一種葉面積垂直分布信息提取方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種玉米植株葉面積垂直分布信息提取方法，本發(fā)明的方法以激光雷達(dá)為數(shù)據(jù)源，利用基于法線差分的方法識(shí)別玉米葉片回波點(diǎn)云；將玉米植株回波點(diǎn)云體素化，利用冠層分析法提取葉面積垂直分布信息。利用本發(fā)明所提出的方法，可以快速、精確地提取玉米植株葉面積垂直分布信息，簡(jiǎn)化玉米植株結(jié)構(gòu)參數(shù)提取過(guò)程，提高其自動(dòng)化程度，同時(shí)不會(huì)對(duì)玉米葉片造成損傷。
【專利說(shuō)明】
一種葉面積垂直分布信息提取方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及農(nóng)業(yè)遙感技術(shù)領(lǐng)域，更具體涉及一種玉米葉面積垂直分布信息提取方 法。
【背景技術(shù)】
[0002] 農(nóng)作物葉面積垂直分布情況，是農(nóng)業(yè)遙感定理反演研究、農(nóng)作物機(jī)理模型研究、農(nóng) 作物遺傳與育種領(lǐng)域的重要參數(shù)之一。葉片是植株進(jìn)行光合作用等生理過(guò)程的重要承載 體，準(zhǔn)確的定量描述葉片垂直分布情況對(duì)于農(nóng)作物長(zhǎng)勢(shì)監(jiān)測(cè)、潛在災(zāi)害脅迫監(jiān)測(cè)、估產(chǎn)、遺 傳效應(yīng)分析等具有非常重要的意義。
[0003] 目前，農(nóng)業(yè)應(yīng)用中常用的農(nóng)作物葉面積垂直分布信息提取方法大致可以分為兩 類:直接測(cè)量法和間接測(cè)量法。其中，直接測(cè)量法雖然測(cè)量精度較高，但需要人工收獲并測(cè) 量所有葉片的面積，所以只能在有限點(diǎn)上測(cè)量，費(fèi)時(shí)、費(fèi)力且對(duì)植株本身具有破壞性，這對(duì) 于長(zhǎng)時(shí)間序列動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)以及大區(qū)域的大尺度結(jié)構(gòu)特性的測(cè)量是不現(xiàn)實(shí)的，因而常作為間接 測(cè)量法的校正和驗(yàn)證。間接測(cè)量方法包括利用光學(xué)儀器間接接觸式測(cè)量和利用遙感技術(shù)的 非接觸式測(cè)量，其中儀器接觸式測(cè)量的方式仍為點(diǎn)上測(cè)量，基于遙感技術(shù)的非接觸測(cè)量雖 是面上測(cè)量方式，但很難穿透農(nóng)作物冠層，因此目前的反演模型是將農(nóng)作物冠層看作一個(gè) 均質(zhì)層、忽略冠層垂直方向上的差異，無(wú)法表達(dá)冠層內(nèi)部及下部葉片分布情況。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] (一)要解決的技術(shù)問題
[0005] 以玉米植株為例，本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是如何準(zhǔn)確、大面積測(cè)量農(nóng)作物葉面 積垂直分布信息，得到農(nóng)作物葉面積指數(shù)，同時(shí)不對(duì)農(nóng)作物葉片造成損傷。
[0006] (二)技術(shù)方案
[0007] 為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種葉面積垂直分布信息提取方法，包括 以下步驟：
[0008] S1、利用三維激光掃描儀獲取玉米植株激光點(diǎn)云，并進(jìn)行多站點(diǎn)云配準(zhǔn)；
[0009] S2、計(jì)算玉米植株回波點(diǎn)云的法線，并利用法線差分方法，通過(guò)聚類操作識(shí)別出葉 片回波點(diǎn)云；
[0010] S3、將玉米葉片回波點(diǎn)云進(jìn)行體素化，并根據(jù)激光的傳輸路徑確定體素的屬性；
[0011] S4、根據(jù)網(wǎng)格高度將植株分層，根據(jù)所述體素的屬性計(jì)算每個(gè)分層上的激光截獲 率、激光穿透率;根據(jù)站點(diǎn)位置和點(diǎn)云坐標(biāo)計(jì)算激光入射角，建立表達(dá)葉片分布的G函數(shù)；
[0012] S5、基于激光入射角、激光截獲率、激光穿透率、G函數(shù)、水平層高度，構(gòu)建玉米葉面 積垂直分布模型，計(jì)算每個(gè)水平層上玉米葉面積大小，從而得到玉米葉面積垂直分布結(jié)果。
[0013] 優(yōu)選地，所述步驟S1中進(jìn)行多站點(diǎn)云配準(zhǔn)之前首先去除多次散射點(diǎn)云和粗差點(diǎn) 云。
[0014] 去除多次散射點(diǎn)云和粗差點(diǎn)云前將全部植株所占立體空間外的點(diǎn)云去除，然后利 用點(diǎn)云強(qiáng)度信息去除土壤回波點(diǎn)云；點(diǎn)云配準(zhǔn)是對(duì)兩站掃描的點(diǎn)云坐標(biāo)建立轉(zhuǎn)換矩陣，進(jìn) 行位置和距離上的變換。
[0015] 優(yōu)選地，所述步驟S1中對(duì)所要掃描的植株等距離、等角度架設(shè)激光雷達(dá)，掃描視場(chǎng) 角為360° X317°，在所要掃描的植株周圍放置6個(gè)標(biāo)靶球；
[0016] 優(yōu)選地，所述步驟S2具體包括以下步驟：
[0017] S21、計(jì)算預(yù)處理后的玉米植株回波點(diǎn)云的法線。搜索玉米葉片某一點(diǎn)p鄰域范圍r 內(nèi)的所有回波點(diǎn)云，并利用最小二乘法平面擬合P點(diǎn)鄰域范圍r內(nèi)所有點(diǎn)組成的曲面，計(jì)算 曲面的相切面法線；
[0018] S22、計(jì)算兩個(gè)鄰域范圍內(nèi)的法線差分。在兩種尺度上計(jì)算點(diǎn)p的法線，設(shè)定搜索半 徑rKrXn〈…<rn，則兩種所述尺度下的法線差分為：
[0020] S23、法線二義性消除。選取鄰域范圍內(nèi)z值最大的點(diǎn)作為起始點(diǎn)，以所述起始點(diǎn)的 法線方向作為標(biāo)準(zhǔn)法線方向，求算其余所述點(diǎn)云的法線方向若與所述標(biāo)準(zhǔn)法線方向的內(nèi)積 ⑴山），若⑴山）~1，則不改變所述點(diǎn)云的法線方向，否則將所述點(diǎn)云的法線方向反向處 理；
[0021] S24、利用法線差分識(shí)別玉米葉片回波點(diǎn)云。判斷兩種尺度下的法線差分A n(p， ri，r2)是否在設(shè)定的閾值范圍內(nèi)，若在閾值范圍內(nèi)則屬于相同屬性的點(diǎn)云，否則屬于不同屬 性的點(diǎn)云，從而識(shí)別葉片回波點(diǎn)云和非光合作用組織回波點(diǎn)云。
[0022] 優(yōu)選地，所述步驟S3具體為:將所述葉片回波點(diǎn)云進(jìn)行體素化的公式為：
[0024]其中，（i，j，k)是點(diǎn)云體素坐標(biāo)，int是取整函數(shù)，（x，y，z)是配準(zhǔn)后的點(diǎn)云坐標(biāo)， (Xmin，ymin，Zmin)是(x，y，z)坐標(biāo)的最小值，（A i, A j, Ak)是體素的大小。
[0025] 優(yōu)選地，所述步驟S4具體包括以下步驟：
[0026] S41、玉米植株回波點(diǎn)云進(jìn)行水平分層。設(shè)定水平層高度A H，根據(jù)玉米植株高度H， 將整株分為H/A H層；
[0027] S42、計(jì)算每個(gè)水平層上的激光截獲率。根據(jù)激光在植株體素中的傳輸路線，分層 判斷植株體素的屬性，并計(jì)算每層植株中激光攔截的體素?cái)?shù)量m(k)、激光通過(guò)的體素?cái)?shù)量 nP(k)，并且利用下式計(jì)算激光截獲率：
[0028] ni(k)/(m(k)+np(k))
[0029] 其中，K為層數(shù)。
[0030] S43、建立表達(dá)葉片分布的G函數(shù)。G(0)是在垂直于激光束方向（0角度)上單位葉面 積的平均投影面積。
[0031]優(yōu)選地，所述步驟S5中構(gòu)建玉米葉面積垂直分布信息提取模型為：
[0033]其中，9是激光入射角；A H是水平層尚度;mh和mh+AH為體素在垂直方向上的坐標(biāo)， 等于直角坐標(biāo)系中的h和h+ A H(h= A kXmh) ;ni(k)和np(k)分別是在第k層上激光攔截和激 光通過(guò)的體素?cái)?shù)量;G(0)是在垂直于激光束方向（0角度)上單位葉面積的平均投影面積。 [0034]優(yōu)選地，本發(fā)明的方法還包括步驟S7,利用葉面積垂直分布信息提取模型計(jì)算植 株每個(gè)水平層上的葉面積，并以野外實(shí)地測(cè)量的實(shí)測(cè)葉面積之間的平均絕對(duì)百分比誤差進(jìn) 行植株葉面積垂直分布信息提取精度評(píng)價(jià)。
[0035](三)有益效果
[0036] 本發(fā)明提供了一種葉面積垂直分布信息提取方法，本發(fā)明的方法以地基激光雷達(dá) 為數(shù)據(jù)源，利用基于法線差分的方法識(shí)別玉米葉片回波點(diǎn)云，然后將所有玉米葉片回波點(diǎn) 云體素化，建立葉面積垂直分布信息提取模型，提取葉面積垂直分布信息，可以快速、高精 度提取玉米植株葉面積垂直分布信息，簡(jiǎn)化了植株結(jié)構(gòu)參數(shù)提取過(guò)程，提高了自動(dòng)化程度， 同時(shí)不會(huì)對(duì)玉米葉片造成損傷。
【附圖說(shuō)明】
[0037] 為了更清楚地說(shuō)明本發(fā)明實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對(duì)實(shí)施例或現(xiàn) 有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡(jiǎn)單地介紹，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實(shí) 施例，對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來(lái)講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下，還可以根據(jù)這些附圖 獲得其他的附圖。
[0038] 圖1為本發(fā)明的一種葉面積垂直分布信息提取方法的流程圖；
[0039]圖2a為本發(fā)明地基激光雷達(dá)站點(diǎn)設(shè)置示意圖；
[0040]圖2b為本發(fā)明的步驟S1中掃描視場(chǎng)角示意圖；
[0041]圖3為本發(fā)明中玉米葉片回波點(diǎn)云體素化及葉面積垂直分布參數(shù)計(jì)算示意圖； [0042]圖4為利用本發(fā)明的葉面積垂直分布信息提取方法，提取玉米植株葉面積體垂直 分布信息的結(jié)果示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0043] 下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描述。以下實(shí)施例用于說(shuō)明本發(fā) 明，但不能用來(lái)限制本發(fā)明的范圍。
[0044] 圖1為本發(fā)明所提出的提取玉米葉面積垂直分布信息的流程圖，所述內(nèi)容包括以 下步驟：
[0045] S1、根據(jù)激光雷達(dá)，獲取玉米植株三維點(diǎn)云，進(jìn)行多站點(diǎn)云配準(zhǔn)；
[0046] S2、計(jì)算玉米植株回波點(diǎn)云的法線，計(jì)算法線差分方法，利用聚類操作得到玉米葉 片回波點(diǎn)云；
[0047] S3、將所述玉米葉片回波點(diǎn)云進(jìn)行體素化，并根據(jù)體素中激光的傳輸路徑確定體 素的屬性；
[0048] S4、根據(jù)網(wǎng)格高度將玉米植株分層，根據(jù)所述體素的屬性計(jì)算每個(gè)分層上的激光 截獲率、激光穿透率;計(jì)算激光入射角，建立表達(dá)葉片分布的G函數(shù)(表達(dá)葉片分布）；
[0049] S5、基于激光入射角、激光截獲率、激光穿透率、G函數(shù)、水平層高度，構(gòu)建玉米葉面 積垂直分布模型，計(jì)算每個(gè)水平層上玉米葉面積大小，從而得到玉米葉面積垂直分布結(jié)果。
[0050] 通過(guò)本發(fā)明的方法可以快速、高精度提取玉米植株葉面積垂直分布信息，簡(jiǎn)化了 植株結(jié)構(gòu)參數(shù)提取過(guò)程，提高了自動(dòng)化程度，同時(shí)不會(huì)對(duì)玉米葉片造成損傷。
[0051 ]本發(fā)明以RIEGL VZ-1000激光掃描儀作為激光雷達(dá)，掃描獲取玉米溫室的單株玉 米，玉米生長(zhǎng)期為抽雄期，構(gòu)建葉面積垂直分布信息提取模型，利用上述方法測(cè)量葉面積垂 直分布信息。
[0052]優(yōu)選地，所述步驟S1中對(duì)所要掃描的植株等距離、等角度架設(shè)激光雷達(dá)，掃描視場(chǎng) 角為360° X317°，如圖2a、2b所示；為保證不同站點(diǎn)間點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接精度，在所要掃描的植 株周圍放置6個(gè)標(biāo)靶球;進(jìn)行多站點(diǎn)云配準(zhǔn)之前首先去除多次散射點(diǎn)云和粗差點(diǎn)云。去除所 述多次散射點(diǎn)云和粗差點(diǎn)云時(shí)，首先將玉米植株所在立體空間外的點(diǎn)云去除，然后利用點(diǎn) 云強(qiáng)度信息去除土壤表面回波點(diǎn)云;所述點(diǎn)云配準(zhǔn)是對(duì)兩個(gè)站點(diǎn)的點(diǎn)云坐標(biāo)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)和剛 體變換，即建立轉(zhuǎn)換矩陣進(jìn)行位置和距離上的變換。
[0053]利用RiScan軟件進(jìn)行多站點(diǎn)數(shù)據(jù)配準(zhǔn)、拼接，并通過(guò)編寫C++程序去除多次散射點(diǎn) 云和粗差點(diǎn)云。
[0054]所述步驟S2具體包括以下步驟：
[0055] S21、計(jì)算預(yù)處理后的玉米植株回波點(diǎn)云的法線。點(diǎn)云法線的解決方案即是分析一 個(gè)協(xié)方差矩陣的特征矢量和特征值(或PCA主成分分析），其協(xié)方差矩陣從查詢點(diǎn)的臨近點(diǎn) 云中創(chuàng)建，利用主成分分析法來(lái)求解單位法向量，主成分分析法將上述問題的求解轉(zhuǎn)換為 求解一個(gè)半正定協(xié)方差矩陣的特征值與特征向量;所述點(diǎn)云表達(dá)物體三維結(jié)構(gòu)的坐標(biāo)分別 為x、y、z，根據(jù)主成分分析法計(jì)算3 X 3協(xié)方差矩陣M的特征值和特征向量，其中最小特征值 對(duì)應(yīng)的特征向量為所述點(diǎn)云的法線所在方向；
[0057]其中，Pi為所要分析的點(diǎn)，為點(diǎn)Pi的鄰域點(diǎn)云質(zhì)心，(巧-p)為列向量，-J?)7'為 所述列向量的轉(zhuǎn)置。
[0058] S22、引入尺度空間的概念，計(jì)算兩個(gè)鄰域范圍內(nèi)的法線差分。在兩種尺度上計(jì)算 點(diǎn)P的法線，設(shè)定搜索半徑?！碸^〈…〈^則兩種所述尺度下的法線差分為：
[0060] 其中，a n(p，ri，r2)表示兩種尺度下法線方向的差值，該差值是一個(gè)三維向量，包 括點(diǎn)云的x、y、z坐標(biāo)、點(diǎn)云法線的x、y、z坐標(biāo)以及法線曲率。
[0061] S23、法線二義性消除。對(duì)于點(diǎn)云中某一點(diǎn)的切平面，其所對(duì)應(yīng)的法線指向可能隨 機(jī)的表示為夾角為180°的兩個(gè)方向，即存在點(diǎn)云法線向量的方向二義性。所以，需要統(tǒng)一所 有點(diǎn)的法向，使其指向同一方向。由于地形表面相對(duì)光滑，所以相鄰兩個(gè)點(diǎn)云間的法線方向 應(yīng)近似于平行，基于此理論，選取鄰域范圍內(nèi)z值(高程值，就是前面的（x，y，z)中的z值)最 大的點(diǎn)Pi作為起始點(diǎn)，對(duì)于點(diǎn)Pi和其臨近點(diǎn)云Pj，兩點(diǎn)對(duì)應(yīng)的法線分別為li，lj，取內(nèi)積（li， 1丄若(h山）~1則認(rèn)為兩者的法線方向指向同一方向，否則認(rèn)為兩者法向方向相反，需要 對(duì)其中一個(gè)法線取反。
[0062] S24、利用法線差分識(shí)別玉米葉片回波點(diǎn)云。判斷兩種尺度下的法線差分A n(p， ri，r2)是否在設(shè)定的閾值范圍內(nèi)，若在閾值范圍內(nèi)則屬于相同屬性的點(diǎn)云，否則屬于不同屬 性的點(diǎn)云，從而識(shí)別葉片回波點(diǎn)云和非光合作用組織回波點(diǎn)云。
[0063]如圖3所示，所述步驟S3具體為:將所述葉片回波點(diǎn)云進(jìn)行體素化的公式為
[0065]其中，（i，j，k)是點(diǎn)云體素坐標(biāo)，int是取整函數(shù)，（x，y，z)是點(diǎn)云數(shù)據(jù)配準(zhǔn)后的坐 標(biāo)，（Xmin，ymin，Zmin)疋(X，y，Z )坐標(biāo)的取小值，（Ai，Aj，Ak)疋體素的大小。
[0066] 如圖3所示，優(yōu)選地，所述步驟S4具體包括以下步驟：
[0067] S41、玉米植株回波點(diǎn)云進(jìn)行水平分層。設(shè)定水平層高度A H，根據(jù)玉米植株高度H， 將整株分為H/A H層；
[0068] S42、激光截獲率是根據(jù)激光在植株體素中的傳輸路徑確定的，確定過(guò)程中植株內(nèi) 的所有體素都參與計(jì)算;激光掃描儀平行對(duì)應(yīng)的一層，定義為k = 0層;激光束向上發(fā)射的部 分，即k = 0+的部分;激光束向下發(fā)射的部分，即k = 0_的部分;根據(jù)激光在植株體素中的傳 輸路線，分層判斷玉米葉片激光點(diǎn)云體素的屬性，所述體素的屬性包括激光束攔截、激光束 通過(guò)、激光束到達(dá)，并標(biāo)注每個(gè)體素的屬性，1為激光攔截，2為激光通過(guò)，3為沒有激光到達(dá) 該體素;計(jì)算每層植株中激光攔截的體素?cái)?shù)量m(k)、激光通過(guò)的體素?cái)?shù)量n P(k)，并且利用 下式計(jì)算每個(gè)葉片水平層的激光截獲率：
[0069] ni(k)/(m(k)+np(k))
[0070] 其中，k為層數(shù);m(k)是第k層中激光攔截的體素?cái)?shù)量的總和，即屬性設(shè)置為1的體 素的總和;nP(k)是第k層中激光通過(guò)的體素?cái)?shù)量的總和，所有的激光從激光掃描儀站發(fā)射， 考慮k=m b層所有已經(jīng)標(biāo)記為屬性1的體素之外的所有的體素，如果某個(gè)體素中至少有一條 激光束到達(dá)，那么這個(gè)體素的屬性標(biāo)記為2,即激光束通過(guò);如果某個(gè)體素中沒有任何的激 光束到達(dá)，那么這個(gè)體素的屬性標(biāo)記為3,表示沒有激光束到達(dá)該體素;k=m b層中所有的體 素都被賦以1、2、3的屬性，由于屬性1表示激光束被攔截，所有經(jīng)過(guò)屬性為1的體素的激光束 便不再向下一層傳輸，傳輸路徑中止;接著判斷k = mb+l層的體素屬性，對(duì)于激光沒有被上 一層攔截的激光，根據(jù)其穿過(guò)k = mb+l層體素的情況判斷屬性為2、3的體素，以后的每層判 斷都以此類推，直到遍歷完所有的體素；
[0071] S43、計(jì)算表達(dá)葉片分布的G函數(shù)。G(0)是在垂直于激光束方向（0角度)上單位葉面 積的平均投影面積。
[0072]優(yōu)選地，所述步驟S5中玉米葉面積垂直分布信息提取模型為：
[0074]其中，9是激光入射角；A H是水平層尚度;mh和mh+AH為體素在垂直方向上的坐標(biāo)， 等于直角坐標(biāo)系中的h和h+ A H(h= A kXmh) ;ni(k)和np(k)分別是在第k層上激光攔截和激 光通過(guò)的體素?cái)?shù)量;G(0)是在垂直于激光束方向（0角度)上單位葉面積的平均投影面積。
[0075] 優(yōu)選的，本發(fā)明的方法還可包括以下步驟：
[0076] S6、通過(guò)利用上述模型計(jì)算植株每個(gè)水平層上的葉面積，與以野外實(shí)地測(cè)量的實(shí) 測(cè)葉面積之間的平均絕對(duì)百分比誤差進(jìn)行植株葉面積垂直分布信息提取精度評(píng)價(jià)，結(jié)果如 圖4所示。
[0077] 激光雷達(dá)(Light Detection And Ranging,LiDAR)是一種主動(dòng)遙感技術(shù)，通過(guò)由 激光器發(fā)出的激光脈沖測(cè)定傳感器與目標(biāo)物之間的距離，可用于獲取高精度農(nóng)作物三維結(jié) 構(gòu)信息。激光雷達(dá)具有毫米級(jí)的測(cè)量精度，提供了一種非破壞性的農(nóng)作物冠層高精度三維 測(cè)量手段，使得深入了解大面積葉面積垂直結(jié)構(gòu)成為可能。
[0078] 本發(fā)明以激光雷達(dá)為數(shù)據(jù)源，可以快速、高精度提取個(gè)體植株的葉面積垂直分布 信息。本發(fā)明利用基于法線差分的點(diǎn)云識(shí)別方法，精確識(shí)別具有卷曲、葉片不平整、葉片中 脈向葉正面凹陷等特征的葉片;基于植株體素，提取葉面積垂直分布信息，從而提高了葉面 積垂直分布參數(shù)測(cè)量的精度與速度，簡(jiǎn)化了植株結(jié)構(gòu)參數(shù)提取過(guò)程，并提高了自動(dòng)化程度。
[0079] 以上實(shí)施方式僅用于說(shuō)明本發(fā)明，而非對(duì)本發(fā)明的限制。盡管參照實(shí)施例對(duì)本發(fā) 明進(jìn)行了詳細(xì)說(shuō)明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行各種組合、 修改或者等同替換，都不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的精神和范圍，均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的權(quán)利要 求范圍當(dāng)中。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種玉米植株葉面積垂直分布信息提取方法，其特征在于，包括W下步驟： 51、 根據(jù)激光雷達(dá)，獲取玉米植株=維點(diǎn)云，進(jìn)行多站點(diǎn)云配準(zhǔn)； 52、 計(jì)算玉米植株=維點(diǎn)云的法線，計(jì)算法線差分方法，利用聚類操作得到玉米葉片回 波點(diǎn)云； 53、 將所述玉米葉片回波點(diǎn)云進(jìn)行體素化，并根據(jù)體素中激光的傳輸路徑確定體素的 屬性； 54、 根據(jù)網(wǎng)格高度將玉米植株分層，形成若干個(gè)水平層，根據(jù)所述體素的屬性計(jì)算每個(gè) 分層上的激光截獲率、激光穿透率;計(jì)算激光入射角，建立表達(dá)葉片分布的G函數(shù)； 55、 基于激光入射角、激光截獲率、激光穿透率、G函數(shù)、水平層高度，構(gòu)建玉米葉面積垂 直分布模型，計(jì)算每個(gè)水平層上玉米葉面積大小，從而得到玉米葉面積垂直分布結(jié)果。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述步驟Sl中對(duì)所要掃描的植株等距離、 等角度架設(shè)激光雷達(dá)，掃描視場(chǎng)角為360° X317°，在所要掃描的植株周圍放置6個(gè)標(biāo)祀球； 進(jìn)行多站點(diǎn)云配準(zhǔn)之前，需要去除多次散射點(diǎn)云和粗差點(diǎn)云。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述步驟S2具體包括W下步驟： 521、 計(jì)算玉米植株回波點(diǎn)云的法線:捜索玉米葉片某一點(diǎn)P鄰域范圍r內(nèi)的所有回波點(diǎn) 云，并利用最小二乘法平面擬合鄰域范圍內(nèi)所有點(diǎn)組成的曲面，計(jì)算曲面的相切面法線； 522、 計(jì)算兩個(gè)鄰域范圍內(nèi)的法線差分:在兩種尺度上計(jì)算點(diǎn)P的法線，設(shè)定捜索半徑ri< ，則兩種所述尺度下的法線差A(yù)責(zé).n523、 法線二義性消除:選取鄰域范圍內(nèi)Z值最大的點(diǎn)作為起始點(diǎn)，W所述起始點(diǎn)的法線 方向作為標(biāo)準(zhǔn)法線方向，求算其余所述點(diǎn)云的法線方向若與所述標(biāo)準(zhǔn)法線方向的內(nèi)積Qi, Ij)，若(11山）>1，則不改變所述點(diǎn)云的法線方向，否則將所述點(diǎn)云的法線方向反向處理； 524、 利用法線差分識(shí)別玉米葉片回波點(diǎn)云：判斷兩種尺度下的法線差分An(p，ri，r2) 是否在設(shè)定的闊值范圍內(nèi)，若在闊值范圍內(nèi)則屬于相同屬性的點(diǎn)云，否則屬于不同屬性的 點(diǎn)云，從而識(shí)別葉片回波點(diǎn)云和非光合作用組織回波點(diǎn)云。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述步驟S3具體為:將所述葉片回波點(diǎn)云 進(jìn)行體素化的公式為 中,(i , J , 1、/ AC A'.' ? rr W ~r.'KJ' ,丄 11。_l±^ W , 、& , J ,。/ AC A'.、? J/口口。'主 白勺申不, (Xmin，ymin，Zmin)是(X,y ,Z)坐標(biāo)的最小值，（A i , A j , A k)是體素的大小。5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述步驟S4具體包括W下步驟： 541、 玉米植株回波點(diǎn)云進(jìn)行水平分層:設(shè)定水平層高度A H，根據(jù)玉米植株高度H，將整 株分為H/A H層； 542、 計(jì)算每個(gè)水平層上的激光截獲率:根據(jù)激光在植株體素中的傳輸路線，分層判斷 植株體素的屬性，并計(jì)算每層植株中激光攔截的體素?cái)?shù)量ni(k)、激光通過(guò)的體素?cái)?shù)量np 化），并且利用下式計(jì)算激光截獲率： ni(k)/(ni 化)+np化）） 其中，k為層數(shù)； S43、計(jì)算表達(dá)葉片分布的G函數(shù):G(0)是在垂直于激光束方向上單位葉面積的平均投 影面積，0是激光入射角。6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述步驟S5中玉米葉面積垂直分布模型 為： 其中，目是激光八奶用；A H足承干后同設(shè);皿卿皿+AH刃悴奈化亜且方向上的坐標(biāo)，等于直 角坐標(biāo)系中的h和h+AH化=AkXmh) ;ni化)和np化)分別是在第k層上激光攔截和激光通過(guò) 的體素?cái)?shù)量;G( 0)是在垂直于激光束方向上單位葉面積的平均投影面積。7. 根據(jù)權(quán)利要求1至6任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，還包括精度評(píng)價(jià)步驟： 利用葉面積垂直分布信息模型，計(jì)算玉米植株每個(gè)水平層上的葉面積，與W野外實(shí)地 測(cè)量的實(shí)測(cè)葉面積之間的平均絕對(duì)百分比誤差，進(jìn)行玉米植株葉面積垂直分布信息提取精 度評(píng)價(jià)。
【文檔編號(hào)】G01B11/28GK105910556SQ201610228298
【公開日】2016年8月31日
【申請(qǐng)日】2016年4月13日
【發(fā)明人】蘇偉, 朱德海, 張曉東, 黃健熙, 劉哲, 郭皓, 張明政
【申請(qǐng)人】中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)