【摘要】：精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)是通過精細(xì)調(diào)整農(nóng)作物的管理措施,來達(dá)到經(jīng)濟(jì)效益的最大化,而精準(zhǔn)作業(yè)的前提和關(guān)鍵是農(nóng)作物幾何特征準(zhǔn)確探測。本文基于激光雷達(dá)(Light Detection And Ranging,LiDAR)技術(shù),針對大田和溫室不同環(huán)境的農(nóng)作物探測需求,分別構(gòu)建出合適的LiDAR系統(tǒng)。在獲取單株植株高度時(shí),對于大田壟上種植大豆作物,具有地面平整度差異大、枝葉交叉嚴(yán)重的特點(diǎn),研究了提取單株作物點(diǎn)云以計(jì)算幾何特征的數(shù)據(jù)處理方法。同時(shí),由于激光不能采集到單株作物根部,研究了對單株作物根部測點(diǎn)的估計(jì)方法。實(shí)現(xiàn)單株作物準(zhǔn)確分割和高度、體積等幾何參數(shù)提取。主要研究內(nèi)容包括:(1)構(gòu)建了適用于大田作物形貌高效獲取的三維LiDAR探測系統(tǒng)。針對大田作物幾何特征準(zhǔn)確高效獲取時(shí),具有作物面積大、地形復(fù)雜、車載探測路徑局限較大等特點(diǎn),提出了輕量化的機(jī)載LiDAR探測系統(tǒng)方案。準(zhǔn)確體現(xiàn)在,VLP-16型激光掃描儀精度為3cm,SPAN-IGM-A1型組合導(dǎo)航測量單元數(shù)據(jù)更新頻率為200Hz,差分GNSS(GPS+BDS)頻率20Hz,和IE(Inertial Explorer)位姿解算軟件的應(yīng)用。無人機(jī)平臺(tái)最大移動(dòng)速度為18m/s,激光掃描儀每秒可獲取30萬個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)。系統(tǒng)集成后搭載部分總質(zhì)量約3.6kg,滿足機(jī)載探測小于6kg的要求。通過安置誤差檢校試驗(yàn),對多源傳感器安裝姿態(tài)角誤差進(jìn)行了矯正,并進(jìn)行了精度驗(yàn)證試驗(yàn)。精度驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果表明:系統(tǒng)在系統(tǒng)前進(jìn)方向尺寸1000cm的誤差值為3.1cm;在垂直于作物行方向尺寸400cm的誤差值為6.2cm;在垂直于地面方向上,角度75°的誤差值為0.6°,可實(shí)現(xiàn)作物幾何特征的準(zhǔn)確探測。為了兼顧車載探測,設(shè)計(jì)了移動(dòng)測量端的通用安裝支架和輪式遙控移動(dòng)平臺(tái)。(2)提取單株大豆點(diǎn)云,計(jì)算植株幾何參數(shù)。針對大田壟上種植模式地面平整度差異大特點(diǎn),提出先提取單株作物點(diǎn)云再計(jì)算作物幾何特征計(jì)算方法。首先,將作物和地面分割,提出基于點(diǎn)云鄰域局部特征的分割方法。其次,針對作物個(gè)體間枝葉交叉,分割困難的問題,使用均值漂移算法并參考植株種植特點(diǎn)進(jìn)行植株個(gè)體分割。為了估計(jì)植株底部測點(diǎn),將單株聚類中心投影至地面點(diǎn)云擬合的曲面。采用alpha-shape算法對作物進(jìn)行三維重建,以便于進(jìn)行單株作物的體積統(tǒng)計(jì)。結(jié)果顯示,基于點(diǎn)云鄰域局部特征的方法可以實(shí)現(xiàn)AUC值為0.9944的地面與作物分割效果,當(dāng)均值漂移算法帶寬H=20cm時(shí),實(shí)現(xiàn)了最優(yōu)單株提取效果。使用本文提出的作物高度計(jì)算方法高度最大相對誤差由17.66%下降到-2.87%,提取最大誤差為7cm,實(shí)現(xiàn)了有效的單株作物幾何參數(shù)提取。(3)構(gòu)建了擺頭式二維LiDAR探測系統(tǒng)。針對溫室中GPS信號(hào)缺失、應(yīng)用三維LiDAR成本高的問題,本文根據(jù)溫室結(jié)構(gòu)環(huán)境特點(diǎn)和變量噴霧機(jī)探測需求,構(gòu)建了擺頭式二維LiDAR探測系統(tǒng)。系統(tǒng)集成了舵機(jī)、二維激光測距儀UTM-30LX-EW、姿態(tài)傳感器、里程計(jì)等主要硬件。開展了數(shù)據(jù)融合和軟件系統(tǒng)開發(fā),并開展了二維LiDAR探測系統(tǒng)探測精度的試驗(yàn)驗(yàn)證。結(jié)果顯示,系統(tǒng)探測精度最大相對誤差為-12.9%,尺寸為77.7cm時(shí),最大絕對誤差為10cm,可用于溫室對靶施藥。
【學(xué)位授予單位】：江蘇大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：S127
【圖文】：

圖 1.1 田間花生冠層高度獲取系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Structure diagram of peanut canopy height information acquisition sy J R 等[32]使用 LMS200 型激光測距儀構(gòu)建了梨園二維激 1.2 所示。通過垂直于掃描平面的恒速運(yùn)動(dòng)生成三維點(diǎn)得為 0.556m/s。圖 1.2 梨園二維激光雷達(dá)掃描系統(tǒng)Figure1.2 2D lidar scanning system in pear orchard

圖 1.2 梨園二維激光雷達(dá)掃描系統(tǒng)Figure1.2 2D lidar scanning system in pear orchard，Sanz R 等[33]同樣使用 LMS200 型以 0.278m/s 至 0.58，重建了果園的三維形態(tài)。ng S 等[34]使用 LMS511 型二維激光測距儀和實(shí)時(shí)差分 G獲取系統(tǒng)，安裝在拖拉機(jī)后部，如圖 1.3 所示。并使用 La獲取軟件，用以控制數(shù)據(jù)的讀寫。使用 GPS 信息與二維5-37]，可以解決編碼器產(chǎn)生誤差的問題，獲得精確的三維

圖 1.3 實(shí)時(shí)差分 GPS 的二維激光探測系統(tǒng)Figure1.3 2D laser detection system based on RTK-GPS-Berni J A 等[38]設(shè)計(jì)了一款以 LMS400-2000 型激光測 GPS 的便攜式測量平臺(tái)，提高了作物育種時(shí)生物量測圖 1.4 Phenomobile Lite 便攜式測量平臺(tái)Figure1.4 Phenomobile Lite portable measuring platform

【參考文獻(xiàn)】

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1 劉明峰;胡先朋;廖宜濤;廖慶喜;萬星宇;冀牧野;;不同油菜品種適栽期機(jī)械化移栽植株形態(tài)特征研究[J];農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào);2015年S1期

2 田祥瑞;徐立軍;徐騰;李小路;張勤拓;;車載LiDAR掃描系統(tǒng)安置誤差角檢校[J];紅外與激光工程;2014年10期

3 張瑜;汪小e

本文編號(hào)：2795226