一種基于激光測(cè)距的動(dòng)態(tài)水田平整度檢測(cè)裝置及方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及基于激光測(cè)距的動(dòng)態(tài)水田平整度檢測(cè)裝置及方法，其中檢測(cè)裝置包括激光測(cè)距儀、連接支架及處理器；激光測(cè)距儀通過連接支架安裝在農(nóng)田作業(yè)車輛后方，激光測(cè)距儀與處理器連接；處理器讀取激光測(cè)距儀的測(cè)量數(shù)據(jù)，并對(duì)其進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，所述數(shù)據(jù)處理包括測(cè)量數(shù)據(jù)的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換、閾值濾波和田面三維重構(gòu)，計(jì)算農(nóng)田表面相對(duì)高程的標(biāo)準(zhǔn)差Sd和高程差分布ED，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)差Sd和高程差分布ED評(píng)價(jià)出水田平面平整度。本發(fā)明能夠精確且快速采集田面數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)對(duì)測(cè)距數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、重構(gòu)三維田面，并根據(jù)田面高程分布列與標(biāo)準(zhǔn)差對(duì)田面平整度作出評(píng)價(jià)，其測(cè)量效率高、自動(dòng)化程度高且實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單。
【專利說明】-種基于激光測(cè)距的動(dòng)態(tài)水田平整度檢測(cè)裝置及方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及測(cè)控【技術(shù)領(lǐng)域】，特別涉及一種基于激光測(cè)距的動(dòng)態(tài)水田平整度檢測(cè)裝 置及方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 我國(guó)是世界農(nóng)業(yè)大國(guó)，農(nóng)業(yè)是我國(guó)的傳統(tǒng)和基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)，但同時(shí)我國(guó)也是水資源貧 乏的國(guó)家。我國(guó)南方地區(qū)水田較多，水田的種植對(duì)平整度要求很高，精細(xì)平整的水田能大幅 地節(jié)約灌觀用水，提高服料的利用率和抑制雜草的生長(zhǎng)，達(dá)到低成本高收益的目的。
[0003] 我國(guó)發(fā)展規(guī)?；⒕?xì)化及節(jié)水農(nóng)業(yè)，都離不開±地平整技術(shù)，而水田平整度的檢 測(cè)技術(shù)是提高水田平整度的基礎(chǔ)與關(guān)鍵。平整度是一種無量綱指標(biāo)，它所表征的是單位長(zhǎng) 度內(nèi)最大凸起或凹陷的程度，水田平整度的測(cè)量與評(píng)價(jià)可為水田平整作業(yè)提供一個(gè)質(zhì)量評(píng) 定的客觀指標(biāo)，也為農(nóng)耕作業(yè)提供重要的信息，使種植管理者能為田間的灌觀、施服及除蟲 等作出優(yōu)化決策。
[0004] 然而，我國(guó)目前對(duì)于平整度的檢測(cè)與評(píng)價(jià)的研究?jī)H限于工件加工、產(chǎn)品質(zhì)檢、路況 檢測(cè)及建筑檢測(cè)等領(lǐng)域，而對(duì)水田平整度的檢測(cè)與評(píng)價(jià)卻鮮有研究。隨著我國(guó)農(nóng)業(yè)的發(fā)展， 科學(xué)技術(shù)的日新月異，需要一種精確高效的水田平整度的檢測(cè)與評(píng)價(jià)方法，實(shí)現(xiàn)平地過程 中田面平整度的檢測(cè)評(píng)價(jià)與實(shí)時(shí)反饋控制，該對(duì)水田精細(xì)平整效果W及精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的發(fā)展具 有重要意義。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的在于彌補(bǔ)現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種基于激光測(cè)距的動(dòng)態(tài)水田平整 度檢測(cè)裝置及方法，能夠精確且快速采集田面數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)對(duì)測(cè)距數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、重構(gòu)H維田 面，并根據(jù)田面高程分布列與標(biāo)準(zhǔn)差對(duì)田面平整度作出評(píng)價(jià)，其測(cè)量效率高、自動(dòng)化程度高 且實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單。
[0006] 為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明裝置采用如下技術(shù)方案；基于激光測(cè)距的動(dòng)態(tài)水田平 整度檢測(cè)裝置包括激光測(cè)距儀、連接支架及處理器；激光測(cè)距儀通過連接支架安裝在農(nóng)田 作業(yè)車輛后方，激光測(cè)距儀與處理器連接；處理器讀取激光測(cè)距儀的測(cè)量數(shù)據(jù)，并對(duì)其進(jìn) 行數(shù)據(jù)處理，所述數(shù)據(jù)處理包括測(cè)量數(shù)據(jù)的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換、闊值濾波和田面H維重構(gòu)，計(jì)算農(nóng)田 表面相對(duì)高程的標(biāo)準(zhǔn)差Sd和高程差分布邸，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)差Sd和高程差分布邸評(píng)價(jià)出水田平 面平整度。
[0007] 所述激光測(cè)距儀豎直掃描田面。所述處理器為PC機(jī)。
[0008] 所述連接支架包括高度調(diào)節(jié)板、云臺(tái)、高度定位板、第一固定件、第二固定件及第 H固定件，第一固定件、第二固定件及第H固定件上均設(shè)有固定點(diǎn)；第H固定件連接在第一 固定件與第二固定件之間；高度定位板與第一固定件、第二固定件固定連接，高度定位板設(shè) 有用于固定高度調(diào)節(jié)板的孔；高度調(diào)節(jié)板通過高度定位板上的孔，高度可調(diào)地固定在高度 定位板上；云臺(tái)固定在高度調(diào)節(jié)板上。
[0009] 所述第一固定件、第二固定件及第H固定件上分別設(shè)有第一固定點(diǎn)、第二固定點(diǎn) 及第H固定點(diǎn)，第一固定點(diǎn)、第二固定點(diǎn)及第H固定點(diǎn)該H個(gè)固定點(diǎn)呈H角形分布。
[0010] 為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明方法采用如下技術(shù)方案：基于激光測(cè)距的動(dòng)態(tài)水田平 整度檢測(cè)方法，包括W下步驟：
[0011]S1、采用激光測(cè)距儀掃描田面，采集田面點(diǎn)云數(shù)據(jù)，獲取測(cè)距數(shù)據(jù)；
[0012]S2、對(duì)采集到的測(cè)距數(shù)據(jù)進(jìn)行坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換，繪制田面點(diǎn)云圖；
[0013]S3、進(jìn)行田面H維重構(gòu)；采用闊值濾波算法對(duì)所述點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行初步刪減，去除明 顯噪點(diǎn)；再采用均勻柵格化算法對(duì)測(cè)距數(shù)據(jù)作進(jìn)一步精簡(jiǎn)；最后分別利用二維插值算法或 Delaunay算法處理精簡(jiǎn)后的測(cè)距數(shù)據(jù)，對(duì)試驗(yàn)田面進(jìn)行H維重構(gòu)；
[0014] S4、計(jì)算農(nóng)田表面相對(duì)高程的標(biāo)準(zhǔn)差Sd和高程差分布邸，進(jìn)行田面平整度評(píng)價(jià)。
[0015] 步驟S3所述均勻柵格法如下：
[0016] (1)定義采樣立方體柵格的邊長(zhǎng)a和欲精簡(jiǎn)數(shù)據(jù)點(diǎn)百分比兩個(gè)參數(shù)；
[0017] 似定義W任意一點(diǎn)M為中也，邊長(zhǎng)為a的采樣立方體柵格內(nèi)其它數(shù)據(jù)點(diǎn)的點(diǎn)集N =Ni(xi,yi,zi)，i= 1，2,…，n，分別計(jì)算點(diǎn)M到點(diǎn)集N內(nèi)任一點(diǎn)的距離；
[001引做將（2)所計(jì)算的所有距離相加，并求出平均點(diǎn)距值；
[001引 （4)對(duì)所有數(shù)據(jù)點(diǎn)實(shí)施上述（2)及（3)的計(jì)算，再根據(jù)（1)所定義的精簡(jiǎn)百分比， 把平均點(diǎn)距值最小的百分比個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)刪除，從而實(shí)現(xiàn)測(cè)距數(shù)據(jù)的精簡(jiǎn)。
[0020] 步驟S4所述田面平整度評(píng)價(jià)的步驟如下；通過計(jì)算田塊內(nèi)所有測(cè)量點(diǎn)到擬合平 面的距離di，然后對(duì)距離di進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，統(tǒng)計(jì)di小于某一預(yù)設(shè)距離值A(chǔ)的測(cè)量點(diǎn)的累計(jì) 百分比，獲取高程差分布??；若累計(jì)百分比符合正態(tài)分布3O法則，比較標(biāo)準(zhǔn)差Sd和距離值 A的數(shù)值，把數(shù)值較大者作為測(cè)量田田面的平整度。
[0021] 本發(fā)明原理為；將激光測(cè)距儀LMS291通過特定的連接支架安裝在農(nóng)田作業(yè)車輛 后方，激光測(cè)距儀在農(nóng)田作業(yè)車輛行駛時(shí)動(dòng)態(tài)采集田面數(shù)據(jù)點(diǎn)；在采集田面數(shù)據(jù)點(diǎn)的同時(shí)， 激光測(cè)距儀與PC機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)的相互通信；利用Matl油軟件進(jìn)行編程及函數(shù)調(diào)用對(duì)田面 點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后，將PC機(jī)接收的測(cè)距數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)畫成H維點(diǎn)云圖，建立田面H維地形模 型，直觀地反映出農(nóng)田地表高層的起伏變化；通過Matlab軟件計(jì)算出水田平面平整度的兩 個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)，即農(nóng)田表面相對(duì)高程的標(biāo)準(zhǔn)差Sd和高程差分布邸，從而對(duì)水田的平整度進(jìn)行 評(píng)價(jià)。
[0022] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：
[0023] 1、與傳統(tǒng)的水準(zhǔn)儀、全站儀等測(cè)量方法相比，激光測(cè)距儀的分辨率和測(cè)試精度最 高，垂直方向可達(dá)到0. 1-0. 5mm，水平方向可達(dá)到0.l-2mm，農(nóng)田地面地形的區(qū)域測(cè)量信息 較豐富，地形表達(dá)更準(zhǔn)確，能夠更好表征±壤表面詳細(xì)情況^及±壤微粒間空隙，具有測(cè)量 信息豐富、檢測(cè)速度快、信息表達(dá)容易、精度較高且數(shù)據(jù)對(duì)稱性高等優(yōu)點(diǎn)。
[0024] 2、通過連接支架，將激光測(cè)距儀安裝固定在農(nóng)田作業(yè)車輛后方，安裝方式保證激 光測(cè)距儀豎直掃描田面，獲得更多的有效數(shù)據(jù)且方便坐標(biāo)轉(zhuǎn)換處理。
[00巧]此外，連接支架可實(shí)現(xiàn)安裝掃描角度及高度的調(diào)整，W適應(yīng)不同的農(nóng)田作業(yè)車輛 及環(huán)境，對(duì)水平或具有不同坡度的水田均可實(shí)現(xiàn)精確測(cè)距。
[002引 3、運(yùn)用Matl油進(jìn)行編程及函數(shù)調(diào)化將PC機(jī)采集的測(cè)距數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)畫出H維點(diǎn)云 圖，通過編程便能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)讀取、轉(zhuǎn)換和實(shí)時(shí)繪圖一步到位，快捷便利。本發(fā)明不僅方法簡(jiǎn) 單，測(cè)量效率高，自動(dòng)化程度高，還可為自動(dòng)化、智能化獲取與數(shù)據(jù)處理的相關(guān)研究提供參 考。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0027] 圖1是激光測(cè)距儀固定到農(nóng)田作業(yè)車輛的連接支架結(jié)構(gòu)圖之一；
[0028] 圖2是激光測(cè)距儀固定到農(nóng)田作業(yè)車輛的連接支架結(jié)構(gòu)圖之二；
[0029]圖3是本發(fā)明空間直角坐標(biāo)系定義圖；
[0030] 圖4是本發(fā)明檢測(cè)方法流程圖；
[0031] 圖5是本發(fā)明的數(shù)據(jù)采集程序流程圖；
[0032] 圖6是本發(fā)明實(shí)驗(yàn)田面數(shù)據(jù)采集點(diǎn)云圖；
[0033] 圖7是闊值濾波前后對(duì)比圖；
[0034] 圖8是均勻柵格化數(shù)據(jù)精簡(jiǎn)前后對(duì)比圖；
[00巧]圖9是本發(fā)明實(shí)驗(yàn)田面H維重構(gòu)效果圖；
[0036] 圖10是本發(fā)明實(shí)驗(yàn)田面擬合平面圖。 具體實(shí)施方案
[0037] 下面結(jié)合實(shí)施例及附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的描述，但本發(fā)明的實(shí)施方式不局 限于此實(shí)例。
[0038] 基于激光測(cè)距的動(dòng)態(tài)水田平整度檢測(cè)裝置包括激光測(cè)距儀、連接支架及PC機(jī)。激 光測(cè)距儀通過連接支架安裝在農(nóng)田作業(yè)車輛后方，垂直掃描田面，在農(nóng)田作業(yè)車輛行駛時(shí) 動(dòng)態(tài)采集田面數(shù)據(jù)點(diǎn)。激光測(cè)距儀通過RS232接口與PC機(jī)連接，實(shí)際測(cè)量時(shí)與PC機(jī)進(jìn)行實(shí) 時(shí)通信。PC機(jī)利用Matl油軟件讀取激光測(cè)距儀的測(cè)量數(shù)據(jù)，并對(duì)其進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。PC機(jī) 的數(shù)據(jù)處理包括測(cè)量數(shù)據(jù)的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換、闊值濾波和田面H維重構(gòu)。PC機(jī)最后通過標(biāo)準(zhǔn)差與 方差兩個(gè)指標(biāo)評(píng)價(jià)出水田平面平整度，即農(nóng)田表面相對(duì)高程的標(biāo)準(zhǔn)差Sd和高程差分布邸， 從而對(duì)水田的平整度進(jìn)行評(píng)價(jià)。
[0039] 本實(shí)施例采用激光測(cè)距儀作為測(cè)距傳感器來動(dòng)態(tài)測(cè)量田面數(shù)據(jù)點(diǎn)，利用Matl油 軟件進(jìn)行編程及函數(shù)調(diào)用實(shí)現(xiàn)測(cè)距數(shù)據(jù)后期處理、田面H維重構(gòu)W及田面平整度的評(píng)價(jià)。 下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)描述：
[0040] 本實(shí)施例中使用的激光測(cè)距儀為德國(guó)SICK公司LMS291-S05型號(hào)激光雷達(dá)，基于 飛行時(shí)間測(cè)量（Time-Of-Fli曲t)的原理，是一種非接觸式光學(xué)測(cè)量系統(tǒng)，可根據(jù)向環(huán)境中 發(fā)射紅外激光和接收到反射的激光所需時(shí)間計(jì)算物體的距離。LMS291-S05激光測(cè)距儀測(cè)量 精度較高，價(jià)格合適，故本實(shí)施例選取它作為測(cè)距傳感器。SICKLMS291是一種只能在單個(gè) 平面內(nèi)掃描的2D傳感器，該使得它的成本相對(duì)于3DLIDAR陸基傳感器而言非常低廉。SICK LMS291傳感器激光測(cè)距的特點(diǎn)是：
[00川 （1)感知距離遠(yuǎn)，最大可達(dá)80m;覆蓋角度范圍大；
[0042] (2)距離測(cè)量精度和角度測(cè)量精度高，分別可達(dá)5cm和180°;
[004引 做掃描時(shí)間短，約為26. 6ms，可W獲得高車速情況下的實(shí)時(shí)測(cè)量；
[0044] (4)具有霧校正功能，對(duì)環(huán)境光線變化不敏感，適用于室外環(huán)境。
[0045] 該型號(hào)激光雷達(dá)詳細(xì)的技術(shù)參數(shù)見下表所示，其中比較重要的參數(shù)包括角度測(cè)量 范圍和角度分辨率、掃描周期、系統(tǒng)誤差。角度測(cè)量范圍和角度分辨率決定了激光雷達(dá)得 到的數(shù)據(jù)量；掃描周期是對(duì)定位算法實(shí)時(shí)性的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)；系統(tǒng)誤差對(duì)整個(gè)定位過程的精度 有很大影響。在本發(fā)明中，激光雷達(dá)的參數(shù)選擇取為毫米模式下的參數(shù)，即最大測(cè)量距離為 8m，角度測(cè)量范圍180°，角度分辨率為0.5°，掃描周期為13. 32ms，系統(tǒng)距離測(cè)量誤差為 +10mnin
[0046]

【權(quán)利要求】
1. 一種基于激光測(cè)距的動(dòng)態(tài)水田平整度檢測(cè)裝置，其特征在于，包括激光測(cè)距儀、連接 支架及處理器；激光測(cè)距儀通過連接支架安裝在農(nóng)田作業(yè)車輛后方，激光測(cè)距儀與處理器 連接；處理器讀取激光測(cè)距儀的測(cè)量數(shù)據(jù)，并對(duì)其進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，所述數(shù)據(jù)處理包括測(cè)量數(shù) 據(jù)的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換、閾值濾波和田面三維重構(gòu)，計(jì)算農(nóng)田表面相對(duì)高程的標(biāo)準(zhǔn)差sd和高程差分 布ED，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)差Sd和高程差分布ED評(píng)價(jià)出水田平面平整度。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的動(dòng)態(tài)水田平整度檢測(cè)裝置，其特征在于，所述激光測(cè)距儀堅(jiān) 直掃描田面。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的動(dòng)態(tài)水田平整度檢測(cè)裝置，其特征在于，所述處理器為PC機(jī)。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的動(dòng)態(tài)水田平整度檢測(cè)裝置，其特征在于，所述連接支架包括 高度調(diào)節(jié)板、云臺(tái)、高度定位板、第一固定件、第二固定件及第三固定件，第一固定件、第二 固定件及第三固定件上均設(shè)有固定點(diǎn)；第三固定件連接在第一固定件與第二固定件之間； 高度定位板與第一固定件、第二固定件固定連接，高度定位板設(shè)有用于固定高度調(diào)節(jié)板的 孔；高度調(diào)節(jié)板通過高度定位板上的孔，高度可調(diào)地固定在高度定位板上；云臺(tái)固定在高 度調(diào)節(jié)板上。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的動(dòng)態(tài)水田平整度檢測(cè)裝置，其特征在于，所述第一固定件、第 二固定件及第三固定件上分別設(shè)有第一固定點(diǎn)、第二固定點(diǎn)及第三固定點(diǎn)，第一固定點(diǎn)、第 二固定點(diǎn)及第三固定點(diǎn)這三個(gè)固定點(diǎn)呈三角形分布。
6. -種基于激光測(cè)距的動(dòng)態(tài)水田平整度檢測(cè)方法，其特征在于，包括以下步驟： 51、 采用激光測(cè)距儀掃描田面，采集田面點(diǎn)云數(shù)據(jù)，獲取測(cè)距數(shù)據(jù)； 52、 對(duì)采集到的測(cè)距數(shù)據(jù)進(jìn)行坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換，繪制田面點(diǎn)云圖； 53、 進(jìn)行田面三維重構(gòu)：采用閾值濾波算法對(duì)所述點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行初步刪減，去除明顯 噪點(diǎn)；再采用均勻柵格化算法對(duì)測(cè)距數(shù)據(jù)作進(jìn)一步精簡(jiǎn)；最后分別利用二維插值算法或 Delaunay算法處理精簡(jiǎn)后的測(cè)距數(shù)據(jù)，對(duì)試驗(yàn)田面進(jìn)行三維重構(gòu)； 54、 計(jì)算農(nóng)田表面相對(duì)高程的標(biāo)準(zhǔn)差Sd和高程差分布ED，進(jìn)行田面平整度評(píng)價(jià)。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的動(dòng)態(tài)水田平整度檢測(cè)方法，其特征在于，步驟S1所述激光測(cè) 距儀堅(jiān)直掃描田面。
8. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的動(dòng)態(tài)水田平整度檢測(cè)方法，其特征在于，步驟S3所述均勻柵 格法如下： (1) 定義采樣立方體柵格的邊長(zhǎng)a和欲精簡(jiǎn)數(shù)據(jù)點(diǎn)百分比兩個(gè)參數(shù)； (2) 定義以任意一點(diǎn)M為中心，邊長(zhǎng)為a的采樣立方體柵格內(nèi)其它數(shù)據(jù)點(diǎn)的點(diǎn)集N = Ni (xi, yi, zi)，i = 1，2,…，n，分別計(jì)算點(diǎn)M到點(diǎn)集N內(nèi)任一點(diǎn)的距離； (3) 將⑵所計(jì)算的所有距離相加，并求出平均點(diǎn)距值； (4) 對(duì)所有數(shù)據(jù)點(diǎn)實(shí)施上述（2)及（3)的計(jì)算，再根據(jù)（1)所定義的精簡(jiǎn)百分比，把平 均點(diǎn)距值最小的百分比個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)刪除，從而實(shí)現(xiàn)測(cè)距數(shù)據(jù)的精簡(jiǎn)。
9. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的動(dòng)態(tài)水田平整度檢測(cè)方法，其特征在于，步驟S4所述田面平 整度評(píng)價(jià)的步驟如下：通過計(jì)算田塊內(nèi)所有測(cè)量點(diǎn)到擬合平面的距離di，然后對(duì)距離di進(jìn) 行統(tǒng)計(jì)分析，統(tǒng)計(jì)di小于某一預(yù)設(shè)距離值A(chǔ)的測(cè)量點(diǎn)的累計(jì)百分比，獲取高程差分布ED ; 若累計(jì)百分比符合正態(tài)分布3 〇法則，比較標(biāo)準(zhǔn)差Sd和距離值A(chǔ)的數(shù)值，把數(shù)值較大者作 為測(cè)量田田面的平整度。
【文檔編號(hào)】G01B11/30GK104359430SQ201410542062
【公開日】2015年2月18日 申請(qǐng)日期:2014年10月14日 優(yōu)先權(quán)日:2014年10月14日
【發(fā)明者】趙祚喜, 黃培奎, 劉雄, 施壘, 曹文君, 劉明, 陳嘉琪 申請(qǐng)人:華南農(nóng)業(yè)大學(xué)