專利名稱：農(nóng)作物植株高度的檢測方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種農(nóng)作物植株高度的檢測方法。
技術(shù)背景隨著農(nóng)業(yè)機(jī)械化進(jìn)程的不斷推進(jìn)，機(jī)械自動化也越來越多的應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生 產(chǎn)中。對于棉花等農(nóng)作物，其摘頂作業(yè)就是對作物的頂端操作。農(nóng)作物植株高 度的檢測方法就是針對農(nóng)業(yè)機(jī)械化的一些自動化操作而產(chǎn)生的。目前，大多數(shù)的各種農(nóng)業(yè)機(jī)器采用人工手動操作，不僅效率低，而且可靠 性差。例如，傳統(tǒng)的農(nóng)作物機(jī)械化摘頂一般采用"一刀切"技術(shù)，即刀具在設(shè) 定的高度摘除農(nóng)作物植株的頂部嫩芽。由于生長中的農(nóng)作物植株高度不均勻， 采取"一刀切"技術(shù)使得部分植株摘除過多的頂部枝條，影響植株的生長；也 可能使得另一部分植株沒有摘除頂部嫩芽。常見的植株高度檢測方法有超聲波 測量和機(jī)器視覺技術(shù)。超聲波用于測量植株高度存在頂部難以捕捉，植株間相 互會產(chǎn)生干涉，因此造成測量的結(jié)果不穩(wěn)定，存在較大的誤差。機(jī)器視覺技術(shù) 則存在識別效率低、成本高和實(shí)時性差，難以在實(shí)際中應(yīng)用。 發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是提出一種農(nóng)作物植株高度的檢測方法，該方法借助光電掃 描系統(tǒng)連續(xù)掃描農(nóng)作物，由此提取每棵農(nóng)作物植株的高度。 本發(fā)明采用的技術(shù)方案包括下列步驟1) 光電掃描系統(tǒng)連續(xù)掃描農(nóng)作物，采用自上而下地掃描光接收器的狀態(tài)，從 提取當(dāng)前位置植株的邊緣高度數(shù)據(jù)；2) 用曲線擬合這組高度數(shù)據(jù)，獲得農(nóng)作物頂部的輪廓線；3) 計(jì)算農(nóng)作物頂部輪廓線的波峰，作為對應(yīng)農(nóng)作物的植株高度，同時記下波 峰所在的位置。所述的光電掃描系統(tǒng)由一組豎直排列的光發(fā)生器和對應(yīng)的光接收器組成，它 們分別安裝在農(nóng)作物植株的兩側(cè)。所述的光發(fā)生器為發(fā)光二極管、激光或紅外發(fā)生器。所述的曲線擬合采用B-樣條曲線、Bezier曲線或多項(xiàng)式曲線擬合一組高度數(shù) 據(jù)，獲得農(nóng)作物頂部的輪廓線，然后計(jì)算輪廓線的波峰作為相對應(yīng)的植株高度， 同時記下波峰所在的位置。本發(fā)明具有的有益效果是本發(fā)明的方法精度更高，穩(wěn)定性更好，且具備更好的實(shí)用性。如果把該方 法應(yīng)用到農(nóng)作物摘頂作業(yè)中，這樣就可以避免"一刀切"所帶來的弊端，實(shí)現(xiàn) 對每棵農(nóng)作物按其植株高度摘頂，更加符合農(nóng)作物摘頂?shù)囊?。本發(fā)明植株高 度的檢測方法不僅可以用在農(nóng)作物機(jī)械化作業(yè)中，例如，摘頂作業(yè)，還可以用 來觀察農(nóng)作物的生長情況。


圖1是本發(fā)明的植株高度檢測示意圖。圖2是本發(fā)明的植株邊緣高度數(shù)據(jù)圖。 圖3是本發(fā)明計(jì)算后的植株頂部輪廓線和輪廓線波峰。 圖1中1、光發(fā)生器，2、光接收器。
具體實(shí)施方式
如圖1所示，本發(fā)明的檢測裝置包括一組豎直排列的光發(fā)生器1和光接收 器2，光發(fā)生器可以使用發(fā)光二極管、激光或紅外發(fā)生器。光發(fā)生器和光接收器 一一對應(yīng)，且對應(yīng)的光發(fā)生器和光接收器處在同一高度。在檢測過程中，光發(fā) 生器始終處于開啟狀態(tài)。如果光發(fā)生器和光接收器之間不存在農(nóng)作物的枝條或 者葉子，則光接收器能夠接收到來自光發(fā)生器的光源，顯示狀態(tài)l;反之，則顯 示狀態(tài)0。搜索狀態(tài)為0的位于最高點(diǎn)的光接收器，該光發(fā)生器所在的高度作為 當(dāng)前植株的邊緣高度數(shù)據(jù)。為了準(zhǔn)確、快速地獲得當(dāng)前植株的邊緣高度數(shù)據(jù)， 采用自上而下的掃描光接收器的狀態(tài)，如果掃描到一個狀態(tài)為0的光接收器， 則停止掃描，同時保存高度數(shù)據(jù)，記錄當(dāng)前位置；否則繼續(xù)掃描下一個光接收 器的狀態(tài)。應(yīng)用以上方法連續(xù)掃描一定間距的農(nóng)作物，得到一組高度數(shù)據(jù)以及 對應(yīng)的位置。獲得的農(nóng)作物植株的邊緣高度數(shù)據(jù)如圖2所示，假設(shè)采用B-樣條曲線擬合 農(nóng)作物頂部輪廓線，擬合過程如下如果輪廓線的高度數(shù)據(jù)點(diǎn)集2-^(x^):戶0，l,…,m)在B樣條曲線上，則有方程力=2病'""))，/ = l，2，"'，w (1)i'=0其中"》M),l,…,m)是數(shù)據(jù)點(diǎn)必對應(yīng)的參數(shù)值，可以根據(jù)規(guī)范積累弦長參數(shù)化決定。令(Hkn"l， (/=1，2廣.,附)，丄=|>,，有w; = 0〃 (2) w二 =Z/〃Z / = 1，2，.'.,附'=1為了決定B樣條基函數(shù)7Vo(")，必須給出節(jié)點(diǎn)矢量^=["。， "l5， ""+w]。 根據(jù)端點(diǎn)插值與曲線定義域要求，采用定義域兩端節(jié)點(diǎn)為A+l重的重節(jié)點(diǎn)端點(diǎn)條件，也即固支條件。于是有"0 = ^=…^=0， Ww+i=M +2=…=W ^+i = l。 定義域共包含W —壯1個節(jié)點(diǎn)區(qū)間，其節(jié)點(diǎn)值的選取應(yīng)反映數(shù)據(jù)點(diǎn)參數(shù)值")的分 布情況，可按如下決定。設(shè)c是一個正實(shí)數(shù)，/二int(。表示了 kc的最大整數(shù)。令(3)則定義域的內(nèi)節(jié)點(diǎn)為義、， ， 7 = 1，2廣.,"-* (4) = (1 一 ^)K-i +叫按如上決定的內(nèi)節(jié)點(diǎn)保證了定義域每個節(jié)點(diǎn)區(qū)間至少包含一個^。 將式(i)寫成矩陣形式有2 = iV./ (5)其中g(shù)是包含m個數(shù)據(jù)點(diǎn)的wX2矩陣，iV是rXw的B樣條基函數(shù)系數(shù)矩陣， 戶是包含"個未知控制頂點(diǎn)的wX2矩陣，當(dāng)iK"〈m時，式(5)是一個超定線 性方程組，用最小二乘法求解i^(A^7V)一iV^ (6)得到植株的頂部輪廓線a")，如圖3所示。由于農(nóng)作物是按一定間距播種的，且不同植株之間生長情況各不相同，因 此農(nóng)作物頂部輪廓線呈現(xiàn)波浪形，其中波形的波長近似于植株生長的間距，波 峰為單棵農(nóng)作物的植株高度。通常情況下，掃描完多棵植株后再對這些高度數(shù) 據(jù)進(jìn)行分析，因此一條農(nóng)作物的頂部輪廓線中包含了多棵植株的植株高度。針 對這種情況，必須提取所有農(nóng)作物的植株高度。為了有效地提取農(nóng)作物的所有 植株高度，首先按植株生長的間距劃分頂部輪廓線，這就保證了每段曲線中有且只有一個波峰；然后分別計(jì)算各個分段曲線中的波峰。對于曲線的波峰必須 滿足該點(diǎn)在曲線上的導(dǎo)數(shù)為O，且該點(diǎn)的數(shù)值比其附近的點(diǎn)的數(shù)值大。計(jì)算公式 如下<formula>formula see original document page 6</formula>(7)由式(7)可知頂部輪廓線上參數(shù)M,對應(yīng)的點(diǎn)即為其中一棵植株的最高點(diǎn)。最后得到農(nóng)作物的植株高度數(shù)據(jù)如圖3所示。
權(quán)利要求
1.一種農(nóng)作物植株高度的檢測方法，其特征在它的具體步驟如下1)光電掃描系統(tǒng)連續(xù)掃描農(nóng)作物，采用自上而下地掃描光接收器的狀態(tài)，從提取當(dāng)前位置植株的邊緣高度數(shù)據(jù)；2)用曲線擬合這組高度數(shù)據(jù)，獲得農(nóng)作物頂部的輪廓線；3)計(jì)算農(nóng)作物頂部輪廓線的波峰，作為對應(yīng)農(nóng)作物的植株高度，同時記下波峰所在的位置。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述一種農(nóng)作物植株高度的檢測方法，其特征在于所 述的光電掃描系統(tǒng)由一組豎直排列的光發(fā)生器和對應(yīng)的光接收器組成，它們分 別安裝在農(nóng)作物植株的兩側(cè)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種農(nóng)作物植株高度的檢測方法，其特征在于 所述的光發(fā)生器為發(fā)光二極管、激光或紅外發(fā)生器。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種農(nóng)作物植株高度的檢測方法，其特征在于 所述的曲線擬合采用B-樣條曲線、Bezier曲線或多項(xiàng)式曲線擬合一組高度數(shù)據(jù)， 獲得農(nóng)作物頂部的輪廓線，然后計(jì)算輪廓線的波峰作為相對應(yīng)的植株高度，同 時記下波峰所在的位置。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種農(nóng)作物植株高度的檢測方法。光電掃描系統(tǒng)連續(xù)掃描農(nóng)作物，采用自上而下地掃描光接收器的狀態(tài)，從而提取當(dāng)前位置植株的邊緣高度數(shù)據(jù)；用曲線擬合這組高度數(shù)據(jù)，獲得農(nóng)作物頂部的輪廓線；計(jì)算農(nóng)作物頂部輪廓線的波峰，作為對應(yīng)農(nóng)作物的植株高度，同時記下波峰所在的位置。檢測到的植株高度可以用來控制農(nóng)作物的各種機(jī)械化操作，比如摘頂時刀具的定位，還可以了解農(nóng)作物的生長情況。本發(fā)明的方法能檢測每棵農(nóng)作物的植株高度，應(yīng)用在農(nóng)作物的摘頂作業(yè)中避免了“一刀切”的弊端；該方法穩(wěn)定性好，操作簡單，具有很大的優(yōu)越性。
文檔編號G01B11/00GK101216288SQ200810059040
公開日2008年7月9日 申請日期2008年1月7日 優(yōu)先權(quán)日2008年1月7日
發(fā)明者張宏文, 武傳宇, 賀磊盈, 勻 趙 申請人:浙江理工大學(xué)