齊亞聰,陳毅飛,楊會民,王學(xué)農(nóng),

(1.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,烏魯木齊 830052;2.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部林果棉裝備科學(xué)觀測實(shí)驗(yàn)站,烏魯木齊 830091;3.新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所 ,烏魯木齊 830091)

0 引 言

【研究意義】農(nóng)藥若得當(dāng)使用可以避免45%的農(nóng)產(chǎn)品的病蟲害損失[1]。農(nóng)藥有效利用率還不夠高[2]。變量噴霧技術(shù)根據(jù)傳感器探測到作物的具體特征信息,調(diào)整噴嘴的噴霧速率,精準(zhǔn)控制噴霧量[3]。因此,基于三維激光點(diǎn)云的靶標(biāo)探測系統(tǒng)研究與試驗(yàn),對提高農(nóng)藥利用率、實(shí)施變量噴霧有重要意義?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】變量噴霧的關(guān)鍵技術(shù)是靶標(biāo)的精確探測,常見的靶標(biāo)探測技術(shù)主要有紅外傳感器技術(shù)、超聲波傳感器技術(shù)、激光雷達(dá)傳感器技術(shù)等,就這幾種靶標(biāo)探測技術(shù)展開了研究[4-5]。紅外傳感器技術(shù)的原理是發(fā)射器發(fā)射紅外線,經(jīng)靶標(biāo)漫反射后由紅外接線收器接收,通過接收器的接收情況來判斷檢測范圍內(nèi)是否有靶標(biāo)存在,但紅外線易受光照影響[6]。超聲波傳感器的靶標(biāo)檢測裝置不僅可以探測到靶標(biāo)的有無,能粗略檢測其體積,但超聲波存在回波不穩(wěn)、易被干擾和測量精度低等問題[7-8]。激光雷達(dá)能夠以足夠的精度測量植物的幾何特征,使獲取作物的三維數(shù)字化圖像成為可能,可以獲得大量的植物信息,如高度、寬度、體積、葉面積指數(shù)和葉面積密度[9]。Gu Chenchen等[10]提出了一種基于激光探測和測距點(diǎn)云數(shù)據(jù)的冠層網(wǎng)格剖面特征分析方法,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明模擬的冠層剖面與人工測量的結(jié)果相似,測量所得的冠層體積的準(zhǔn)確率為93%,但在冠層稀疏的邊緣存在一定的差異。Medeiros等[11]采用移動平臺上的滑軌帶動激光雷達(dá)實(shí)現(xiàn)果樹測量,通過多次掃描獲得果樹冠層點(diǎn)云,完成果樹冠層的三維重建。管賢平等[12]搭建的基于機(jī)載激光雷達(dá)的農(nóng)作物表型探測系統(tǒng),該系統(tǒng)采用基于局部領(lǐng)域特征的分割方法,植株與地面的分類效果良好,與人工統(tǒng)計(jì)的數(shù)量相比,檢測的數(shù)量平均誤差為11.83%。吳志鵬等[13]搭建的基于雷達(dá)的果樹輪廓測量平臺,通過激光雷達(dá)采集果樹的三維點(diǎn)云,利用ICP(Iterative Closest Point,迭代最近點(diǎn)算法)算法實(shí)現(xiàn)雙側(cè)點(diǎn)云的配準(zhǔn),歐氏聚類算法分割獲取棗樹點(diǎn)云數(shù)據(jù),探測結(jié)果與手工測量的結(jié)果相比,相對誤差在4.08%,擬合效果較好。俞龍等[14]搭建的果樹冠層體積激光測量平臺,通過空間轉(zhuǎn)換果樹激光掃描點(diǎn)在大地坐標(biāo)系的三維數(shù)據(jù),采用切片技術(shù)提取冠層點(diǎn)云的面信息,用累加的計(jì)算方式得到冠層體積。試驗(yàn)證明,冠層激光檢測體積與人工測量的相對誤差約為5%。張美娜等[15]采用電控滑軌搭建的靶標(biāo)葉面積密度測量的平臺,試驗(yàn)結(jié)果表明,基于高斯函數(shù)、多項(xiàng)式函數(shù)與指數(shù)函數(shù)的擬合,相對誤差最小為11.05%。劉芳等[16]對三維激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)的樹冠體積估算的研究,對三維激光點(diǎn)云的數(shù)據(jù)進(jìn)行匹配、拼接、去噪與壓縮等處理,再提取冠層邊緣特征點(diǎn),最后利用TIN(Triangulated irregular network)原理計(jì)算冠層體積,與已有文獻(xiàn)進(jìn)行對比,平均相對誤差為1.75%?！颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】變量噴霧技術(shù)可以減少藥液浪費(fèi)。植株幾何參數(shù)信息的獲取,是實(shí)施變量噴霧的重要前提。需設(shè)計(jì)一種基于三維激光點(diǎn)云的靶標(biāo)探測系統(tǒng)、提出點(diǎn)云數(shù)量與葉面積之間存在線性關(guān)系的假設(shè)。對固定靶標(biāo)進(jìn)行掃描、點(diǎn)云數(shù)據(jù)保存、點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理、統(tǒng)計(jì)點(diǎn)云數(shù)量等?！緮M解決的關(guān)鍵問題】假設(shè)植株激光點(diǎn)云數(shù)量與葉面積之間存在線性關(guān)系。驗(yàn)證三維激光雷達(dá)作為變量噴霧系統(tǒng)探測部件的可行性、探究植株激光點(diǎn)云數(shù)量與植株葉面積的關(guān)系。

1 材料與方法

1.1 材 料

1.1.1 激光雷達(dá)模塊

試驗(yàn)系統(tǒng)選用北科天繪公司生產(chǎn)的R-Fans-32型激光雷達(dá)。該激光雷達(dá)基于高精度激光回波信號測量技術(shù),采用905 nm激光波長,可以有效抵抗環(huán)境背景光干擾,具備測程遠(yuǎn)、精度高、回波強(qiáng)度準(zhǔn)確等技術(shù)特點(diǎn)。通過32線360°掃描實(shí)現(xiàn)三維探測成像,對運(yùn)動振動以及溫濕度環(huán)境有較好的適應(yīng)能力。激光雷達(dá)發(fā)出探測激光束,當(dāng)激光束與物體相遇后會反射回來信號,將發(fā)出的信號與反射回來的信號進(jìn)行比較,利用激光的“飛行時間”來確定被掃描物體與激光雷達(dá)的距離,獲得靶標(biāo)點(diǎn)云數(shù)據(jù)[17]。圖1,表1

表 1 R-Fans-32 激光雷達(dá)參數(shù)

圖1 R-Fans-32激光雷達(dá)實(shí)物圖

1.1.2 步進(jìn)電機(jī)及其控制模塊

試驗(yàn)系統(tǒng)選用普菲德57BYG250B-8型步進(jìn)電機(jī)作為系統(tǒng)靶標(biāo)探測的動力裝置。該步進(jìn)電機(jī)步距角為1.8°,扭矩1.2 N·m,驅(qū)動電壓直流24 V。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器選用TB6600升級款,該驅(qū)動器是兩相混合式步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器,光耦合隔離信號輸入,抗干擾能力強(qiáng)。輸入電壓直流9～42 V,輸出電流0.5～3.5 A,32細(xì)分5檔可調(diào),提高了步進(jìn)電機(jī)精度。步進(jìn)電機(jī)控制器選用奕標(biāo)科技公司生產(chǎn)的中文可編程步進(jìn)電機(jī)控制器,型號為DKC-Y110-B44。控制步進(jìn)電機(jī)帶動滑臺的往返運(yùn)動,實(shí)現(xiàn)滑臺的速度和位置控制?；夁x用銳博公司生產(chǎn)的XG80,該滑軌承載力強(qiáng)、精度高、穩(wěn)定性好,滑軌總長度為1 500 mm。

1.2 方 法

1.2.1 變量噴霧系統(tǒng)結(jié)構(gòu)介紹

探測裝置位于變量噴霧系統(tǒng)最前端對植株信息進(jìn)行探測,噴霧裝置位于最后端進(jìn)行變量噴霧,兩者有一定距離,給噴霧裝置足夠的反應(yīng)時間。該噴霧裝置采用垂直噴霧的噴施方式,將噴霧寬度、噴霧高度、噴霧深度,作為一個噴施空間。該空間對應(yīng)的噴霧量隨著植株信息的改變而改變,變量噴霧系統(tǒng)就是噴霧裝置根據(jù)探測裝置探測到的植株信息實(shí)現(xiàn)變量噴霧作業(yè)。影響噴霧量的因素有植株的幾何特征參數(shù)、病蟲害程度等,參數(shù)都能與噴霧量建立數(shù)學(xué)模型。以三維激光雷達(dá)作為植株探測裝置,主要探測植株的幾何特征參數(shù),為變量噴霧系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)支撐。圖2

注:1.行走裝置;2.噴霧裝置;3.探測裝置;4.控制裝置

1.2.2 系統(tǒng)搭建

主要由激光雷達(dá)、滑軌、滑臺、計(jì)算機(jī)、24 V直流電源等組成。該系統(tǒng)以步進(jìn)電機(jī)控制器為核心的電機(jī)控制單元,對自動運(yùn)行狀態(tài)下的編程設(shè)計(jì),實(shí)現(xiàn)對步進(jìn)電機(jī)速度、位置的控制。首先將滑臺安裝在滑軌上,保證滑臺可以在滑軌上自由移動。將激光雷達(dá)固定在滑臺上,計(jì)算機(jī)通過以太網(wǎng)連接激光雷達(dá),并通過以太網(wǎng)控制和接受激光雷達(dá)的輸出數(shù)據(jù),激光雷達(dá)有唯一的設(shè)備編號和MAC地址(Media Access Control Address),與計(jì)算機(jī)在同一子網(wǎng)內(nèi)即可實(shí)現(xiàn)通訊。24 V直流電源為激光雷達(dá)和步進(jìn)電機(jī)等供電。圖3,圖4

圖 3 靶標(biāo)檢測試驗(yàn)系統(tǒng)

圖 4 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意

步進(jìn)電機(jī)控制器確定步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動軌跡通過程序編寫來完成。試驗(yàn)設(shè)定步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動軌跡是:上電步進(jìn)電機(jī)回零,以設(shè)定的速度進(jìn)行勻速運(yùn)動特定的距離,在此過程中,滑臺帶著激光雷達(dá)對靶標(biāo)進(jìn)行探測,并把探測到的數(shù)據(jù)傳送至計(jì)算機(jī)進(jìn)行儲存,以相同的速度返回到起始位置,跳出程序結(jié)束。該控制器既有步進(jìn)電機(jī)的位移和速度設(shè)定指令還有延時與跳轉(zhuǎn)指令,實(shí)現(xiàn)滑臺的往返運(yùn)行。

驗(yàn)證R-Fans-32激光雷達(dá)應(yīng)用于溫室變量噴霧系統(tǒng)的可行性、以及探究激光點(diǎn)云與葉面積之間的關(guān)系?；_較為平穩(wěn),排除外界條件對試驗(yàn)數(shù)據(jù)的影響,達(dá)到客觀驗(yàn)證R-Fans-32激光雷達(dá)探測植株三維點(diǎn)云準(zhǔn)確度的目的。因?yàn)榇思す饫走_(dá)要應(yīng)用在溫室變量噴霧系統(tǒng)上,所以采用室內(nèi)作為試驗(yàn)條件進(jìn)行試驗(yàn)。

1.2.3 葉面積與點(diǎn)云數(shù)量關(guān)系的計(jì)算

葉面積測量有直接法和間接法[18]。農(nóng)藥噴灑的目的就是將藥水準(zhǔn)確均勻的噴施到植株的每一片葉面上,噴霧量Q與葉面面積S存在函數(shù)關(guān)系,即Q=f(S),由于植株葉片之間相互遮擋導(dǎo)致直接用傳感器測量葉面積密度的效果也并不是很好[19]。葉面積S可以通過葉面積密度ρ和測量該區(qū)域空間體積V的乘積得到,即S=ρV。其中ρ是表示植株冠層疏密程度的,代表單位體積內(nèi)的葉面積(m2/m3)[20]。即:

(1)

假設(shè)測量區(qū)域空間內(nèi)V中的葉片有n個,每個葉片的面積為Si(i=1,2,……,n),測量區(qū)域空間內(nèi)的葉面積S為:

(2)

將式(2)帶入式(1)可得葉面積密度ρ為:

(3)

即當(dāng)測量區(qū)域空間V一定時,葉面積密度ρ隨著葉面積S的增大而增大。而且葉面積越大,激光雷達(dá)輸出的點(diǎn)云就越多。即葉面積密度ρ可以由激光點(diǎn)云密度ρp來表示,激光點(diǎn)云密度ρp的計(jì)算方法為:

(4)

其中np為探測區(qū)域體積V內(nèi)的點(diǎn)云個數(shù),nmax為探測區(qū)域體積V內(nèi)點(diǎn)云的理論最大值。點(diǎn)云密度ρp隨著探測區(qū)域內(nèi)點(diǎn)云個數(shù)np的增大而增大。

式(1)(2)(3)(4)中,體積V、葉面積S、均可以通過測量和計(jì)算得出,要確定葉面積密度ρ與點(diǎn)云密度ρp之間的函數(shù)關(guān)系現(xiàn)只需要確定葉面積S和點(diǎn)云個數(shù)np之間的關(guān)系即可。

1.3 試 驗(yàn)

1.3.1 系統(tǒng)精度試驗(yàn)驗(yàn)證

試驗(yàn)靶標(biāo)為番茄植株。用卷尺測量每株番茄苗的高度,方便與激光雷達(dá)系統(tǒng)測量的高度進(jìn)行對比。試驗(yàn)時,滑臺帶動激光雷達(dá)以0.5 m/s的速度運(yùn)動,設(shè)置激光雷達(dá)的掃描頻率為10 Hz,采集不同番茄植株的點(diǎn)云信息,待探測的植株與滑軌中心的距離1.0 m。每次激光雷達(dá)探測的植株點(diǎn)云數(shù)據(jù)儲存在計(jì)算機(jī)中,保存成.xyz格式。便于后期對所得的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析。對每株番茄苗進(jìn)行2次重復(fù)試驗(yàn),將2次試驗(yàn)結(jié)果的平均值作為最終試驗(yàn)結(jié)果。圖5,表2

1.3.2 激光點(diǎn)云的獲取與處理

激光雷達(dá)采用的是激光時間飛行原理,可以掃描范圍內(nèi)所有區(qū)域,并根據(jù)范圍內(nèi)的各個點(diǎn)與激光雷達(dá)的相對位置,返回測量值。測量數(shù)據(jù)為極坐標(biāo)形式,返回值是被測量物體與激光雷達(dá)之間距離和與激光雷達(dá)的相對角度[21]。計(jì)算激光雷達(dá)某一方向的點(diǎn)坐標(biāo)(x,y,z),具體計(jì)算公式如下:

A=-ωt-ω×ΔT-β.

(5)

X=R×cosθ×cosA.

(6)

圖 5 番茄植株實(shí)物

Y=R×cosθ×sinA.

(7)

Z=R×sinθ.

(8)

式中,A為雷達(dá)中激光發(fā)生器偏轉(zhuǎn)角度,R為該點(diǎn)回波距離、θ為垂直角度、β為水平角度、ω為瞬時角速度、ΔT為激光從發(fā)射到接受的時間差。

列出點(diǎn)云數(shù)據(jù)獲取以及處理的主要過程。圖6

圖 6 點(diǎn)云數(shù)據(jù)獲取與處理流程

(1)激光點(diǎn)云的獲取。使用探測系統(tǒng),分別對10株番茄苗進(jìn)行探測,先將平臺安裝好,進(jìn)行調(diào)試。將激光雷達(dá)的掃描起始角度設(shè)置為-90°,掃描終止角度為+90°,將步進(jìn)電機(jī)控制器調(diào)至自動運(yùn)行狀態(tài),按下開關(guān),運(yùn)行激光雷達(dá),使用激光雷達(dá)的上位機(jī)(計(jì)算機(jī))軟件CtrlView顯示點(diǎn)云并將點(diǎn)云數(shù)據(jù)以.xyz的格式進(jìn)行儲存。圖7

圖 7 番茄植株點(diǎn)云示意

(2)靶標(biāo)部分剪切提取。激光雷達(dá)獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)是整個區(qū)域的點(diǎn)云數(shù)據(jù),要對特定區(qū)域內(nèi)的靶標(biāo)進(jìn)行分析,將靶標(biāo)區(qū)域進(jìn)行剪切提取。使用Cloud Compare軟件導(dǎo)入上位機(jī)(計(jì)算機(jī))軟件CtrlView所保存的點(diǎn)云數(shù)據(jù),調(diào)整裁剪框的范圍和方向來裁剪點(diǎn)云,除去非靶標(biāo)點(diǎn)云。圖8

圖 8 分割后的點(diǎn)云示意

(3)點(diǎn)云濾波去噪處理。在獲取點(diǎn)云的過程中,由于設(shè)備精度的限制、周圍環(huán)境條件、操作者經(jīng)驗(yàn)帶來的誤差等因素的影響。點(diǎn)云噪聲一般由離群點(diǎn)和噪聲點(diǎn)產(chǎn)生的,所謂點(diǎn)云去噪就是以某一點(diǎn)為圓心畫一個圓計(jì)算落在圓中的點(diǎn)云數(shù)量,當(dāng)數(shù)量值大于給定值就保留該點(diǎn),當(dāng)數(shù)量值小于給定值就判定為無效點(diǎn)則刪除該點(diǎn),點(diǎn)云的濾波可以去除一部分噪聲點(diǎn)[22]。使用高斯濾波對點(diǎn)云進(jìn)行濾波處理,高斯濾波是對點(diǎn)云進(jìn)行平滑處理,以便于真實(shí)反映被測物體的形貌特征[23]。圖9

圖 9 去噪后的點(diǎn)云示意

(4)植株冠層高度測量。利用LiDAR360軟件的高度測量功能對單株番茄苗的點(diǎn)云高度進(jìn)行測量,計(jì)算植株點(diǎn)云中最高點(diǎn)和最低點(diǎn)的垂直距離,得到植株的高度。

(5)統(tǒng)計(jì)點(diǎn)云數(shù)量。查看點(diǎn)云的數(shù)據(jù)信息。

表 2 系統(tǒng)探測植株高度

1.3.3 葉面積計(jì)算

常用的單葉葉面積直接測量法主要有網(wǎng)格法、稱重法、葉面積儀法、鮮重法以及打孔稱重法等。網(wǎng)格法操作繁瑣、效率低下、精度尚可。葉面積儀法操作簡單、精度較高[24]。采用CL-202植物葉面積儀來測算番茄植株的葉面積。表3

表3 CL-202植物葉面積儀參數(shù)

單株作物葉面積測量方法有單葉片累加法、抽樣回歸法、圖像處理法[25]。根據(jù)番茄葉片大小分為大、中、小三種類型,面積分別記為S1、S2、S3。每株番茄苗上的三種類型分別采摘5片,用植物葉面積儀測量面積后取平均數(shù)記錄。每株上面各類型葉片的數(shù)量分別記為N1、N2、N3,每種類型對應(yīng)的面積與數(shù)量相乘,最后將各類型葉面積相加計(jì)算總面積S,即:

S=S1N1+S2N2+S3N3.

(9)

計(jì)算植物葉面積儀測量葉面積與函數(shù)擬合葉面積的相對誤差

(10)

式中,Sc為經(jīng)擬合函數(shù)方程計(jì)算所得的葉面積,Sc為植物葉面積儀測量所得葉面積。表4,圖10

表 4 植物葉面積儀測量與系統(tǒng)探測

圖10 CL-202植物葉面積儀

2 結(jié)果與分析

2.1 植株高度探測值與測量值線性模型

研究表明,線性模型Y=0.84X+0.122,R2=0.864 4,其中手工測量值為X,系統(tǒng)測量值為Y。根據(jù)激光雷達(dá)技術(shù)指標(biāo)可得,測距精度0.03 m,系統(tǒng)測量高度與手工測量高度最大誤差為0.08 m,最大相對誤差為7.92%。圖11

圖 11 植株高度探測值與測量值線性模型

2.2 葉面積與點(diǎn)云數(shù)的線性模型

研究表明,擬合方程為Y=0.855 6X+131.51,其中X為植物葉面積儀測量所得葉面積,Y為點(diǎn)云數(shù)。擬合度為0.780 5,擬合效果較好。植物葉面積儀測量計(jì)算所得的葉面積與經(jīng)擬合函數(shù)方程計(jì)算所得的葉面積之間最大相對誤差為5.60%。圖12

圖12 葉面積與點(diǎn)云數(shù)的線性模型

3 討 論

3.1系統(tǒng)與俞龍等[7]系統(tǒng)相比,能夠直接計(jì)算葉面積大小,計(jì)算葉面積的大小比計(jì)算冠層體積更能體現(xiàn)作物的實(shí)際生長情況,更加符合變量噴霧的需求。而且激光雷達(dá)相較于超聲波在靶標(biāo)探測方面具有明顯優(yōu)勢,可以快速無損的獲取較為真實(shí)準(zhǔn)確的靶標(biāo)信息,受外界環(huán)境制約較小。

3.2系統(tǒng)與張美娜等[15]系統(tǒng)在方法上相比,雖然二者都是采用激光雷達(dá)進(jìn)行探測,但本系統(tǒng)采用三維激光雷達(dá)可以直接獲取作物的三維激光點(diǎn)云,而后者采用二維激光雷達(dá)只能間接獲取三維激光點(diǎn)云,研究系統(tǒng)減少了人工處理點(diǎn)云數(shù)據(jù)的誤差,提高了系統(tǒng)探測的適應(yīng)性和準(zhǔn)確性。

3.3實(shí)際的生長環(huán)境中,由于番茄苗枝葉的互相遮擋、各個葉片的傾斜角度不同、溫室地面不平、探測系統(tǒng)振動等,都會導(dǎo)致激光雷達(dá)探測到的葉面積與實(shí)際葉面積有一定偏差。今后應(yīng)對植株進(jìn)行冠層形貌統(tǒng)計(jì)學(xué)分析,引入正確的作物形態(tài)校正系數(shù),使用激光雷達(dá)探測的點(diǎn)云數(shù)與植株形態(tài)校正系數(shù)的組合模型表征葉面積參數(shù)來補(bǔ)償測量值與真實(shí)值之間的誤差。

4 結(jié) 論

4.1設(shè)計(jì)一種驗(yàn)證激光雷達(dá)應(yīng)用于溫室變量噴霧可行性的試驗(yàn)系統(tǒng),該系統(tǒng)可以獲取并保存植株的點(diǎn)云數(shù)據(jù),植株點(diǎn)云數(shù)據(jù)經(jīng)過后期軟件處理得到植株的高度,可以較為準(zhǔn)確的預(yù)測植株葉面積,驗(yàn)證該系統(tǒng)的探測性能以及用于變量噴霧系統(tǒng)的可行性。

4.2提出一種基于激光點(diǎn)云測量葉面積的方法,通過對植株采集點(diǎn)云來估算植株葉面積。采用線性模型對葉面積與點(diǎn)云數(shù)進(jìn)行擬合,擬合度為0.780 5,葉面積與點(diǎn)云數(shù)存在函數(shù)關(guān)系,經(jīng)系數(shù)變換可得到點(diǎn)云密度與葉面積密度也存在函數(shù)關(guān)系。即可以根據(jù)探測得到的激光點(diǎn)云來指導(dǎo)變量噴霧系統(tǒng)進(jìn)行噴霧作業(yè)。