种疏枝靶标,改变的探测距离和移动速度,每个靶标采集个样本。试验结果表明,冠层格网面积受探测距离和移动速度影响较小,变异系数最大为斜曜芴甯裢婊驼媸底芴逡睹测量相对误差均值为ィ得鞅疚姆椒苡效减小讲饩嗬牒鸵贫俣榷砸睹婊饬酉吕纯山徊窖芯恐σ斗掷敕椒ǎコ冠层中的枝干点云数据,利用激光入射角和多次回波校正格网面积,可提高叶面积测量精度。攵允柚暗谋淞慷园惺┮┪侍猓岢积的线性回归模型,拟合优度为睹婊的影响。第李秋洁等:基于移动激光扫描的靶标叶面积计算方法表煌俣鹊囊睹婊饬肯喽晕蟛参考献邱白晶,闫润,马靖,/┮祷笛Пǎ:—.琘/甌:—.:∥甹—.癱痗痳痸產猲猧瓺:./甶...李瀚哲,翟长远,张波,┗芯浚:.甁张美娜,吕晓兰,常有宏,┗Пǎ—甁—刘芳,冯仲科,杨立岩,/┮祷笛Пǎ:./:.:∥甹畂/痗/—.猲猧瓺:./,张芳菲,高赫,/┮祷笛Пǎ:..痡///—.&—猧瓺:./甶李秋洁,郑加强,周宏平,┝忠荡笱аП自然科学版,/唐丽玉,张浩,黄洪宇,/┮祷笛Пǎ:./甌文,,,—琇琙.:.:∥.,—,—:.:∥甹%琈.,琙,.琫.,,.猟,琀,
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