专利名称：农作物植株高度的检测方法
技术领域：
本发明涉及一种农作物植株高度的检测方法。
技术背景随着农业机械化进程的不断推进，机械自动化也越来越多的应用于农业生 产中。对于棉花等农作物，其摘顶作业就是对作物的顶端操作。农作物植株高 度的检测方法就是针对农业机械化的一些自动化操作而产生的。目前，大多数的各种农业机器采用人工手动操作，不仅效率低，而且可靠 性差。例如，传统的农作物机械化摘顶一般采用"一刀切"技术，即刀具在设 定的高度摘除农作物植株的顶部嫩芽。由于生长中的农作物植株高度不均匀， 采取"一刀切"技术使得部分植株摘除过多的顶部枝条，影响植株的生长；也 可能使得另一部分植株没有摘除顶部嫩芽。常见的植株高度检测方法有超声波 测量和机器视觉技术。超声波用于测量植株高度存在顶部难以捕捉，植株间相 互会产生干涉，因此造成测量的结果不稳定，存在较大的误差。机器视觉技术 则存在识别效率低、成本高和实时性差，难以在实际中应用。 发明内容本发明的目的是提出一种农作物植株高度的检测方法，该方法借助光电扫 描系统连续扫描农作物，由此提取每棵农作物植株的高度。 本发明采用的技术方案包括下列步骤1) 光电扫描系统连续扫描农作物，采用自上而下地扫描光接收器的状态，从 提取当前位置植株的边缘高度数据；2) 用曲线拟合这组高度数据，获得农作物顶部的轮廓线；3) 计算农作物顶部轮廓线的波峰，作为对应农作物的植株高度，同时记下波 峰所在的位置。所述的光电扫描系统由一组竖直排列的光发生器和对应的光接收器组成，它 们分别安装在农作物植株的两侧。所述的光发生器为发光二极管、激光或红外发生器。所述的曲线拟合采用B-样条曲线、Bezier曲线或多项式曲线拟合一组高度数 据，获得农作物顶部的轮廓线，然后计算轮廓线的波峰作为相对应的植株高度， 同时记下波峰所在的位置。本发明具有的有益效果是本发明的方法精度更高，稳定性更好，且具备更好的实用性。如果把该方 法应用到农作物摘顶作业中，这样就可以避免"一刀切"所带来的弊端，实现 对每棵农作物按其植株高度摘顶，更加符合农作物摘顶的要求。本发明植株高 度的检测方法不仅可以用在农作物机械化作业中，例如，摘顶作业，还可以用 来观察农作物的生长情况。
图1是本发明的植株高度检测示意图。图2是本发明的植株边缘高度数据图。 图3是本发明计算后的植株顶部轮廓线和轮廓线波峰。 图1中1、光发生器，2、光接收器。
具体实施方式
如图1所示，本发明的检测装置包括一组竖直排列的光发生器1和光接收 器2，光发生器可以使用发光二极管、激光或红外发生器。光发生器和光接收器 一一对应，且对应的光发生器和光接收器处在同一高度。在检测过程中，光发 生器始终处于开启状态。如果光发生器和光接收器之间不存在农作物的枝条或 者叶子，则光接收器能够接收到来自光发生器的光源，显示状态l;反之，则显 示状态0。搜索状态为0的位于最高点的光接收器，该光发生器所在的高度作为 当前植株的边缘高度数据。为了准确、快速地获得当前植株的边缘高度数据， 采用自上而下的扫描光接收器的状态，如果扫描到一个状态为0的光接收器， 则停止扫描，同时保存高度数据，记录当前位置；否则继续扫描下一个光接收 器的状态。应用以上方法连续扫描一定间距的农作物，得到一组高度数据以及 对应的位置。获得的农作物植株的边缘高度数据如图2所示，假设采用B-样条曲线拟合 农作物顶部轮廓线，拟合过程如下如果轮廓线的高度数据点集2-^(x^):户0，l,…,m)在B样条曲线上，则有方程力=2病'""))，/ = l，2，"'，w (1)i'=0其中"》M),l,…,m)是数据点必对应的参数值，可以根据规范积累弦长参数化决定。令(Hkn"l， (/=1，2广.,附)，丄=|>,，有w; = 0〃 (2) w二 =Z/〃Z / = 1，2，.'.,附'=1为了决定B样条基函数7Vo(")，必须给出节点矢量^=["。， "l5， ""+w]。 根据端点插值与曲线定义域要求，采用定义域两端节点为A+l重的重节点端点条件，也即固支条件。于是有"0 = ^=…^=0， Ww+i=M +2=…=W ^+i = l。 定义域共包含W —壯1个节点区间，其节点值的选取应反映数据点参数值")的分 布情况，可按如下决定。设c是一个正实数，/二int(。表示了 kc的最大整数。令(3)则定义域的内节点为义、， ， 7 = 1，2广.,"-* (4) = (1 一 ^)K-i +叫按如上决定的内节点保证了定义域每个节点区间至少包含一个^。 将式(i)写成矩阵形式有2 = iV./ (5)其中g是包含m个数据点的wX2矩阵，iV是rXw的B样条基函数系数矩阵， 户是包含"个未知控制顶点的wX2矩阵，当iK"〈m时，式(5)是一个超定线 性方程组，用最小二乘法求解i^(A^7V)一iV^ (6)得到植株的顶部轮廓线a")，如图3所示。由于农作物是按一定间距播种的，且不同植株之间生长情况各不相同，因 此农作物顶部轮廓线呈现波浪形，其中波形的波长近似于植株生长的间距，波 峰为单棵农作物的植株高度。通常情况下，扫描完多棵植株后再对这些高度数 据进行分析，因此一条农作物的顶部轮廓线中包含了多棵植株的植株高度。针 对这种情况，必须提取所有农作物的植株高度。为了有效地提取农作物的所有 植株高度，首先按植株生长的间距划分顶部轮廓线，这就保证了每段曲线中有且只有一个波峰；然后分别计算各个分段曲线中的波峰。对于曲线的波峰必须 满足该点在曲线上的导数为O，且该点的数值比其附近的点的数值大。计算公式 如下<formula>formula see original document page 6</formula>(7)由式(7)可知顶部轮廓线上参数M,对应的点即为其中一棵植株的最高点。最后得到农作物的植株高度数据如图3所示。
权利要求
1.一种农作物植株高度的检测方法，其特征在它的具体步骤如下1)光电扫描系统连续扫描农作物，采用自上而下地扫描光接收器的状态，从提取当前位置植株的边缘高度数据；2)用曲线拟合这组高度数据，获得农作物顶部的轮廓线；3)计算农作物顶部轮廓线的波峰，作为对应农作物的植株高度，同时记下波峰所在的位置。
2. 根据权利要求1所述一种农作物植株高度的检测方法，其特征在于所 述的光电扫描系统由一组竖直排列的光发生器和对应的光接收器组成，它们分 别安装在农作物植株的两侧。
3. 根据权利要求2所述的一种农作物植株高度的检测方法，其特征在于 所述的光发生器为发光二极管、激光或红外发生器。
4. 根据权利要求1所述的一种农作物植株高度的检测方法，其特征在于 所述的曲线拟合采用B-样条曲线、Bezier曲线或多项式曲线拟合一组高度数据， 获得农作物顶部的轮廓线，然后计算轮廓线的波峰作为相对应的植株高度，同 时记下波峰所在的位置。
全文摘要
本发明公开了一种农作物植株高度的检测方法。光电扫描系统连续扫描农作物，采用自上而下地扫描光接收器的状态，从而提取当前位置植株的边缘高度数据；用曲线拟合这组高度数据，获得农作物顶部的轮廓线；计算农作物顶部轮廓线的波峰，作为对应农作物的植株高度，同时记下波峰所在的位置。检测到的植株高度可以用来控制农作物的各种机械化操作，比如摘顶时刀具的定位，还可以了解农作物的生长情况。本发明的方法能检测每棵农作物的植株高度，应用在农作物的摘顶作业中避免了“一刀切”的弊端；该方法稳定性好，操作简单，具有很大的优越性。
文档编号G01B11/00GK101216288SQ200810059040
公开日2008年7月9日 申请日期2008年1月7日 优先权日2008年1月7日
发明者张宏文, 武传宇, 贺磊盈, 匀 赵 申请人:浙江理工大学