一种果树根蘖识别与定位方法技术

本发明专利技术涉及一种作物识别与定位方法，尤其涉及一种面向精准施药的果树根蘖识别与定位方法，搭建激光和相机采集检测系统，提出一种基于激光扫面仪和图像技术信息融合的果树根蘖识别与定位方法。根据果树根蘖的生长特点，将扫描式激光测距仪和机器视觉相结合，实现对果树根蘖的快速、有效定位和识别，为实现果树根蘖的精准对靶施药提供位置和施药量信息，能有效降低农药使用量，提高药液利用率，降低环境污染提供技术支持。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种作物识别与定位方法，尤其涉及一种面向精准施药的果树根蘖识别与定位方法。
技术介绍
果树根蘖是从果树树杆根部生出的不能结果的嫩枝、藤蔓或枝条。果树滋生根蘖过于发达容易抢夺植株营养，导致土地贫瘠，增加植株受病原体侵害几率。根蘖会反复滋生，一个季节里需要多次灭除；为了保证地面以上植株能得到足够的养分，并且避免影响其他种类的果园作业，去除根蘖是十分必要的。去除根蘖的方法包括人工去除、机械方法去除和化学药物控制。人工去除方法是利用小刀等工具将根蘖从树干上清除。这种方法虽然能将根蘖完全去除干净，并且对植株不会产生任何损伤，但是比较耗时，劳动强度大，成本高。机械化的操作方式要比人工方式效率高很多，但是由于都是采用旋转头上安装类似于鞭子的工具来刮除根蘖，对年幼的植株损伤很大，会把树杆上的树皮刮掉，甚至将细小的树杆打断。另外，有些根蘖无法去除干净，会有断根残留在树杆根部，根蘖还会从断根处继续生长出来。为了寻求更有效去除根蘖的方法，在过去的几十年中很多学者对利用化学方法控制和去除根蘖方面进行了深入地研究，专利技术了多种化学药物。萘乙酸和多效唑都可以作为一种抑制物来控制根蘖的生长。这些尝试使得利用化学药物控制根蘖成为一种有效的手段，并逐步替代了人工和机械去除根蘖的方法。目前的药液的施药方式是非选择施药，这种方式在植株间空挡处存在浪费、成本增加。如果采用对靶施药技术，就可以根据单棵植株的根蘖生长的具体情况来决定施药量，从而减小无谓的浪费，减轻环境污染的潜在危害。根蘖识别与定位是精准对靶施药的首要关键技术现有技术中，果树根蘖识别与定位方法有不少缺陷。如文献F Kang，H Wang and F J Pierce，et al，”Sucker Detection of Grapevines for Targeted Spray Using Optical Sensors“in American Society of Agricultural and Biological Engineers ISSN，vol.55(5)，2012，pp.2007-2014.提出了白色标定板上下移动确定激光扫描位置，耗时大，ExG算法对根蘖的识别率低。
技术实现思路
本专利技术的目的就是提供一种基于激光扫描仪和图像技术的果树根蘖识别与定位方法，该方法识别率高，定位准确，识别速度快，实时性好。为果树根蘖的精准对靶施药的提供施药量和施药量分布信息，为未来果园自动化提供技术手段。本专利技术提供一种基于激光扫描仪和图像技术的果树根蘖识别与定位方法，其特征在于：激光扫描仪与中央处理单元相连接；CCD彩色摄像头安装在云台上面，通过usb转网口与中央处理单元相连接；云台与中央处理单元相连接。激光扫描仪用以获得图像深度信息；正三角形标定板用来标定激光扫描仪；CCD彩色摄像机采集果树根蘖和正三角形标定板图像；云台控制CCD彩色摄像机安装角度β；中央处理单元同时采集激光扫描仪、CCD彩色摄像机和云台的数据信息，通过相应算法和控制策略对果树根蘖进行定位和识别。根据权利要求1所述方法，其特征在于：本方法使用时要进行标定，标定过程为：在果树树干旁边放置一边长为D的正三角形标定板，正三角形标定板正对激光扫描仪和相机；激光扫描仪扫描标定板，得到三角形标定板激光扫描行的宽度d；CCD彩色摄像机采集果树根蘖和正三角形标定板图像，分割出图像坐标系中三角形标定板，得到图像坐标系中三角形标定板边长Dc和Hc，根据比例关系得到图像坐标系和世界坐标系在横坐标方向和纵坐标方向的比例因子，以此确定图像坐标系中三角形标定板激光扫描行宽度关系。根据权利要求1和2所述的方法，其特征在于：在图像坐标系中，从分割出的三角形标定板中找到像素宽度与图像坐标系中激光扫描宽度最接近的一行认为是激光扫描行，用ExGExR算法分割根糵，计算根糵在图像坐标系中的高度和宽度，以及中心坐标(xc2，yc2)，结合激光扫描仪获得的深度信息计算出根蘖的实际尺寸和相对三角形标定板的相对位置。本专利技术的有益效果是：与现有技术相比，本专利技术的突出的实质性特点是：使用正三角形标点板融合激光扫描仪和摄像机图像信息，标定板过程方便快速成功率高；用ExGExR算法识别根蘖，耗时少，识别率高，从而实现对果树根蘖的快速、有效定位和识别。为果树根蘖的精准对靶施药的提供施药量和施药量分布信息，能大幅度地提高识别系统的实时性，能适应快速自动化果树根蘖施药的实时性要求，为未来果园自动化提供技术手段。附图说明图1是本专利技术基于激光扫描仪和图像技术的果树根蘖识别与定位方法的整体布局图；图2是根蘖识别效果图；图3是激光扫面行确定图；附图标记：1-激光扫描仪；2-中央处理单元；3-CCD彩色摄像头；4-云台；5-usb转网口；6-正三角形标定板；7-果树根蘖；8-果树；9-支架；10-激光扫描位置；11-根糵窗具体实施方式下面结合附图对本专利技术作进一步的说明：如图1所示，激光扫描仪1与中央处理单元2相连接，CCD彩色摄像头3安装在云台4上面，通过usb转网口5与中央处理单元2相连接，云台4与中央处理单元2相连接。激光扫描仪1用以获得图像深度信息，正三角形标定板6用来标定激光扫描仪1，CCD彩色摄像机3采集果树根蘖7和正三角形标定板6图像，云台4控制CCD彩色摄像机3安装角度β，中央处理单元2同时采集激光扫描仪1、CCD彩色摄像机3和云台4的数据信息，通过相应算法和控制策略对果树根蘖7进行定位和识别。如图1、2和3所示，本专利技术的识别定位过程为：如图1所示，识别定温过程中正三角形标定板6，CCD彩色摄像头3和激光扫描仪1相对固定，激光扫描仪1平行于地面，CCD彩色摄像头3放置于云台4上面与地面呈固定角度。将正三角形标定板6置于和果树8树干激光扫描仪1水平扫描处。激光扫描仪1水平扫描果树根蘖7和正三角形标定板6，激光扫描仪1完成一次扫描后发送给中央处理单元2一组扫描数据序列，其中包括目标的距离信息以及对应的扫描角度。为避免干扰，将测量距离小于20mm、大于2000mm的数据点剔除后，存入一个二维数组中。在提取扫描数据中正三角形标定板6的激光扫描位置10宽度信息时，首先比较相邻数据点之间的关联性，即计算数据点间距离。激光扫描仪1扫描到正三角形标定板6边缘时，形成扫描数据点间距离跳跃点。若某激光点P1和前三个数据点差值小于100mm，和后三个数据点差值小于50mm，则点P1为激光扫描起始点(x1，y1，z1)，测量距离R1，扫描角度θ1。采用同样方法，确定激光扫描终止点P2(x2，y2，z2)，测量距离R2，扫描角度θ2。激光扫描点空间坐标如下：式中：R为激光测量距离，单位mm；θ为激光扫描角度；c为激光扫描仪1的安装高度，单位mm。根据余弦定理，求得激光扫描三角形的宽度d如下：式中：d为激光扫描三角形宽度，单位mm；R1，θ1分为激光扫描三角形起始点P1的距离和扫描角度；R2，θ2分为激光扫描三角形终止点P2的距离和扫描角度。激光到标定板距离Dis定义如下：如图2所示，采取ExGExR算法对CCD彩色摄像头3采集的果树根蘖7原始图像(图2a)进行分割，分割后需对图像进一步膨胀腐蚀(图2b)，滤除杂草，提取图像中最大连通域，从而进行分割杂草和边缘矫正，实现较好的二值本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于激光扫描仪和图像技术的果树根蘖识别与定位方法，其特征在于：激光扫描仪(1)与中央处理单元(2)相连接；CCD彩色摄像头(3)安装在云台(4)上面，通过usb转网口(5)与中央处理单元(2)相连接；云台(4)与中央处理单元(2)相连接。激光扫描仪(1)用以获得图像深度信息；正三角形标定板(6)用来标定激光扫描仪(1)；CCD彩色摄像机(3)采集果树根蘖(7)和正三角形标定板(6)图像；云台(4)控制CCD彩色摄像机(3)安装角度β；中央处理单元(2)同时采集激光扫描仪(1)、CCD彩色摄像机(3)和云台(4)的数据信息，通过相应算法和控制策略对果树根蘖(7)进行定位和识别。

【技术特征摘要】
1.一种基于激光扫描仪和图像技术的果树根蘖识别与定位方法，其特征在于：激光扫描仪(1)与中央处理单元(2)相连接；CCD彩色摄像头(3)安装在云台(4)上面，通过usb转网口(5)与中央处理单元(2)相连接；云台(4)与中央处理单元(2)相连接。激光扫描仪(1)用以获得图像深度信息；正三角形标定板(6)用来标定激光扫描仪(1)；CCD彩色摄像机(3)采集果树根蘖(7)和正三角形标定板(6)图像；云台(4)控制CCD彩色摄像机(3)安装角度β；中央处理单元(2)同时采集激光扫描仪(1)、CCD彩色摄像机(3)和云台(4)的数据信息，通过相应算法和控制策略对果树根蘖(7)进行定位和识别。2.根据权利要求1所述方法，其特征在于：本方法使用时要进行标定，标定过程为：在果树树干旁边放置一边长为D的正三角形标定板(6...

【专利技术属性】
技术研发人员：康峰，王亚雄，许莎莎，翟壮壮，杨子元，
申请(专利权)人：北京林业大学，
类型：发明
国别省市：北京;11