本發(fā)明屬于作物氣象自動觀測技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種農(nóng)作物冠層高度的檢測方法及裝置。

背景技術(shù)：

作為一個農(nóng)業(yè)大國，作物觀測是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中必不可少的一環(huán)。而植株冠層高度是作物生長的重要參數(shù)，掌握作物冠層高度的變化可以實時了解作物的發(fā)育進展和長勢情況，對分析作物生長狀態(tài)，開展作物產(chǎn)量預(yù)測，指導(dǎo)農(nóng)事活動，保障糧食安全具有重要意義；同時，冠層高度也是實現(xiàn)作物部分發(fā)育期自動判識的重要依據(jù)。

目前，我國的農(nóng)作物觀測技術(shù)還相對落后，冠層高度的測量還是以人工測量為主，此方法費時費力，難以對作物進行實時連續(xù)測量，且測量數(shù)據(jù)誤差大、時效性差。隨著現(xiàn)代電子、通訊和計算機技術(shù)的發(fā)展，冠層高度的自動化測量也取得了不少進展，但仍有很多不足。

常見的植株高度檢測方法主要有超聲波測量和機器視覺技術(shù)，將超聲波測距傳感器安置在上方，通過垂直向下發(fā)射超聲波獲取作物冠層與傳感器之間的距離，來推算作物的高度。所以該裝置僅能對傳感器正下方的作物進行高度測量，且超聲波測距傳感器本身存在的反射、噪音、交叉等問題，造成超聲波在對植株頂部高度難以捕捉，植株間產(chǎn)生相互干涉，因此造成測量結(jié)果不穩(wěn)定，存在較大的誤差，機器視覺技術(shù)則存在識別率第、成本高和實時性差的問題，難以在實際中應(yīng)用。

公開號為CN102175156A的對比文件公開了作物自動測高裝置，該裝置利用微處理器控制伺服電機轉(zhuǎn)動，使其帶動紅外測距傳感器對作物進行自動掃描，完成冠層頂端的確定，同時超聲波測距傳感器測出傳感器當(dāng)前高度，完成高度測量的工作。但該裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜，對安裝要求高，大田環(huán)境下部件容易受損，測量效率和可靠性低。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種農(nóng)作物冠層高度的檢測方法及裝置，用于解決現(xiàn)有技術(shù)中對農(nóng)作物冠層高度的測量效率低和可靠性低的問題。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是：

一種農(nóng)作物冠層高度的檢測方法，包括八個方法方案：

方法方案一，步驟如下：

1)利用激光測距儀掃描農(nóng)作物冠層，計算各個掃描點的位置和高度值；

2)根據(jù)所有掃描點的位置和高度值，求高度極大值組；

3)根據(jù)所述高度極大值組確定冠層高度。

方法方案二，在方法方案一的基礎(chǔ)上，激光測距儀通過垂直旋轉(zhuǎn)運動和水平旋轉(zhuǎn)運動的方式進行掃描。

方法方案三，在方法方案一的基礎(chǔ)上，通過對所有掃描點的位置和高度值初次篩選極大值點，得到第一組極大值組，再對第一組極大值組第二次篩選，得到所述高度極大值組。

方法方案四，在方法方案三的基礎(chǔ)上，所述冠層高度包括冠層高度最大值和冠層高度平均值，冠層高度最大值是所述高度極大值組的最大值，冠層高度平均值是所述高度極大值組的平均值。

方法方案五，在方法方案二的基礎(chǔ)上，所述垂直旋轉(zhuǎn)運動和水平旋轉(zhuǎn)運動的方式為：

a)設(shè)置測距儀掃描時的起始位置的垂直旋轉(zhuǎn)角度為A＝A₁，水平旋轉(zhuǎn)角度為B＝B₁，結(jié)束位置的垂直旋轉(zhuǎn)角度為A＝A_n，B＝B_n；

b)以起始位置為起點，首先固定垂直旋轉(zhuǎn)角度，保持A₁＝A不變，B從B₁開始，以設(shè)定的角度β為角度步長進行正向水平旋轉(zhuǎn)，直至B≥B_m時為止；然后保持B不變，以設(shè)定的角度α為角度步長垂直旋轉(zhuǎn)一次，使A₂＝A₁+α，再保持A₂不變，B從B_m開始，以β為角度步長進行反向水平旋轉(zhuǎn)，直至B≤B₁時為止；重復(fù)上述過程，直至A≥A_n時為止；

c)每次旋轉(zhuǎn)得到垂直旋轉(zhuǎn)的角度A_i、水平旋轉(zhuǎn)的角度B_j及激光發(fā)射口距離掃描點的距離值R_ij(i＝1,2,…n，j＝1,2,…m)，i和j分別代表垂直旋轉(zhuǎn)的次數(shù)和水平旋轉(zhuǎn)的次數(shù)，得到每個掃描點的高度值h_ij，并根據(jù)垂直旋轉(zhuǎn)的角度A_i、水平旋轉(zhuǎn)的角度B_j計算每個掃描點的位置；激光測距儀旋轉(zhuǎn)至結(jié)束位置得到整個掃描范圍內(nèi)的所有掃描點的高度值數(shù)據(jù)H。

方法方案六，在方法方案五的基礎(chǔ)上，測距儀垂直旋轉(zhuǎn)時，激光發(fā)射口高度會發(fā)生變化，利用內(nèi)角誤差公式修正激光發(fā)射口高度，所述內(nèi)角誤差修正公式為：

I_i＝r-r*cosA_i

L_i＝L₀+I_i

其中，I_i為激光發(fā)射口抬升高度，r為激光測距儀旋轉(zhuǎn)半徑，A_i為垂直旋轉(zhuǎn)角度,L_i為激光發(fā)射口高度，L₀為激光發(fā)射口垂直向下時的高度。

方法方案七，在方法方案六的基礎(chǔ)上，所述每個掃描點的高度值h_ij＝L_i-R_ij*cosA_i：

其中，h_ij為掃描點的高度值，L_i為激光發(fā)射口高度，R_ij為激光發(fā)射口距離掃描點的距離值，A_i為垂直旋轉(zhuǎn)角度。

方法方案八，在方法方案三的基礎(chǔ)上，對所有掃描點的位置和高度值篩選時，需去除異常數(shù)據(jù)，所述異常數(shù)據(jù)包括負值數(shù)據(jù)、超過設(shè)備安裝高度的數(shù)據(jù)。

本發(fā)明還提供了一種農(nóng)作物冠層高度的檢測裝置，包括如下單元：

掃描點位置和高度計算單元：利用激光測距儀掃描農(nóng)作物冠層，計算各個掃描點的位置和高度值；

高度極大值組計算單元：用于根據(jù)所有掃描點的位置和高度值信息，求高度極大值組；

冠層高度計算單元：用于根據(jù)所述高度極大值組確定冠層高度。

進一步地，激光測距儀通過垂直旋轉(zhuǎn)運動和水平旋轉(zhuǎn)運動的方式進行掃描。

本發(fā)明的有益效果是：

本發(fā)明提供的農(nóng)作物冠層高度的檢測方法及裝置，通過設(shè)置激光掃描軌跡，使激光測距儀水平旋轉(zhuǎn)和垂直旋轉(zhuǎn)一定的角度，對農(nóng)作物冠層自動進行掃描測量，得到農(nóng)作物冠層的高度值數(shù)據(jù)，然后對這些數(shù)據(jù)進行兩次篩選處理得到作物冠層高度的最大值和平均值，該方法可以實現(xiàn)農(nóng)作物冠層高度的遠程、自動和長期連續(xù)測量，降低了勞動強度，提高了測量效率和可靠性，采用兩次篩選的方式，測量精度高，并且安裝使用方便，適用性強且成本低。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的農(nóng)作物冠層高度的檢測裝置圖；

圖2為本發(fā)明中定義的垂直旋轉(zhuǎn)角度和水平旋轉(zhuǎn)角度示意圖；

圖3為本發(fā)明中內(nèi)角誤差修正計算示意圖；

圖4為本發(fā)明中掃描點高度的三角幾何換算示意圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實施方式作進一步的說明：

本發(fā)明的一種農(nóng)作物冠層高度的檢測原理依據(jù)如圖1所示的裝置結(jié)構(gòu)圖，包括測量模塊、采集和控制模塊、數(shù)據(jù)處理模塊和通訊模塊；測量單元包括激光測距傳感器、重力感應(yīng)傳感器和三維旋轉(zhuǎn)云臺；測量模塊、采集和控制模塊通過通訊模塊與數(shù)據(jù)處理模塊進行連接通信。首先三維旋轉(zhuǎn)云臺通過控制器控制激光測距儀的發(fā)射角度，使激光測距儀按照一定的軌跡對農(nóng)作物冠層高度自動進行掃描測量，掃描結(jié)果傳遞給數(shù)據(jù)處理中心，經(jīng)過內(nèi)角誤差修正、三角幾何換算、數(shù)據(jù)擬合篩選后得到作物冠層高度的最大值和平均值，完成對冠層高度值的計算。

一種農(nóng)作物冠層高度的檢測方法的實施例為：

一種農(nóng)作物冠層高度的檢測方法，該方法的具體步驟如下：

步驟1、確定要測量的農(nóng)作物種類及種植區(qū)域，劃定測量樣本范圍。

本發(fā)明以夏玉米的冠層高度測量為例，選定測量樣本范圍，樣本范圍要大小適中且具有代表性，內(nèi)部只種玉米，且應(yīng)靠近設(shè)備安裝站點，保證整個樣本區(qū)域能被測距儀的有效掃描范圍所覆蓋。

步驟2、將帶有三維旋轉(zhuǎn)功能的激光測距儀安裝在待測樣本區(qū)域的觀測站點，針對所測作物種類確定儀器安裝高度，并設(shè)定激光測距儀的掃描范圍，例如：

將自動測量設(shè)備安裝在觀測點的觀測支架上，安裝位置比待測作物的最高生長高度高出1米以上，待測玉米冠層高度最大值以2.5米計，則設(shè)備安裝高度可定為4米。掃描范圍的確定以裝置激光發(fā)射口為圓心，劃定一個圓心角為120°，半徑為4米的扇形區(qū)域作為測距儀的掃描范圍，掃描范圍應(yīng)囊括在上述選定的樣本區(qū)域內(nèi)。

步驟3、測量開始前，系統(tǒng)自動調(diào)整激光測距儀垂直正對地面，測出激光發(fā)射口距離地面的高度L₀，具體的為：

激光測距儀垂直正對的地面應(yīng)與作物種植地面平齊，測出的L₀作為裝置初始高度值存儲在采集器中，開始測量時，作為一個固定參數(shù)參與掃描點高度值得幾何換算。

步驟4、根據(jù)設(shè)定的掃描范圍確定測距儀的掃描軌跡，確定激光測距儀掃描的起始位置和結(jié)束位置，系統(tǒng)調(diào)整激光測距儀旋轉(zhuǎn)到掃描起始位置，開始測量，具體的為：

如圖2所示為測距儀的垂直旋轉(zhuǎn)角度和水平旋轉(zhuǎn)角度示意圖，首先確定掃描的起始位置和結(jié)束位置，采用控制器控制云臺旋轉(zhuǎn)的方式進行，首先控制掃描儀瞄準(zhǔn)待測量區(qū)域的左下角頂點，可通過重安裝在云臺上的重力傳感器測出當(dāng)前位置的垂直旋轉(zhuǎn)角度A＝A₁，水平旋轉(zhuǎn)角度為B＝B₁，以此作為掃描的起始位置；然后再控制掃描儀瞄準(zhǔn)待測量區(qū)域的右上角頂點，重力傳感器測出當(dāng)前位置的垂直旋轉(zhuǎn)角度A＝A_n和水平旋轉(zhuǎn)角度B＝B_n，以此作為掃描的結(jié)束位置。其中，水平旋轉(zhuǎn)運動指沿著與地面平行的方向運動，垂直旋轉(zhuǎn)運動值得是沿著與地面垂直的方向運動。

激光測距儀的掃描軌跡走“S”型路線，從起始位置開始，逐行掃描，到達結(jié)束位置時掃描終止，然后將測距儀調(diào)整到垂直正對地面位置以對下一行進行測量。

步驟5、從起始位置開始，根據(jù)上述確定的掃描軌跡，系統(tǒng)控制測距儀進行水平方向和垂直方向上的運動，并在每旋轉(zhuǎn)一定角度時進行一次測量，每次測量得到一個激光發(fā)射口距離測量點的距離值R_ij(i＝1,2,…n，j＝1,2,…m)，i和j分別代表垂直旋轉(zhuǎn)的次數(shù)和水平旋轉(zhuǎn)的次數(shù)，并記錄下當(dāng)前的垂直旋轉(zhuǎn)角度A_i和水平旋轉(zhuǎn)角度B_j，根據(jù)垂直旋轉(zhuǎn)角度A_i和水平旋轉(zhuǎn)角度B_j計算出每個掃描點的位置，得到每個掃描點的位置信息；

掃描開始時保持A₁＝A不變，B從B₁開始，以設(shè)定的角度β為角度步長進行正向水平旋轉(zhuǎn)，直至B≥B_m時為止；然后保持B不變，以設(shè)定的角度α為角度步長垂直旋轉(zhuǎn)一次，使A₂＝A₁+α，再保持A₂不變，B從B_m開始，以β為角度步長進行反向水平旋轉(zhuǎn)，直至B≤B₁時為止；重復(fù)上述過程，直至A≥A_n時為止。

不管是垂直旋轉(zhuǎn)還是水平旋轉(zhuǎn)，每旋轉(zhuǎn)α或β角度時就進行一次測量，每次測量得到一個距離值R_ij，一個垂直旋轉(zhuǎn)角度A_i和一個水平旋轉(zhuǎn)角度B_j，采集器對測量結(jié)果進行采集、存儲并傳輸給數(shù)據(jù)處理中心。

步驟6、測距儀垂直旋轉(zhuǎn)時，激光口距地高度會發(fā)生變化，為提高測量精度，可先利用內(nèi)角誤差修正公式修正激光發(fā)射口高度，然后結(jié)合上述測量結(jié)果，通過三角幾何關(guān)系算出當(dāng)前掃描點的高度值h_ij，具體的為：

如圖3、4所示，以O(shè)為旋轉(zhuǎn)中心，S為發(fā)射口，先利用內(nèi)角誤差修正公式對裝置的初始高度值進行修正，利用上述內(nèi)角誤差修正方法，通過相應(yīng)的公式計算當(dāng)前裝置發(fā)射口的距地高度，即激光測距儀發(fā)射口高度，相應(yīng)的公式為：

I_i＝r-r*cosA_i

L_i＝L₀+I_i

其中，l_i為當(dāng)前激光發(fā)射口抬升高度，r為激光測距儀旋轉(zhuǎn)半徑，A_i為當(dāng)前垂直旋轉(zhuǎn)角度,L_i為激光發(fā)射口高度，L₀為激光發(fā)射口垂直向下時的高度；

然后利用步驟5中所測得的R_ij、A_i和B_j的值，結(jié)合修正后的激光測距儀發(fā)射口高度Li，通過公式h_ij＝L_i-R_ij*cosA_i計算出當(dāng)前掃描點的高度值h_ij。

步驟7、儀器重復(fù)進行上述測量計算過程，直至測距儀旋轉(zhuǎn)至上述結(jié)束位置，測量結(jié)束獲得一個掃描周期內(nèi)所有掃描點的高度序列，具體的為：

例如，固定垂直旋轉(zhuǎn)角，水平旋轉(zhuǎn)掃描一個周期結(jié)束后，得到一組高度向量：

H_i＝{h_i1,h_i2,…,h_im|A＝A_i}

在數(shù)據(jù)處理中心重復(fù)步驟6的運算過程，對整個區(qū)域掃描結(jié)束后得到一個掃描周期內(nèi)得到每個掃描點的高度值h_ij，這些高度值構(gòu)成了一個高度序列矩陣：

冠層高度最大值h_max即為矩陣H中的最大值。

步驟8、數(shù)據(jù)處理模塊對上述數(shù)據(jù)進行存儲和篩選，通過擬合運算等處理，最終得出當(dāng)前測量區(qū)域內(nèi)作物冠層高度的最大值和平均值，具體的為：

在數(shù)據(jù)處理中心對上述矩陣H進行數(shù)據(jù)處理，首先對所測結(jié)果進行質(zhì)量控制，去除異常結(jié)果，如負值、超過設(shè)備安裝高度的值等，H中的異常數(shù)據(jù)改用0標(biāo)記；然后對結(jié)果序列進行數(shù)據(jù)擬合，最后再根據(jù)擬合結(jié)果對數(shù)據(jù)序列進行篩選。

篩選方式采用二次求導(dǎo)，判斷極大值的方法進行，為了剔除測量結(jié)果中的非冠層高度值需要篩選兩次，先對H中的數(shù)據(jù)一次篩選，取極大值點，得到一個極大值組：D＝(d1,d2,…,dn)，再對D中數(shù)據(jù)進行第二次篩選，取極大值點，得到新的極大值數(shù)組：P＝(P1,P2…,Pt)，s和t為極大值數(shù)量，則冠層高度最大值h_max＝maxP；冠層高度平均值即為：

以農(nóng)作物冠層高度的最大值maxP或冠層高度平均值h_avg作為冠層高度。

該檢測方法可以實現(xiàn)農(nóng)作物冠層高度的遠程、自動和長期連續(xù)測量，降低了勞動強度，測量精度高，提高了測量效率和可靠性，并且安裝使用方便，適用性強且成本低。

本發(fā)明的核心思路在于提供一種農(nóng)作物冠層高度的檢測方法，首先利用激光測距儀掃描農(nóng)作物冠層，計算各個掃描點的位置和高度值；然后根據(jù)所有掃描點的位置和高度值，求高度極大值組；最后根據(jù)所述高度極大值組確定冠層高度。

上述實施例中，激光測距儀的掃描軌跡走“S”型路線，逐行對農(nóng)作物冠層高度掃描；作為其他實施方式，還可以采用“∽”型路線的掃描軌跡，逐列對農(nóng)作物冠層高度掃描；本實施例是采用點掃描的方式，作為其他實施方式，也可以采用線掃描的方式，線掃描只需一個選擇自由度即可。

上述實施例采用了兩次篩選高度值陣列的方式，目的是提高農(nóng)作物冠層高度的檢測精度，避免植株分枝和交叉造成的干擾，作為其他實施方式，也可以采用一次篩選的方式。

以上給出了具體的實施方式，但本發(fā)明不局限于以上所描述的實施方式。本發(fā)明的基本思路在于上述基本方案，對本領(lǐng)域普通技術(shù)人員而言，根據(jù)本發(fā)明的教導(dǎo)，設(shè)計出各種變形的模型、公式、參數(shù)并不需要花費創(chuàng)造性勞動。在不脫離本發(fā)明的原理和精神的情況下對實施方式進行的變化、修改、替換和變型仍落入本發(fā)明的保護范圍內(nèi)。