一种果树靶标三维数据补偿方法及补偿系统与流程

本发明涉及农业探测技术领域，特别是涉及一种果树靶标三维数据补偿方法及补偿系统。

背景技术：

精准变量喷雾技术根据作物生长信息的不同，自动控制植保喷雾机械作业，实现对喷雾对象的按需施药，是减少农药使用量、提高农药利用率、提高防效、降低生态环境污染的必要手段之一。精准变量喷雾技术的基础是对靶标进行精准探测，用于果树探测系统的激光雷达扫描传感器能够直接或间接获得果树树冠的三维模型，精度较高，是近年来最常用的无损检测装置。目前常用的车载二维激光雷达扫描传感器垂直于扫描平面运动，能够间接获取果树靶标的三维点云数据。但是，在车辆移动过程中，由于车辆行驶速度不均匀会导致各激光束平面之间的距离不同，使采集的三维点云数据难以精确描述果树靶标的几何特征。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种果树靶标三维数据补偿方法及补偿系统，能够消除果树靶标探测系统由于车辆行驶速度不均匀引起的测量误差，提高果树靶标的探测精度。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种果树靶标三维数据补偿方法，所述补偿方法包括：

获取二维激光雷达扫描传感器输出的二维扫描面激光数据和实时动态差分全球定位系统输出的原始位置数据，其中，所述二维扫描面激光数据包括激光束角度值和距离值；所述原始位置数据包括各定位点的经度数据和维度数据；

利用墨卡托投影方法对所述原始位置数据进行投影变换，获得各定位点的全局平面位置坐标，所述全局平面位置坐标为定位点在全局平面坐标系中的位置；

根据各定位点的全局平面位置坐标和所述二维扫描面激光数据生成果树靶标的三维点云数据；

根据各定位点的全局平面位置坐标确定是否存在距离大于期望距离值的相邻定位点，获得第一判断结果；

当所述第一判断结果表示是，在距离大于期望距离值的相邻定位点对应的三维点云数据之间插值。

可选的，所述三维点云数据的坐标为(zi(xi,yi),xij,yij)，其中，zi(xi,yi)表示第i个定位点的全局平面位置坐标，xi表示第i个定位点的x轴坐标值，yi表示第i个定位点的y轴坐标值，xij＝dijcos(θij)，yij＝dijsin(θij)，i＝1,2...n1；j＝1,2...n2，dij表示第i个定位点对应的二维激光扫描面上第j个激光点的距离值，θij表示第i个定位点对应的二维激光扫描面上第j个激光点对应的激光束角度值，n1表示定位点的数量，n2表示二维激光扫描面上激光点的数量。

可选的，所述根据各定位点的全局平面位置坐标确定是否存在距离大于期望距离值的相邻定位点，获得第一判断结果，具体包括：

获取相邻定位点的期望距离值；

根据公式：计算全局平面坐标系中各相邻定位点之间的距离，ei表示第i个定位点与第(i+1)个定位点的距离，xi表示第i个定位点的x轴坐标值，yi表示第i个定位点的y轴坐标值；

判断是否存在距离大于所述期望距离值的相邻定位点，获得第一判断结果。

可选的，所述在距离大于期望距离值的相邻定位点对应的三维点云数据之间插值，具体包括：

获取距离大于期望距离值的相邻定位点zp(xp,yp)和zp+1(xp+1,yp+1)；

根据公式：m＝[ep/emax]，确定相邻定位点zp(xp,yp)和zp+1(xp+1,yp+1)之间需要插值的个数，emax表示期望距离值，ep表示第p个定位点与第(p+1)个定位点的距离，m表示相邻定位点zp(xp,yp)和zp+1(xp+1,yp+1)之间需要插值的个数，m为自然数；

在相邻定位点zp(xp,yp)和zp+1(xp+1,yp+1)之间，以所述期望距离值为间距等距离依次插入m个定位点的全局平面位置坐标和m个二维扫描面激光数据，形成果树靶标补偿后的三维点云数据。

一种果树靶标三维数据补偿系统，所述补偿系统包括：

数据获取模块，用于获取二维激光雷达扫描传感器输出的二维扫描面激光数据和实时动态差分全球定位系统输出的原始位置数据，其中，所述二维扫描面激光数据包括激光束角度值和距离值；所述原始位置数据包括各定位点的经度数据和维度数据；

投影变换模块，用于利用墨卡托投影方法对所述原始位置数据进行投影变换，获得各定位点的全局平面位置坐标，所述全局平面位置坐标为定位点在全局平面坐标系中的位置；

点云数据生成模块，用于根据各定位点的全局平面位置坐标和所述二维扫描面激光数据生成果树靶标的三维点云数据；

第一判断模块，用于根据各定位点的全局平面位置坐标确定是否存在距离大于期望距离值的相邻定位点，获得第一判断结果；

插值模块，用于当所述第一判断结果表示是，在距离大于期望距离值的相邻定位点对应的三维点云数据之间插值。

可选的，所述三维点云数据的坐标为(zi(xi,yi),xij,yij)，其中，zi(xi,yi)表示第i个定位点的全局平面位置坐标，xi表示第i个定位点的x轴坐标值，yi表示第i个定位点的y轴坐标值，xij＝dijcos(θij)，yij＝dijsin(θij)，i＝1,2...n1；j＝1,2...n2，dij表示第i个定位点对应的二维激光扫描面上第j个激光点的距离值，θij表示第i个定位点对应的二维激光扫描面上第j个激光点对应的激光束角度值，n1表示定位点的数量，n2表示二维激光扫描面上激光点的数量。

可选的，所述第一判断模块包括：

期望距离获取单元，用于获取相邻定位点的期望距离值；

距离计算单元，用于根据公式：计算全局平面坐标系中各相邻定位点之间的距离，ei表示第i个定位点与第(i+1)个定位点的距离，xi表示第i个定位点的x轴坐标值，yi表示第i个定位点的y轴坐标值；

判断单元，用于判断是否存在距离大于所述期望距离值的相邻定位点，获得第一判断结果。

可选的，所述插值模块包括：

相邻定位点获取单元，用于获取距离大于期望距离值的相邻定位点zp(xp,yp)和zp+1(xp+1,yp+1)；

插值个数确定单元，用于根据公式：m＝[ep/emax]，确定相邻定位点zp(xp,yp)和zp+1(xp+1,yp+1)之间需要插值的个数，emax表示期望距离值，ep表示第p个定位点与第(p+1)个定位点的距离，m表示相邻定位点zp(xp,yp)和zp+1(xp+1,yp+1)之间需要插值的个数，m为自然数；

插值单元，用于在相邻定位点zp(xp,yp)和zp+1(xp+1,yp+1)之间，以所述期望距离值为间距等距离依次插入m个定位点的全局平面位置坐标和m个二维扫描面激光数据，形成果树靶标补偿后的三维点云数据。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

本发明提供的果树靶标三维数据补偿方法及补偿系统，根据各定位点的全局平面位置坐标确定是否存在距离大于期望距离值的相邻定位点，若是，则在距离大于期望距离值的相邻定位点对应的三维点云数据之间进行插值，从而获得完整的果树靶标三维点云数据，消除果树靶标探测系统由于车辆行驶速度不均匀引起的测量误差，提高果树靶标的探测精度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种果树靶标三维数据补偿方法的流程图；

图2为本发明实施例提供的一种果树靶标三维数据补偿系统的结构框图；

图3为本发明实施例提供的一种靶标探测系统的结构框图；

图4为本发明实施例提供的靶标探测系统进行探测及数据补偿的实施流程图；

图5为本发明实施例提供的补偿前的靶标三维点云数据；

图6为本发明实施例提供的补偿后的靶标三维点云数据。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种果树靶标三维数据补偿方法及补偿系统，能够消除果树靶标探测系统由于车辆行驶速度不均匀引起的测量误差，提高果树靶标的探测精度。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1为本发明实施例提供的一种果树靶标三维数据补偿方法的流程图。如图1所示，一种果树靶标三维数据补偿方法，所述补偿方法包括：

步骤101：获取二维激光雷达扫描传感器输出的二维扫描面激光数据和实时动态差分全球定位系统输出的原始位置数据，其中，所述二维扫描面激光数据包括激光束角度值和距离值；所述原始位置数据包括各定位点的经度数据和维度数据。

步骤102：利用墨卡托投影方法对所述原始位置数据进行投影变换，获得各定位点的全局平面位置坐标，所述全局平面位置坐标为定位点在全局平面坐标系中的位置。

步骤103：根据各定位点的全局平面位置坐标和所述二维扫描面激光数据生成果树靶标的三维点云数据。所述三维点云数据的坐标为(zi(xi,yi),xij,yij)，其中，zi(xi,yi)表示第i个定位点的全局平面位置坐标，xi表示第i个定位点的x轴坐标值，yi表示第i个定位点的y轴坐标值，xij＝dijcos(θij)，yij＝dijsin(θij)，i＝1,2...n1；j＝1,2...n2，dij表示第i个定位点对应的二维激光扫描面上第j个激光点的距离值，θij表示第i个定位点对应的二维激光扫描面上第j个激光点对应的激光束角度值，n1表示定位点的数量，n2表示二维激光扫描面上激光点的数量。

步骤104：根据各定位点的全局平面位置坐标确定是否存在距离大于期望距离值的相邻定位点，获得第一判断结果。

步骤105：当所述第一判断结果表示是，在距离大于期望距离值的相邻定位点对应的三维点云数据之间插值。

具体地，步骤104：根据各定位点的全局平面位置坐标确定是否存在距离大于期望距离值的相邻定位点，获得第一判断结果，具体包括：

获取相邻定位点的期望距离值；

根据公式：计算全局平面坐标系中各相邻定位点之间的距离，ei表示第i个定位点与第(i+1)个定位点的距离，xi表示第i个定位点的x轴坐标值，yi表示第i个定位点的y轴坐标值；

判断是否存在距离大于所述期望距离值的相邻定位点，获得第一判断结果。

步骤105中，在距离大于期望距离值的相邻定位点对应的三维点云数据之间插值，具体包括：

获取距离大于期望距离值的相邻定位点zp(xp,yp)和zp+1(xp+1,yp+1)；

根据公式：m＝[ep/emax]，确定相邻定位点zp(xp,yp)和zp+1(xp+1,yp+1)之间需要插值的个数，emax表示期望距离值，ep表示第p个定位点与第(p+1)个定位点的距离，m表示相邻定位点zp(xp,yp)和zp+1(xp+1,yp+1)之间需要插值的个数，m为自然数；

在相邻定位点zp(xp,yp)和zp+1(xp+1,yp+1)之间，以所述期望距离值为间距等距离依次插入m个定位点的全局平面位置坐标和m个二维扫描面激光数据，形成果树靶标补偿后的三维点云数据。

图2为本发明实施例提供的一种果树靶标三维数据补偿系统的结构框图。如图2所示，一种果树靶标三维数据补偿系统，所述补偿系统包括：

数据获取模块201，用于获取二维激光雷达扫描传感器输出的二维扫描面激光数据和实时动态差分全球定位系统输出的原始位置数据，其中，所述二维扫描面激光数据包括激光束角度值和距离值；所述原始位置数据包括各定位点的经度数据和维度数据。

投影变换模块202，用于利用墨卡托投影方法对所述原始位置数据进行投影变换，获得各定位点的全局平面位置坐标，所述全局平面位置坐标为定位点在全局平面坐标系中的位置。

点云数据生成模块203，用于根据各定位点的全局平面位置坐标和所述二维扫描面激光数据生成果树靶标的三维点云数据。所述三维点云数据的坐标为(zi(xi,yi),xij,yij)，其中，zi(xi,yi)表示第i个定位点的全局平面位置坐标，xi表示第i个定位点的x轴坐标值，yi表示第i个定位点的y轴坐标值，xij＝dijcos(θij)，yij＝dijsin(θij)，i＝1,2...n1；j＝1,2...n2，dij表示第i个定位点对应的二维激光扫描面上第j个激光点的距离值，θij表示第i个定位点对应的二维激光扫描面上第j个激光点对应的激光束角度值，n1表示定位点的数量，n2表示二维激光扫描面上激光点的数量。

第一判断模块204，用于根据各定位点的全局平面位置坐标确定是否存在距离大于期望距离值的相邻定位点，获得第一判断结果。

插值模块205，用于当所述第一判断结果表示是，在距离大于期望距离值的相邻定位点对应的三维点云数据之间插值。

具体地，所述第一判断模块204包括：

期望距离获取单元，用于获取相邻定位点的期望距离值；

距离计算单元，用于根据公式：计算全局平面坐标系中各相邻定位点之间的距离，ei表示第i个定位点与第(i+1)个定位点的距离，xi表示第i个定位点的x轴坐标值，yi表示第i个定位点的y轴坐标值；

判断单元，用于判断是否存在距离大于所述期望距离值的相邻定位点，获得第一判断结果。

所述插值模块205包括：

相邻定位点获取单元，用于获取距离大于期望距离值的相邻定位点zp(xp,yp)和zp+1(xp+1,yp+1)；

插值个数确定单元，用于根据公式：m＝[ep/emax]，确定相邻定位点zp(xp,yp)和zp+1(xp+1,yp+1)之间需要插值的个数，emax表示期望距离值，ep表示第p个定位点与第(p+1)个定位点的距离，m表示相邻定位点zp(xp,yp)和zp+1(xp+1,yp+1)之间需要插值的个数，m为自然数；

插值单元，用于在相邻定位点zp(xp,yp)和zp+1(xp+1,yp+1)之间，以所述期望距离值为间距等距离依次插入m个定位点的全局平面位置坐标和m个二维扫描面激光数据，形成果树靶标补偿后的三维点云数据。

图3为本发明实施例提供的一种靶标探测系统的结构框图。如图3所示，靶标探测系统包括车辆，二维激光雷达扫描传感器(lidar，lightdetectionandranging)、实时动态差分全球定位系统(rtk-dgps，realtimekinematicsdifferentialgps)、数据采集卡及处理器。

车辆为运动载体，在果园行间行驶，受果园田间路面影响，车辆行驶速度难以保持匀速。二维lidar安装在车辆上，通过以太网口与数据采集卡相连，用于扫描果树靶标，获得各二维扫描面激光数据。rtk-dgps用于实时获得车辆的全局坐标，通过串口与数据采集卡相连。数据采集卡用于传感器数据采集与处理，处理器将二维扫描面激光数据与车辆垂直于扫描平面运动过程中的定位数据集成，生成了靶标三维点云数据，再通过补偿插值方法将定位点间距过大的靶标三维点云补偿为间距符合应用要求的三维点云数据。

本实施例提供的靶标探测系统进行探测及数据补偿的实施过程如图4所示：

(1)靶标探测系统启动后，数据采集卡通过以太网接口采集二维lidar数据：激光束角度值和距离值；通过串口采集rtk-dgps输出的数据包，解析数据包得到各定位点的经度数据和纬度数据，处理器采用墨卡托投影变换(utm，universaltransversemercatorprojection)得到各定位点的全局平面位置坐标；

(2)靶标三维点云是车辆在移动的过程中，由每个gps定位点坐标与相应位置的二维激光扫描面各激光点的坐标构成，即(zi(xi,yi),xij,yij)。其中，zi(xi,yi)表示第i个定位点的全局平面位置坐标，xi表示第i个定位点的x轴坐标值，yi表示第i个定位点的y轴坐标值，xij＝dijcos(θij)，yij＝dijsin(θij)，i＝1,2...n1；j＝1,2...n2。每一个二维激光扫描面激光点的个数n2可根据二维激光雷达扫描传感器的角分辨率ω，扫描起始角θstart，扫描终止角θend3个参数进行计算确定，计算公式为：

(3)计算各二维扫描面之间的距离值，即相邻的2个gps定位点之间的距离，

(4)统计扫描面间距离值ei大于设定的期望距离值emax的个数n，即需要进行插值操作的次数；

(5)n≤0时不需要进行插值，n≥1时，进行n次插值，每次插值只在第一个需要插值的位置插入数据，执行n次后完成所有插值操作，单次插值的流程如下：

1、查找插值位置zp(xp,yp)，相邻定位点zp(xp,yp)和zp+1(xp+1,yp+1)的距离大于期望距离值；

2、插值位置zp(xp,yp)前的三维点云数据保留；

3、根据设定的期望距离值emax计算插值位置：zp(xp,yp)和zp+1(xp+1,yp+1)之间需要插值的个数m＝[ei/emax]；

4、在相邻定位点zp(xp,yp)和zp+1(xp+1,yp+1)之间，以期望距离值为间距等距离依次插入m个定位点的全局平面位置坐标和m个二维扫描面激光数据，形成果树靶标补偿后的三维点云数据；zp(xp,yp)和zp+1(xp+1,yp+1)之间的数据如下：

(zp(xp,yp),xpj,ypj),(zp+1(xp+1,yp+1),x(p+1)j,y(p+1)j),……,(zp+m(xp+m,yp+m),x(p+m)j,y(p+m)j)j＝1,2...n2。

5、插值点后的三维点云数据依次向后平移至原数据末尾；

6、将超出原定位点数据个数的m个定位点按原来对应的二维激光扫描面激光数据赋值；

(6)得到插值后的靶标三维点云数据，程序结束。

下面利用一颗仿真树验证本发明的有益效果：

将一颗仿真树放置在一面墙前面，通过车辆搭载二维激光雷达扫描传感器对果树靶标进行扫描，设置二维激光雷达扫描传感器的扫描频率为25hz，角分辨率为0.25°，扫描起始角为-45°，扫描终止角为45°。进行补偿前，前果树冠层的三维点云如图5所示，可以看到图5中存在扫描面间距不均匀的现象。通过本发明提供的补偿方法进行插值补偿处理后的果树冠层三维点云如图6所示，其中颜色较暗的点为插值点，插值后的各扫描面间距相对均匀，不存在间距过大的扫面，获得了完整的靶标三维点云数据。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。