一种农作物冠层高度的检测方法及装置与流程

本发明属于作物气象自动观测技术领域，特别涉及一种农作物冠层高度的检测方法及装置。

背景技术：

作为一个农业大国，作物观测是农业生产中必不可少的一环。而植株冠层高度是作物生长的重要参数，掌握作物冠层高度的变化可以实时了解作物的发育进展和长势情况，对分析作物生长状态，开展作物产量预测，指导农事活动，保障粮食安全具有重要意义；同时，冠层高度也是实现作物部分发育期自动判识的重要依据。

目前，我国的农作物观测技术还相对落后，冠层高度的测量还是以人工测量为主，此方法费时费力，难以对作物进行实时连续测量，且测量数据误差大、时效性差。随着现代电子、通讯和计算机技术的发展，冠层高度的自动化测量也取得了不少进展，但仍有很多不足。

常见的植株高度检测方法主要有超声波测量和机器视觉技术，将超声波测距传感器安置在上方，通过垂直向下发射超声波获取作物冠层与传感器之间的距离，来推算作物的高度。所以该装置仅能对传感器正下方的作物进行高度测量，且超声波测距传感器本身存在的反射、噪音、交叉等问题，造成超声波在对植株顶部高度难以捕捉，植株间产生相互干涉，因此造成测量结果不稳定，存在较大的误差，机器视觉技术则存在识别率第、成本高和实时性差的问题，难以在实际中应用。

公开号为CN102175156A的对比文件公开了作物自动测高装置，该装置利用微处理器控制伺服电机转动，使其带动红外测距传感器对作物进行自动扫描，完成冠层顶端的确定，同时超声波测距传感器测出传感器当前高度，完成高度测量的工作。但该装置结构复杂，对安装要求高，大田环境下部件容易受损，测量效率和可靠性低。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种农作物冠层高度的检测方法及装置，用于解决现有技术中对农作物冠层高度的测量效率低和可靠性低的问题。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：

一种农作物冠层高度的检测方法，包括八个方法方案：

方法方案一，步骤如下：

1)利用激光测距仪扫描农作物冠层，计算各个扫描点的位置和高度值；

2)根据所有扫描点的位置和高度值，求高度极大值组；

3)根据所述高度极大值组确定冠层高度。

方法方案二，在方法方案一的基础上，激光测距仪通过垂直旋转运动和水平旋转运动的方式进行扫描。

方法方案三，在方法方案一的基础上，通过对所有扫描点的位置和高度值初次筛选极大值点，得到第一组极大值组，再对第一组极大值组第二次筛选，得到所述高度极大值组。

方法方案四，在方法方案三的基础上，所述冠层高度包括冠层高度最大值和冠层高度平均值，冠层高度最大值是所述高度极大值组的最大值，冠层高度平均值是所述高度极大值组的平均值。

方法方案五，在方法方案二的基础上，所述垂直旋转运动和水平旋转运动的方式为：

a)设置测距仪扫描时的起始位置的垂直旋转角度为A＝A₁，水平旋转角度为B＝B₁，结束位置的垂直旋转角度为A＝A_n，B＝B_n；

b)以起始位置为起点，首先固定垂直旋转角度，保持A₁＝A不变，B从B₁开始，以设定的角度β为角度步长进行正向水平旋转，直至B≥B_m时为止；然后保持B不变，以设定的角度α为角度步长垂直旋转一次，使A₂＝A₁+α，再保持A₂不变，B从B_m开始，以β为角度步长进行反向水平旋转，直至B≤B₁时为止；重复上述过程，直至A≥A_n时为止；

c)每次旋转得到垂直旋转的角度A_i、水平旋转的角度B_j及激光发射口距离扫描点的距离值R_ij(i＝1,2,…n，j＝1,2,…m)，i和j分别代表垂直旋转的次数和水平旋转的次数，得到每个扫描点的高度值h_ij，并根据垂直旋转的角度A_i、水平旋转的角度B_j计算每个扫描点的位置；激光测距仪旋转至结束位置得到整个扫描范围内的所有扫描点的高度值数据H。

方法方案六，在方法方案五的基础上，测距仪垂直旋转时，激光发射口高度会发生变化，利用内角误差公式修正激光发射口高度，所述内角误差修正公式为：

I_i＝r-r*cosA_i

L_i＝L₀+I_i

其中，I_i为激光发射口抬升高度，r为激光测距仪旋转半径，A_i为垂直旋转角度,L_i为激光发射口高度，L₀为激光发射口垂直向下时的高度。

方法方案七，在方法方案六的基础上，所述每个扫描点的高度值h_ij＝L_i-R_ij*cosA_i：

其中，h_ij为扫描点的高度值，L_i为激光发射口高度，R_ij为激光发射口距离扫描点的距离值，A_i为垂直旋转角度。

方法方案八，在方法方案三的基础上，对所有扫描点的位置和高度值筛选时，需去除异常数据，所述异常数据包括负值数据、超过设备安装高度的数据。

本发明还提供了一种农作物冠层高度的检测装置，包括如下单元：

扫描点位置和高度计算单元：利用激光测距仪扫描农作物冠层，计算各个扫描点的位置和高度值；

高度极大值组计算单元：用于根据所有扫描点的位置和高度值信息，求高度极大值组；

冠层高度计算单元：用于根据所述高度极大值组确定冠层高度。

进一步地，激光测距仪通过垂直旋转运动和水平旋转运动的方式进行扫描。

本发明的有益效果是：

本发明提供的农作物冠层高度的检测方法及装置，通过设置激光扫描轨迹，使激光测距仪水平旋转和垂直旋转一定的角度，对农作物冠层自动进行扫描测量，得到农作物冠层的高度值数据，然后对这些数据进行两次筛选处理得到作物冠层高度的最大值和平均值，该方法可以实现农作物冠层高度的远程、自动和长期连续测量，降低了劳动强度，提高了测量效率和可靠性，采用两次筛选的方式，测量精度高，并且安装使用方便，适用性强且成本低。

附图说明

图1为本发明的农作物冠层高度的检测装置图；

图2为本发明中定义的垂直旋转角度和水平旋转角度示意图；

图3为本发明中内角误差修正计算示意图；

图4为本发明中扫描点高度的三角几何换算示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的说明：

本发明的一种农作物冠层高度的检测原理依据如图1所示的装置结构图，包括测量模块、采集和控制模块、数据处理模块和通讯模块；测量单元包括激光测距传感器、重力感应传感器和三维旋转云台；测量模块、采集和控制模块通过通讯模块与数据处理模块进行连接通信。首先三维旋转云台通过控制器控制激光测距仪的发射角度，使激光测距仪按照一定的轨迹对农作物冠层高度自动进行扫描测量，扫描结果传递给数据处理中心，经过内角误差修正、三角几何换算、数据拟合筛选后得到作物冠层高度的最大值和平均值，完成对冠层高度值的计算。

一种农作物冠层高度的检测方法的实施例为：

一种农作物冠层高度的检测方法，该方法的具体步骤如下：

步骤1、确定要测量的农作物种类及种植区域，划定测量样本范围。

本发明以夏玉米的冠层高度测量为例，选定测量样本范围，样本范围要大小适中且具有代表性，内部只种玉米，且应靠近设备安装站点，保证整个样本区域能被测距仪的有效扫描范围所覆盖。

步骤2、将带有三维旋转功能的激光测距仪安装在待测样本区域的观测站点，针对所测作物种类确定仪器安装高度，并设定激光测距仪的扫描范围，例如：

将自动测量设备安装在观测点的观测支架上，安装位置比待测作物的最高生长高度高出1米以上，待测玉米冠层高度最大值以2.5米计，则设备安装高度可定为4米。扫描范围的确定以装置激光发射口为圆心，划定一个圆心角为120°，半径为4米的扇形区域作为测距仪的扫描范围，扫描范围应囊括在上述选定的样本区域内。

步骤3、测量开始前，系统自动调整激光测距仪垂直正对地面，测出激光发射口距离地面的高度L₀，具体的为：

激光测距仪垂直正对的地面应与作物种植地面平齐，测出的L₀作为装置初始高度值存储在采集器中，开始测量时，作为一个固定参数参与扫描点高度值得几何换算。

步骤4、根据设定的扫描范围确定测距仪的扫描轨迹，确定激光测距仪扫描的起始位置和结束位置，系统调整激光测距仪旋转到扫描起始位置，开始测量，具体的为：

如图2所示为测距仪的垂直旋转角度和水平旋转角度示意图，首先确定扫描的起始位置和结束位置，采用控制器控制云台旋转的方式进行，首先控制扫描仪瞄准待测量区域的左下角顶点，可通过重安装在云台上的重力传感器测出当前位置的垂直旋转角度A＝A₁，水平旋转角度为B＝B₁，以此作为扫描的起始位置；然后再控制扫描仪瞄准待测量区域的右上角顶点，重力传感器测出当前位置的垂直旋转角度A＝A_n和水平旋转角度B＝B_n，以此作为扫描的结束位置。其中，水平旋转运动指沿着与地面平行的方向运动，垂直旋转运动值得是沿着与地面垂直的方向运动。

激光测距仪的扫描轨迹走“S”型路线，从起始位置开始，逐行扫描，到达结束位置时扫描终止，然后将测距仪调整到垂直正对地面位置以对下一行进行测量。

步骤5、从起始位置开始，根据上述确定的扫描轨迹，系统控制测距仪进行水平方向和垂直方向上的运动，并在每旋转一定角度时进行一次测量，每次测量得到一个激光发射口距离测量点的距离值R_ij(i＝1,2,…n，j＝1,2,…m)，i和j分别代表垂直旋转的次数和水平旋转的次数，并记录下当前的垂直旋转角度A_i和水平旋转角度B_j，根据垂直旋转角度A_i和水平旋转角度B_j计算出每个扫描点的位置，得到每个扫描点的位置信息；

扫描开始时保持A₁＝A不变，B从B₁开始，以设定的角度β为角度步长进行正向水平旋转，直至B≥B_m时为止；然后保持B不变，以设定的角度α为角度步长垂直旋转一次，使A₂＝A₁+α，再保持A₂不变，B从B_m开始，以β为角度步长进行反向水平旋转，直至B≤B₁时为止；重复上述过程，直至A≥A_n时为止。

不管是垂直旋转还是水平旋转，每旋转α或β角度时就进行一次测量，每次测量得到一个距离值R_ij，一个垂直旋转角度A_i和一个水平旋转角度B_j，采集器对测量结果进行采集、存储并传输给数据处理中心。

步骤6、测距仪垂直旋转时，激光口距地高度会发生变化，为提高测量精度，可先利用内角误差修正公式修正激光发射口高度，然后结合上述测量结果，通过三角几何关系算出当前扫描点的高度值h_ij，具体的为：

如图3、4所示，以O为旋转中心，S为发射口，先利用内角误差修正公式对装置的初始高度值进行修正，利用上述内角误差修正方法，通过相应的公式计算当前装置发射口的距地高度，即激光测距仪发射口高度，相应的公式为：

I_i＝r-r*cosA_i

L_i＝L₀+I_i

其中，l_i为当前激光发射口抬升高度，r为激光测距仪旋转半径，A_i为当前垂直旋转角度,L_i为激光发射口高度，L₀为激光发射口垂直向下时的高度；

然后利用步骤5中所测得的R_ij、A_i和B_j的值，结合修正后的激光测距仪发射口高度Li，通过公式h_ij＝L_i-R_ij*cosA_i计算出当前扫描点的高度值h_ij。

步骤7、仪器重复进行上述测量计算过程，直至测距仪旋转至上述结束位置，测量结束获得一个扫描周期内所有扫描点的高度序列，具体的为：

例如，固定垂直旋转角，水平旋转扫描一个周期结束后，得到一组高度向量：

H_i＝{h_i1,h_i2,…,h_im|A＝A_i}

在数据处理中心重复步骤6的运算过程，对整个区域扫描结束后得到一个扫描周期内得到每个扫描点的高度值h_ij，这些高度值构成了一个高度序列矩阵：

冠层高度最大值h_max即为矩阵H中的最大值。

步骤8、数据处理模块对上述数据进行存储和筛选，通过拟合运算等处理，最终得出当前测量区域内作物冠层高度的最大值和平均值，具体的为：

在数据处理中心对上述矩阵H进行数据处理，首先对所测结果进行质量控制，去除异常结果，如负值、超过设备安装高度的值等，H中的异常数据改用0标记；然后对结果序列进行数据拟合，最后再根据拟合结果对数据序列进行筛选。

筛选方式采用二次求导，判断极大值的方法进行，为了剔除测量结果中的非冠层高度值需要筛选两次，先对H中的数据一次筛选，取极大值点，得到一个极大值组：D＝(d1,d2,…,dn)，再对D中数据进行第二次筛选，取极大值点，得到新的极大值数组：P＝(P1,P2…,Pt)，s和t为极大值数量，则冠层高度最大值h_max＝maxP；冠层高度平均值即为：

以农作物冠层高度的最大值maxP或冠层高度平均值h_avg作为冠层高度。

该检测方法可以实现农作物冠层高度的远程、自动和长期连续测量，降低了劳动强度，测量精度高，提高了测量效率和可靠性，并且安装使用方便，适用性强且成本低。

本发明的核心思路在于提供一种农作物冠层高度的检测方法，首先利用激光测距仪扫描农作物冠层，计算各个扫描点的位置和高度值；然后根据所有扫描点的位置和高度值，求高度极大值组；最后根据所述高度极大值组确定冠层高度。

上述实施例中，激光测距仪的扫描轨迹走“S”型路线，逐行对农作物冠层高度扫描；作为其他实施方式，还可以采用“∽”型路线的扫描轨迹，逐列对农作物冠层高度扫描；本实施例是采用点扫描的方式，作为其他实施方式，也可以采用线扫描的方式，线扫描只需一个选择自由度即可。

上述实施例采用了两次筛选高度值阵列的方式，目的是提高农作物冠层高度的检测精度，避免植株分枝和交叉造成的干扰，作为其他实施方式，也可以采用一次筛选的方式。

以上给出了具体的实施方式，但本发明不局限于以上所描述的实施方式。本发明的基本思路在于上述基本方案，对本领域普通技术人员而言，根据本发明的教导，设计出各种变形的模型、公式、参数并不需要花费创造性劳动。在不脱离本发明的原理和精神的情况下对实施方式进行的变化、修改、替换和变型仍落入本发明的保护范围内。