基于激光雷达的冠层内孔隙率测量方法、系统、存储介质和计算机设备技术方案

技术编号：44185914 阅读：9 留言：0更新日期：2025-02-06 18:27

本发明专利技术公开了一种基于激光雷达的冠层内孔隙率测量方法、系统、存储介质和计算机设备，其中测量方法先采用无人机采用双视角点云数据，通过滤除离群点和去除地面点来净化点云数据；然后，对点云数据进行配准，以确保数据的一致性；最后，应用AlphaShape‑Graham算法对棉花冠层的分层孔隙率进行分析计算。与现有的人工测量技术和车载采集设备相比，本发明专利技术的非接触式数据采集方式不仅减少了对作物的入侵，还提供了更全面的棉花表型信息，对棉花生长监测、产量预估、农药的精准喷雾等科学管理具有重要的应用价值。

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【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及农业监测技术，具体涉及一种基于激光雷达的冠层内孔隙率测量方法、系统、存储介质和计算机设备。

技术介绍

1、棉花是主要的经济作物之一，同时也是最费工费时的农作物之一。随着棉花生产机械化技术的快速发展和推广，棉花机械化采收已成为减轻劳动强度、提高植棉效益的重要途径。相比地面机械可能造成的棉田损伤和棉铃脱落，农用无人机喷施具有低成本、节水、高效率和对棉花无损伤等优势，在中国得到了越来越普遍的应用。但大量的研究和实践表明，在农业无人机喷洒作业中仍然存在一些问题。造成这一问题的一个重要原因，就是农用无人机进行航空喷施时，无法根据棉花的不同种植品种、生长情况和冠层参数，进行精确的航空施药。因此，发展高精度的棉花生长状态监测工具具有非常重要的意义。

2、现如今大田棉花冠层参数检测方法的主要难点在于：(1)棉花种植密度大，而且棉花生长结构具有多枝多叶、结构复杂的特点，不便于地面大范围测量；(2)棉花的冠层中枝叶之间存在相互遮挡，想要从外部直接重建冠层的遮挡结构比较困难。

技术实现思路

1、本专利技术的第一目的是为了克服以上现有技术存在的不足，提供了一种基于激光雷达的冠层内孔隙率测量方法。此基于激光雷达的冠层内孔隙率测量方法提高了扫描效率、丰富数据采集结果、减小对作物的侵入和节约投资，实现对棉花冠层结构的快速、准确测量。

2、本专利技术的第二目的是提供了一种基于激光雷达的冠层内孔隙率测量系统。

3、本专利技术的第三目的是提供了一种存储介质。

<p>4、本专利技术的第四目的是是提供了一种计算机设备。

5、本专利技术的第一目的通过以下的技术方案实现：本基于激光雷达的冠层内孔隙率测量方法，包括以下步骤：

6、s1、搭建无人机搭载激光雷达系统，并采用此无人机搭载激光雷达系统采集棉花田的双视角点云数据；

7、s2、通过滤除群点和去除地面点，以净化双视角点云数据；

8、s3、采用intrinsic shape signatures特征点和fast point featurehistograms描述子对双视角点云数据进行点云的粗配准，然后应用icp算法进行精配准；

9、s4、使用alphashape算法确定点云的凹包面积，使用graham算法确定点云的凸包面积，再对棉花冠层的分层孔隙率进行分析计算。

10、优选的，所述无人机搭载激光雷达系统包括无人机、激光雷达、雷达装载板、云台、机载电脑、电源和直流稳压器，所述雷达装载板安装于无人机的机臂，所述激光雷达通过云台安装于雷达装载板上，所述机载电脑通过转换器与激光雷达连接，所述电源通过直流稳压器与转换器连接，同时所述电源与机载电脑连接，所述机载电脑连接有移动热点。

11、优选的，步骤s1中采用无人机搭载激光雷达系统收集棉花田的双视角点云数据的具体过程如下：

12、设定无人机的飞行路线，且令无人机以一定的飞行高度和飞行速度进行飞行，在飞行过程中激光雷达对棉花田从左向右扫描的视角和从右向左扫描的视角进行双角度点云扫描，以形成双视角点云数据。

13、优选的，步骤s2包括以下具体步骤：

14、s21、通过slam建图算法fast-lio2获取imu和雷达位姿信息，对双视角点云数据进行矫正，得到棉花田的点云全局地图；

15、s22、使用cloudcompare软件中的roi功能选取点云中的感兴趣区域，去除无关联的背景点云；

16、s23、对点云全局地图中每个点进行k个邻域统计分析，计算该点到k个邻域点的平均点距离，假定得到的距离符合高斯正态分布，则将设定第一阈值m之外的平均点距离定义为离群点，并从数据集中剔除；

17、s24、选择三个点云的地面点拟合成一个二次曲面z0，计算邻近点的高程拟合值与实际值的差别，设置第二阈值ti判别地面点和作物点，进而去除地面点。

18、优选的，所述第一阈值m＝5，第二阈值ti＝5cm。

19、优选的，步骤s3中intrinsic shape signatures特征点选取基于局部点云曲率变化，曲率阈值设置为0.01m-1，icp算法的迭代次数设置为3。

20、优选的，步骤s4中孔隙率采用以下公式计算：

21、

22、其中，at(r)是棉花冠层不包含孔隙的凹包面积，棉花冠层包含孔隙的凸包面积。

23、本专利技术的第二目的通过以下的技术方案实现：基于激光雷达的冠层内孔隙率测量系统，包括数据采集模块和执行模块，

24、所述数据采集模块，用于采集棉花田的点云数据；

25、所述执行模块，用于执行第一目的所述的基于激光雷达的冠层内孔隙率测量方法。

26、本专利技术的第三目的通过以下的技术方案实现：存储介质，存储有程序，所述程序被处理器执行时，实现权利要求1～7中任一项所述的基于激光雷达的冠层内孔隙率测量方法。

27、本专利技术的第四目的通过以下的技术方案实现：计算机设备，包括处理器以及用于存储处理器可执行程序的存储器，所述处理器执行存储器存储的程序时，实现第一目的所述的基于激光雷达的冠层内孔隙率测量方法。

28、本专利技术相对于现有技术具有如下的优点：

29、1、非接触式数据采集方式减少了对作物的入侵，避免了对棉花生长的干扰。

30、2、提供了更全面的棉花表型信息，有助于更准确地监测棉花生长状态和预估产量。

31、3、高效率的数据采集和处理流程，大幅提高了数据采集的效率，降低了人力物力的投入。

32、4、为农药的精准喷雾等科学管理提供了重要的数据支持，有助于提高农业生产的效率和效益。

33、5、通过实施本专利技术，可以有效地提高棉花冠层结构分析的精度和效率，为精准农业提供强有力的技术支持。

本文档来自技高网...

【技术保护点】

1.基于激光雷达的冠层内孔隙率测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的基于激光雷达的冠层内孔隙率测量方法，其特征在于：所述无人机搭载激光雷达系统包括无人机、激光雷达、雷达装载板、云台、机载电脑、电源和直流稳压器，所述雷达装载板安装于无人机的机臂，所述激光雷达通过云台安装于雷达装载板上，所述机载电脑通过转换器与激光雷达连接，所述电源通过直流稳压器与转换器连接，同时所述电源与机载电脑连接，所述机载电脑连接有移动热点。

3.根据权利要求2所述的基于激光雷达的冠层内孔隙率测量方法，其特征在于：步骤S1中采用无人机搭载激光雷达系统收集棉花田的双视角点云数据的具体过程如下：

4.根据权利要求1所述的基于激光雷达的冠层内孔隙率测量方法，其特征在于：步骤S2包括以下具体步骤：

5.根据权利要求4所述的基于激光雷达的冠层内孔隙率测量方法，其特征在于：所述第一阈值m＝5，第二阈值Ti＝5cm。

6.根据权利要求1所述的基于激光雷达的冠层内孔隙率测量方法，其特征在于：步骤S3中Intrinsic Shape Signat

7.根据权利要求1所述的基于激光雷达的冠层内孔隙率测量方法，其特征在于：步骤S4中孔隙率采用以下公式计算：

8.基于激光雷达的冠层内孔隙率测量系统，其特征在于，包括数据采集模块和执行模块，

9.存储介质，存储有程序，其特征在于，所述程序被处理器执行时，实现权利要求1～7中任一项所述的基于激光雷达的冠层内孔隙率测量方法。

10.计算机设备，包括处理器以及用于存储处理器可执行程序的存储器，其特征在于，所述处理器执行存储器存储的程序时，实现权利要求1～7中任一项所述的基于激光雷达的冠层内孔隙率测量方法。

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【技术特征摘要】

1.基于激光雷达的冠层内孔隙率测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

3.根据权利要求2所述的基于激光雷达的冠层内孔隙率测量方法，其特征在于：步骤s1中采用无人机搭载激光雷达系统收集棉花田的双视角点云数据的具体过程如下：

4.根据权利要求1所述的基于激光雷达的冠层内孔隙率测量方法，其特征在于：步骤s2包括以下具体步骤：

5.根据权利要求4所述的基于激光雷达的冠层内孔隙率测量方法，其特征在于：所述第一阈值...

【专利技术属性】
技术研发人员：文晟，胡永健，陈小帅，罗少勇，麦燕清，黄高峰，刘展霖，邓智尹，李斯培，刘发港，
申请(专利权)人：华南农业大学，
类型：发明
国别省市：

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