一种基于激光雷达点云技术的植物叶面积指数测定方法
【专利摘要】本发明涉及一种基于激光雷达点云技术的植物叶面积指数测定方法，与现有技术相比解决了叶面指数测定效率低、环境要求高的缺陷。本发明包括以下步骤：获取植物冠层的三维激光点云数据；点云数据的分割；植物边缘轮廓之内的点云图分类；对所有植物分别计算其半侧植物的体积
；统计击中点的点数；统计击穿点的比例；利用反演计算出叶面积指数。本发明利用地面激光雷达测量系统生成的三维点云数据，结合计算机图形学技术，从点云图像中获取叶面积指数计算所需的相关参数并进行多元线性回归处理，从而计算叶面积指数。
【专利说明】一种基于激光雷达点云技术的植物叶面积指数测定方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及植物叶面积指数测定【技术领域】，具体来说是一种基于激光雷达点云技 术的植物叶面积指数测定方法。
【背景技术】
[0002] 叶面积指数是指一块土地上作物叶片的总面积与土地面积的比值，是生态学研宄 的关键参数之一，具有重要的理论价值与实际价值。目前树木的页面指数的测量方法大多 为间接法，即利用仪器设备测量与叶面积指数相关的其他参数，再通过计算求得叶面积指 数，而并非直接依照叶面积指数的定义进行测量。例如专利号为CN200810166822的文件提 出利用统计落叶的相关参数来求取大面积林地的叶面积指数，但是这种方法无法在树木的 生长期进行统计，且对测量环境要求苛刻（风速，树叶含水率）也很费时费力。
[0003] 另外一种叶面积指数的测量方法主要是依靠间接光学模型测量法，S卩，主要研宄 空隙率，即冠层内太阳辐射未被截取的概率，从而出现了一系列基于空隙率分析的冠层叶 面积指数分析仪器，例如专利号为CN201010136947的文件提出采用冠层分析仪。然而这种 测量方法在每次测量前均需要做大量准备工作包括校对仪器、测量时间的选择（仅限于正 午）、光照强度的限制、方位角校正等。每次测量准备时间长，冠层分析仪拍照之后需要在计 算机中对图像进行后处理，无法实时获取测量结果，因此有必要设计一种新型的测量方法 以满足智能农业中边测量边施药的新需求。
[0004] 虽有少量采用直接法测量的技术，如专利号为CN201110169182和 CN201210004979的文件，利用激光传感器测量树叶的层数，从而计算叶面积指数。但是这种 方法存在激光的发射端发射激光穿过叶片到达接收端这一过程，由于机械结构的限制很难 做得够大以方便测量高大的树木，在每次测量过程中都得按照每个树冠的形状调整测量时 所走的路径，测量速度慢，效率不够高。
[0005] 如何开发出一种测量效率高、适用环境广的叶面积测定方法已经成为急需解决的 技术问题。
【发明内容】
[0006] 本发明的目的是为了解决现有技术中叶面指数测定效率低、环境要求高的缺陷， 提供一种基于激光雷达点云技术的植物叶面积指数测定方法来解决上述问题。
[0007] 为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：
[0008] 一种基于激光雷达点云技术的植物叶面积指数测定方法，包括以下步骤：
[0009] 获取植物冠层的三维激光点云数据，利用二维激光雷达和移动机器人沿着植物冠 层的侧面进行扫描，获取每一帧图像拍摄时的三维坐标以及扫描目标点的三维空间坐标信 息，将每一帧图像拼接起来，构成三维点云图像；
[0010]点云数据的分割，沿用采样时的坐标系，利用二维激光雷达和植物的位置关系，对 植物边缘轮廓之外的点云图进行分类，将植物边缘轮廓之外的点云图从地面、背景杂物、天 空无穷远处的点云中分离出来；植物边缘轮廓之内的属于地面、背景杂物、天空无穷远处的 点云依然保留在点云图中；
[0011] 植物边缘轮廓之内的点云图分类，对于植物边缘轮廓之内的所有点，以雷达行进 直线到植物树干所在平面的倾角对应的距离为划分，小于此距离的标记为击中，大于此距 离的标记为击穿；
[0012] 对所有植物分别计算其半侧植物的体积Vhalf，通过切片的每个微元的面积Si计算 出每个切片的总面积Sftame，从而计算出半侧植物的体积Vhalf;
[0013] 统计击中点的点数，对点云图中所有标记为击中的点进行计数，累加得到击中点 的数目为I;
[0014] 统计击穿点的比例，对点云图中所有标记为击穿的点进行统计，计算出击穿点的 比例Z;
[0015] 利用反演计算出叶面积指数，利用线性回归的方法求取同一地区同一植物在某段 较短时间内的四个参数，计算同一地区同一植物的叶面积指数LAI。
[0016] 所述的对所有植物分别计算其半侧植物的体积Vhalf包括以下步骤：
[0017] 对于某一帧上所扫描的切片，计算切片的每个微元的面积，其计算公式如下：
[0018]
【权利要求】
1. 一种基于激光雷达点云技术的植物叶面积指数测定方法，其特征在于，包括以下步 骤： 11) 获取植物冠层的三维激光点云数据，利用二维激光雷达和移动机器人沿着植物冠 层的侧面进行扫描，获取每一帧图像拍摄时的三维坐标以及扫描目标点的三维空间坐标信 息，将每一帧图像拼接起来，构成三维点云图像； 12) 点云数据的分割，沿用采样时的坐标系，利用二维激光雷达和植物的位置关系，对 植物边缘轮廓之外的点云图进行分类，将植物边缘轮廓之外的点云图从地面、背景杂物、天 空无穷远处的点云中分离出来；植物边缘轮廓之内的属于地面、背景杂物、天空无穷远处的 点云依然保留在点云图中； 13) 植物边缘轮廓之内的点云图分类，对于植物边缘轮廓之内的所有点，以雷达行进直 线到植物树干所在平面的倾角对应的距离为划分，小于此距离的标记为击中，大于此距离 的标记为击穿； 14) 对所有植物分别计算其半侧植物的体积Vhalf，通过切片的每个微元的面积Si计算 出每个切片的总面积Sftame，从而计算出半侧植物的体积Vhalf; 15) 统计击中点的点数，对点云图中所有标记为击中的点进行计数，累加得到击中点的 数目为I; 16) 统计击穿点的比例，对点云图中所有标记为击穿的点进行统计，计算出击穿点的比 例Z; 17) 利用反演计算出叶面积指数，利用线性回归的方法求取同一地区同一植物在某段 较短时间内的四个参数，计算同一地区同一植物的叶面积指数LAI。
2. 根据权利要求1所述的一种基于激光雷达点云技术的植物叶面积指数测定方法，其 特征在于：所述的对所有植物分别计算其半侧植物的体积Vhalf包括以下步骤： 21) 对于某一帧上所扫描的切片，计算切片的每个微元的面积，其计算公式如下：
其中Smb为二维激光雷达至植物的中心线所形成三角形的面积，Sra为二维激光雷达至 植物的树冠最近处所形成三角形的面积，OA和OB为二维激光雷达与植物中心线之间的两 根相邻的激光扫描线距离，OC和OD为二维激光雷达与植物树冠最近处之间的两根相邻的 激光扫描线距离；Θ为两根相邻的激光扫描线之间的夹角； 22) 计算每个切片的总面积，其计算公式如下：
23) 通过累加计算整个半侧植物的体积，其计算公式如下： Vhalf=ESAS，其中Λs为激光雷达两次扫描帧之间前进的距离。
3. 根据权利要求1所述的一种基于激光雷达点云技术的植物叶面积指数测定方法，其 特征在于，所述的统计击穿点的比例Z包括以下步骤： 31)对点云图中所有标记为击穿的点进行计数，累加得到击穿点的总数为Ztl; 32)计算击穿点的比例Z，其计算公式如下： Z=z0/ (z0+I)X100 % 〇
4.根据权利要求1所述的一种基于激光雷达点云技术的植物叶面积指数测定方法，其 特征在于，所述的利用反演计算出叶面积指数包括以下步骤： 41) 选择一定数量的样本植物，对样本植物进行人工取样测量或使用冠层分析仪测量， 获取样本植物内单棵植物准确的叶面积指数LAItl; 42) 对样本植物建立多元线性回归模型，利用样本植物的叶面积指数LAIci计算出体积 因子A、击中因子B、击穿因子C、修正值D，其公式如下： LAI0=AXVhalf+BXI+CXZ+D， 其中，LAItl为个体准确的叶面积指数、I为击中点的数目、Z为击穿点的比例、Vhalf为半 侧植物的体积； 43) 利用体积因子A、击中因子B、击穿因子C、修正值D，对于同一片区域内的其他植物 分别计算单棵植物的叶面积指数LAI，其计算公式如下： LAI=AXVhalf+BXI+CXZ+D, 其中Vhalf为需计算的单棵植物的半侧植物体积、I为需计算的单棵植物的击中点的数 目、Z为需计算的单棵植物的击穿点的比例。
【文档编号】G01B11/28GK104457626SQ201410746072
【公开日】2015年3月25日 申请日期:2014年12月8日 优先权日:2014年12月8日
【发明者】牛润新, 李成平, 徐照胜, 刘路, 刘永博, 王杰, 陈慧 申请人:中国科学院合肥物质科学研究院