基于二维激光的果树冠层三维点云扫描系统及方法与流程

本发明属于激光测量技术领域，具体涉及一种基于二维激光的果树冠层三维点云扫描系统及方法。

背景技术：

由于病虫害、霜冻等引起的果树重栽，以及受土壤、光照等因素的影响，果树树冠的形状、尺寸会产生差异，果树形态特征与树的生长状况及产量直接相关，果树冠层形态参数测量在农药变量喷施、肥料精准施用和果产预估等领域具有重要的研究意义。采用激光测量技术是获取果树形态特征的一种重要方法，传统的激光测量系统结构复杂，对测量环境要求苛刻，重复性差，不能有效地获得果树冠层三维点云信息。

技术实现要素：

本发明针对现有技术中的不足，提供一种基于二维激光的果树冠层三维点云扫描系统及方法。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种基于二维激光的果树冠层三维点云扫描系统，其特征在于，包括：水平支架、钢丝、导轨、垂直支架、激光扫描仪安装座和激光扫描仪；所述水平支架呈矩形框架结构，所述垂直支架安装在水平支架的中部上，垂直支架分为左右相对称的左半部和右半部，所述左半部与水平支架的左端、右半部与水平支架的右端均通过钢丝连接；所述导轨位于左半部和右半部之间，垂直支架能够沿着导轨进行前后运动；所述激光扫描仪安装座具有L型截面，激光扫描仪安装座的顶部安装在水平支架中，激光扫描仪安装座的底部用于安装激光扫描仪，激光扫描仪安装座能够沿着水平支架进行水平运动。

为优化上述技术方案，采取的具体措施还包括：

所述水平支架中安装有线性导轨、丝杠、滑块和步进电机一；所述线性导轨沿水平方向安装在水平支架的内侧，所述丝杠从水平支架的右侧穿过并固定在水平支架中，丝杠与线性导轨相平行，丝杠的右侧端部安装有步进电机一，所述步进电机一驱动丝杠的旋转，所述滑块的前端安装在丝杠上，滑块的后端与线性导轨相配合，使得滑块能够随着丝杠的旋转沿线性导轨水平运动，滑块与激光扫描仪安装座的顶部相连。

所述导轨具有工字型截面，左半部的顶部靠导轨侧、右半部的顶部靠导轨侧均安装有滑轮，所述滑轮与导轨相配合，滑轮带动垂直支架沿导轨上运动。

所述滑轮处安装有驱动滑轮滚动的电机，所述电机通过电缆线与控制器相连。

所述激光扫描仪安装座顶部安装有步进电机二，所述步进电机二驱动激光扫描仪安装座的自转。

此外，还提出了一种采用上述基于二维激光的果树冠层三维点云扫描系统的扫描方法，其特征在于，包括如下步骤：

激光扫描仪对区域内各点进行扫描后，进行数据采集，包括激光扫描仪与靶标物之间的距离、激光线与垂直Y轴的角度、两次扫描的间隔时间和激光扫描仪在Z方向的移动速度值；

将十六进制的距离和角度转换为十进制数据矩阵，并通过坐标变换得到X坐标矩阵和Y坐标矩阵；

根据时间和速度值，计算得到Z坐标矩阵；

对X坐标矩阵、Y坐标矩阵和Z坐标矩阵进行消除环境点处理，分别得到靶标物X坐标矩阵、靶标物Y坐标矩阵和靶标物Z坐标矩阵；

基于靶标物X坐标矩阵、靶标物Y坐标矩阵和靶标物Z坐标矩阵，生成点云。

本发明的有益效果是：通过调节二维激光扫描仪的测量位置，能够实现果树冠层的三维点云扫描，获取果树的冠层三维结构形态，降低了扫描的成本，并且提高了扫描的精度。

附图说明

图1是本发明系统的主视图。

图2是本发明系统的俯视图。

图3是本发明系统的侧视图。

图4是本发明的工作状态示意图。

图5是本发明方法的流程图。

具体实施方式

现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。

如图1所示的基于二维激光的果树冠层三维点云扫描系统，包括：水平支架1、钢丝2、导轨3、垂直支架4、激光扫描仪安装座5和激光扫描仪11。垂直支架4安装在水平支架1的中部上，两者之间采用焊接，垂直支架4分为左右相对称的左半部4-1和右半部4-2，左半部4-1与水平支架1的左端、右半部4-2与水平支架1的右端均通过钢丝2连接，钢丝2起到辅助支撑的作用。导轨3位于左半部4-1和右半部4-2之间，垂直支架4能够沿着导轨3进行前后运动。激光扫描仪安装座5具有L型截面，顶部安装在水平支架1中，底部用于安装激光扫描仪11，激光扫描仪安装座5能够沿着水平支架1进行水平运动。

进一步参见图2，水平支架1呈矩形框架结构，水平支架1中安装有线性导轨12、丝杠13、滑块14和步进电机一15。线性导轨12沿水平方向安装在水平支架1的内侧，丝杠13从水平支架1的右侧穿过并固定在水平支架1中，丝杠13与线性导轨12相平行，丝杠13的右侧端部安装有步进电机一15，步进电机一15驱动丝杠13的旋转，滑块14的前端安装在丝杠13上，滑块14的后端与线性导轨12相配合，使得滑块14能够随着丝杠13的旋转沿线性导轨12水平运动，滑块14与激光扫描仪安装座5的顶部相连，通过滑块14的运动，带动激光扫描仪安装座5的水平运动。

如图3所示，导轨3具有工字型截面，左半部4-1的顶部靠导轨3侧、右半部4-2的顶部靠导轨3侧均安装有滑轮8，滑轮8与导轨3相配合，带动垂直支架4沿导轨3上运动。滑轮8处安装有驱动滑轮8滚动的电机9，电机9通过电缆线7与控制器6相连。激光扫描仪安装座5顶部安装有步进电机二10，步进电机二10驱动激光扫描仪安装座5的自转。

该系统工作时，如图4所示，激光扫描仪11安装在激光扫描仪安装座5上，通过滑块14的运动，使得激光扫描仪11的位置能够在X轴方向进行调节；通过垂直支架4沿着导轨3的运动，使得激光扫描仪11的位置能够在z轴方向进行调节；通过步进电机二10的驱动，能够调节激光扫描仪11的扫描方向。二维激光扫描仪11的扫描范围为-5︒~158︒，其数据输出可在这范围内设置。激光扫描仪11扫描后，根据区域内各个点与扫描仪的相对位置，以极坐标形式返回其十六进制的距离值（Rn,θn）。

如图5所示，激光扫描仪11对区域内各点进行扫描后，进行数据采集，采集的数据包括激光扫描仪11与靶标物之间的距离、激光线与垂直Y轴的角度、两次扫描的间隔时间和激光扫描仪11在Z方向的移动速度值。

将十六进制的距离和角度转换为十进制数据矩阵，并通过坐标变换得到X坐标矩阵和Y坐标矩阵。根据时间和速度值，计算得到Z坐标矩阵。

对X坐标矩阵、Y坐标矩阵和Z坐标矩阵进行消除环境点处理，分别得到靶标物X坐标矩阵、靶标物Y坐标矩阵和靶标物Z坐标矩阵。

基于靶标物X坐标矩阵、靶标物Y坐标矩阵和靶标物Z坐标矩阵，生成点云。通过果树冠层的三维点云数据，能够有效地获知果树冠层的三维结构和形态，为为果树属性信息获取提供高精度的数据基础。

需要注意的是，发明中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。

以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。