CN104359430B - 一种基于激光测距的动态水田平整度检测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及基于激光测距的动态水田平整度检测装置及方法，其中检测装置包括激光测距仪、连接支架及处理器；激光测距仪通过连接支架安装在农田作业车辆后方，激光测距仪与处理器连接；处理器读取激光测距仪的测量数据，并对其进行数据处理，所述数据处理包括测量数据的坐标转换、阈值滤波和田面三维重构，计算农田表面相对高程的标准差S_d和高程差分布ED，根据标准差S_d和高程差分布ED评价出水田平面平整度。本发明能够精确且快速采集田面数据，实时对测距数据进行处理、重构三维田面，并根据田面高程分布列与标准差对田面平整度作出评价，其测量效率高、自动化程度高且实现简单。

Description

一种基于激光测距的动态水田平整度检测装置及方法

技术领域

本发明涉及测控技术领域，特别涉及一种基于激光测距的动态水田平整度检测装置及方法。

背景技术

我国是世界农业大国，农业是我国的传统和基础产业，但同时我国也是水资源贫乏的国家。我国南方地区水田较多，水田的种植对平整度要求很高，精细平整的水田能大幅地节约灌溉用水，提高肥料的利用率和抑制杂草的生长，达到低成本高收益的目的。

我国发展规模化、精细化及节水农业，都离不开土地平整技术，而水田平整度的检测技术是提高水田平整度的基础与关键。平整度是一种无量纲指标，它所表征的是单位长度内最大凸起或凹陷的程度，水田平整度的测量与评价可为水田平整作业提供一个质量评定的客观指标，也为农耕作业提供重要的信息，使种植管理者能为田间的灌溉、施肥及除虫等作出优化决策。

然而，我国目前对于平整度的检测与评价的研究仅限于工件加工、产品质检、路况检测及建筑检测等领域，而对水田平整度的检测与评价却鲜有研究。随着我国农业的发展，科学技术的日新月异，需要一种精确高效的水田平整度的检测与评价方法，实现平地过程中田面平整度的检测评价与实时反馈控制，这对水田精细平整效果以及精准农业的发展具有重要意义。

发明内容

本发明的目的在于弥补现有技术的不足，提供一种基于激光测距的动态水田平整度检测装置及方法，能够精确且快速采集田面数据，实时对测距数据进行处理、重构三维田面，并根据田面高程分布列与标准差对田面平整度作出评价，其测量效率高、自动化程度高且实现简单。

为了实现上述目的，本发明装置采用如下技术方案：基于激光测距的动态水田平整度检测装置包括激光测距仪、连接支架及处理器；激光测距仪通过连接支架安装在农田作业车辆后方，激光测距仪与处理器连接；处理器读取激光测距仪的测量数据，并对其进行数据处理，所述数据处理包括测量数据的坐标转换、阈值滤波和田面三维重构，计算农田表面相对高程的标准差S_d和高程差分布ED，根据标准差S_d和高程差分布ED评价出水田平面平整度；

所述连接支架包括高度调节板、云台、高度定位板、第一固定件、第二固定件及第三固定件，第一固定件、第二固定件及第三固定件上均设有固定点；第三固定件连接在第一固定件与第二固定件之间；高度定位板与第一固定件、第二固定件固定连接，高度定位板设有用于固定高度调节板的孔；高度调节板通过高度定位板上的孔，高度可调地固定在高度定位板上；云台固定在高度调节板上；

所述激光测距仪安装在所述高度调节板上，且位于所述高度定位板的外侧，并通过所述云台调整扫描角度以便保持垂直扫描田面；所述第一固定架、第二固定件及第三固定件位于所述高度定位板的内侧，位于高度定位板与农田作业车辆之间。

所述第一固定件、第二固定件及第三固定件上分别设有第一固定点、第二固定点及第三固定点，第一固定点、第二固定点及第三固定点这三个固定点呈三角形分布。

为了实现上述目的，本发明方法采用如下技术方案：基于激光测距的动态水田平整度检测方法，采用上述动态水田平整度检测装置检测，包括以下步骤：

S1、采用激光测距仪扫描田面，采集田面点云数据，获取测距数据；

S2、对采集到的测距数据进行坐标系转换，绘制田面点云图；

S3、进行田面三维重构：采用阈值滤波算法对所述点云数据进行初步删减，去除明显噪点；再采用均匀栅格化算法对测距数据作进一步精简；最后分别利用二维插值算法或Delaunay算法处理精简后的测距数据，对试验田面进行三维重构；

S4、计算农田表面相对高程的标准差S_d和高程差分布ED，进行田面平整度评价。

步骤S3所述均匀栅格法如下：

(1)定义采样立方体栅格的边长a和欲精简数据点百分比两个参数；

(2)定义以任意一点M为中心，边长为a的采样立方体栅格内其它数据点的点集N＝Ni(xi,yi,zi)，i＝l，2,…，n，分别计算点M到点集N内任一点的距离；

(3)将(2)所计算的所有距离相加，并求出平均点距值；

(4)对所有数据点实施上述(2)及(3)的计算，再根据(1)所定义的精简百分比，把平均点距值最小的百分比个数据点删除，从而实现测距数据的精简。

步骤S4所述田面平整度评价的步骤如下：通过计算田块内所有测量点到拟合平面的距离di，然后对距离di进行统计分析，统计di小于某一预设距离值A的测量点的累计百分比，获取高程差分布ED；若累计百分比符合正态分布3σ法则，比较标准差S_d和距离值A的数值，把数值较大者作为测量田田面的平整度。

本发明原理为：将激光测距仪LMS291通过特定的连接支架安装在农田作业车辆后方，激光测距仪在农田作业车辆行驶时动态采集田面数据点；在采集田面数据点的同时，激光测距仪与PC机进行数据的相互通信；利用Matlab软件进行编程及函数调用对田面点云数据进行处理后，将PC机接收的测距数据实时画成三维点云图，建立田面三维地形模型，直观地反映出农田地表高层的起伏变化；通过Matlab软件计算出水田平面平整度的两个评价指标，即农田表面相对高程的标准差S_d和高程差分布ED，从而对水田的平整度进行评价。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、与传统的水准仪、全站仪等测量方法相比，激光测距仪的分辨率和测试精度最高，垂直方向可达到0.1-0.5mm，水平方向可达到0.1-2mm，农田地面地形的区域测量信息较丰富，地形表达更准确，能够更好表征土壤表面详细情况以及土壤微粒间空隙，具有测量信息丰富、检测速度快、信息表达容易、精度较高且数据对称性高等优点。

2、通过连接支架，将激光测距仪安装固定在农田作业车辆后方，安装方式保证激光测距仪竖直扫描田面，获得更多的有效数据且方便坐标转换处理。

此外，连接支架可实现安装扫描角度及高度的调整，以适应不同的农田作业车辆及环境，对水平或具有不同坡度的水田均可实现精确测距。

3、运用Matlab进行编程及函数调用，将PC机采集的测距数据实时画出三维点云图，通过编程便能实现数据读取、转换和实时绘图一步到位，快捷便利。本发明不仅方法简单，测量效率高，自动化程度高，还可为自动化、智能化获取与数据处理的相关研究提供参考。

附图说明

图1是激光测距仪固定到农田作业车辆的连接支架结构图之一；

图2是激光测距仪固定到农田作业车辆的连接支架结构图之二；

图3是本发明空间直角坐标系定义图；

图4是本发明检测方法流程图；

图5是本发明的数据采集程序流程图；

图6是本发明实验田面数据采集点云图；

图7是阈值滤波前后对比图；

图8是均匀栅格化数据精简前后对比图；

图9是本发明实验田面三维重构效果图；

图10是本发明实验田面拟合平面图。

具体实施方案

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不局限于此实例。

基于激光测距的动态水田平整度检测装置包括激光测距仪、连接支架及PC机。激光测距仪通过连接支架安装在农田作业车辆后方，垂直扫描田面，在农田作业车辆行驶时动态采集田面数据点。激光测距仪通过RS232接口与PC机连接，实际测量时与PC机进行实时通信。PC机利用Matlab软件读取激光测距仪的测量数据，并对其进行数据处理。PC机的数据处理包括测量数据的坐标转换、阈值滤波和田面三维重构。PC机最后通过标准差与方差两个指标评价出水田平面平整度，即农田表面相对高程的标准差S_d和高程差分布ED，从而对水田的平整度进行评价。

本实施例采用激光测距仪作为测距传感器来动态测量田面数据点，利用Matlab软件进行编程及函数调用实现测距数据后期处理、田面三维重构以及田面平整度的评价。下面结合附图对本发明进行详细描述：

本实施例中使用的激光测距仪为德国SICK公司LMS291-S05型号激光雷达，基于飞行时间测量(Time-Of-Flight)的原理，是一种非接触式光学测量***，可根据向环境中发射红外激光和接收到反射的激光所需时间计算物体的距离。LMS291-S05激光测距仪测量精度较高，价格合适，故本实施例选取它作为测距传感器。SICK LMS291是一种只能在单个平面内扫描的2D传感器，这使得它的成本相对于3D LIDAR陆基传感器而言非常低廉。SICKLMS291传感器激光测距的特点是：

(1)感知距离远，最大可达80m；覆盖角度范围大；

(2)距离测量精度和角度测量精度高，分别可达5cm和180°；

(3)扫描时间短，约为26.6ms，可以获得高车速情况下的实时测量；

(4)具有雾校正功能，对环境光线变化不敏感，适用于室外环境。

该型号激光雷达详细的技术参数见下表所示，其中比较重要的参数包括角度测量范围和角度分辨率、扫描周期、***误差。角度测量范围和角度分辨率决定了激光雷达得到的数据量；扫描周期是对定位算法实时性的评价标准；***误差对整个定位过程的精度有很大影响。在本发明中，激光雷达的参数选择取为毫米模式下的参数，即最大测量距离为8m，角度测量范围180°，角度分辨率为0.5°，扫描周期为13.32ms，***距离测量误差为±10mm。

如图1、2所示，激光测距仪固定到农田作业车辆的连接支架包括高度调节板1、云台2、高度定位板3、第一固定件5、第二固定件6及第三固定件4；第三固定件4连接在第一固定件5与第二固定件6之间；高度定位板3与第一固定件5、第二固定件6固定连接，高度定位板3设有用于固定高度调节板的孔31；高度调节板1通过高度定位板3上的孔31，高度可调地固定在高度定位板3上；云台2固定在高度调节板1上。第一固定件5设有第一固定点51，第二固定件6设有第二固定点61，第三固定件4设有第三固定点41，第一固定点51、第二固定点61及第三固定点41这3个固定点呈三角形分布，将连接支架牢固地连接在农田作业车辆上。

激光测距仪通过连接支架的3个固定点与农田作业车辆连接固定，通过仪器高度定位板3实现激光测距仪安装高度的调节，避免影响其它农田机具(如平地铲)工作。通过仪器高度定位板3上的云台2实现激光测距仪扫描角度的调整，确保了即使在有一定坡度的田面也能使激光测距仪垂直扫描田面。通过连接支架的安装，既保证了激光测距仪测量时能垂直扫描地面，方便大地坐标转换，又避免了实际地形以及其它农具带来的影响。

一般来说，水田激光平地机工作时需要在田埂上垂直树立激光发射器，以控制平地机高层。本发明以激光发射器建立第一个空间坐标系o-xyz，以激光测距仪的激光发射点为原点建立第二个空间坐标系o1-x1y1z1，具体如图3所示。通过水田激光平地机安装的GPS定位，可实时得到两空间坐标系的直线距离a，oo1与y轴夹角为α，激光测距仪与地面高度EQ为L。则对于田面垂直扫描点Q在o-xyz坐标系中的位置为：

对应公式(1)具体编程语句如下：

x(j)＝a*sin(E(k))；％坐标x

y(j)＝a*cos(E(k))；％坐标y

z(j)＝-L；％坐标z

如图4所示，水田平整度检测方法包括以下步骤：

S1、采用激光测距仪扫描田面，采集田面点云数据，获取测距数据。若数据采集成功，则转入S2，否则继续扫描田面。

S2、对采集到的测距数据进行坐标系转换，绘制田面点云图。点云图能实时保存测量数据，是后面田面三维重构的数据来源，同时能反映三维重构图的正确性。

测试数据采集与点云图绘制，具体如下：激光雷达LMS291-S05可通过本身自带总线和PC机进行数据传输，通信波特率为9600bps、19600bps或者38400bps。本试验的通信波特率选为9600bps。试验中用到的PC机是笔记本电脑，没有串口接头，故通过USB转串口线实现激光测距仪和电脑的通信连接。通过Matlab实现串口通信来发送报文“02 00 02 00 3001 31 18”便能请求一次发送一次测距数据。数据采集的程序流程图如图5所示。串口发送一次指令就对应返回一帧测量数据。PC机记录测距仪测得的十六进制坐标数据，经过进制间和坐标系间的转换，从而将测距数据在定义的大地坐标系中表示出来。运用Matlab可以将PC机采集的测距数据实时画成三维点云图，通过编程便能实现数据读取、转换，大地坐标转换和实时绘图一步到位，效率高。最后在Matlab中调用plot语句便可绘制田面点云图。图6为某次实验所得田面点云图。

S3、进行田面三维重构。

田面三维重构主要分为测距数据滤波、测距数据精简及三维重构三大步骤。根据分散扫描得到的点云数据，重构真实水田田面是虚拟现实技术的一个新的挑战。点云数据具有数据量大、噪点多的特点，对数据后续处理造成计算量增加，因此对测距数据进行后期处理是有实际需要的。结合本研究的实际情况，首先采用阈值滤波算法对测距所得点云数据进行初步删减，去除明显噪点；再采用均匀栅格化算法对测距数据作进一步精简，从而均匀数据，减小部分实验数据缺失；最后再分别利用一般二维插值或Delaunay算法处理精简后的测距数据，对试验田面进行三维重构。

测距数据滤波过程如下：采用阈值滤波算法对测距所得的点云数据进行删减。阈值滤波算法是根据测距点云数据本身的特点给定阈值，大于阈值的点云数据被判断为异常点而被删除的一种方法。具体是根据测量田的大小选定x轴和y轴坐标阈值，而z轴坐标阈值可选为15cm(田面高程差一般不会大于15cm)，借助Matlab的Find函数滤除明显噪点。请参阅图7，经过滤波后数据并没有丢失原始数据特性，反而更突出田面的实际情况。

测距数据精简过程如下：采用均匀栅格法对测距数据进行精简。均匀栅格法的基本思想是，首先建立一个平面平行于点云坐标平面的长方体包围盒以封装数据点。根据测点的数量和分布沿坐标轴方向将其划分为边长大小为L的立方栅格，以便计算各点所在的立方栅格。将任一栅格内的点组成一个表，其中可能包含一个或多个数据点，也可能不含数据点。选择最接近所在栅格中心的点作为取样点，以达到简化数据的目的。为了使散乱点具有规律性以及精简点云数据，具体算法如下：

(1)用户定义采样立方体栅格的边长a和欲精简数据点百分比两个参数；

(2)定义以任意一点M为中心，边长为a的采样立方体栅格内其它数据点的点集N＝Ni(xi,yi,zi)，i＝l，2,…，n。分别计算点M到点集N内任一点的距离。

(3)将(2)所计算的所有距离相加，并求出平均点距值。

(4)对所有数据点实施上述(2)及(3)的计算，平均点距值比较小的点是可能被删除的数据点。根据(1)所定义的精简百分比，把平均点距值最小的百分比个数据点删除，从而实现测距数据的精简。

请参阅图8，通过均匀栅格化数据精简后，数据量大大减少但又不丢失原始测距点云特征。

田面的三维重构过程如下：采用Matlab的快速成型Delaunay函数进行田面三维重构。Delaunay三角剖分是曲面重构普遍采用的一种方法，并广泛应用于快速成型技术中。三角剖分算法可以分为针对二维的局部剖分和三维的全局剖分算法。在遇到三维空间散乱点的构面问题时，先将三维坐标预处理转换到二维坐标系中，间接的采用二维Delaunay剖分算法。也就是将三维点投影到某平面，然后对投影点集做平面域的三角剖分，最终形成的曲面三角剖分的点间连接关系与相应的投影点间的连接关系相同。Delaunay三角剖分是二维任意区域内的三角网中被公认为最优的三角剖分，利用Delaunay三角化对田面进行重构比较贴近实际情况，优于一般插值法，故采用Delaunay函数进行田面三维重构，请参阅图9，主要程序代码如下：

del_land＝delaunay(x,y,z)；

figure；

trisurf(del_land,x,y,z,'FaceColor','cyan')

S4、田面平整度评价。

田面平整度的评价两个指标，一是农田表面相对高程的标准差S_d，标准差反映了农田表面平整度的总体状况，标准差的数值越小，说明田面起伏越小，田面越平整；二是高程差分布ED，它通过计算田块内所有测量点到拟合平面的距离di，然后对距离di进行统计分析，统计di小于某一预设距离值A(如3cm)的测量点的累计百分比，从而评价田面高低起伏幅度和分布特征。若累计百分比符合正态分布3σ法则，则说明约有99.7％的测点分布在ED<A的区间内，即绝大多数田面高程与田块平均高程值相差在距离值A以内。比较标准差S_d和距离值A的数值，把数值较大者作为测量田田面的平整度。

由于测距点云平面难以保证绝对水平，农田田面往往也不与海拔水平面绝对平行，因此在进行农田平地精度评价时，需要根据测量的田块点位高程数据拟合平面方程，在此基础上进行后续计算。在大地坐标系中，采用Matlab软件中的Regress函数可求得田面拟合平面方程为：Z＝AX+BY+C,具体程序如下：

X1＝[n x y]；b＝regress(z,X1)；

xfit＝min(x):5:max(x)；

yfit＝min(y):5:max(y)；

[XFIT,YFIT]＝meshgrid(xfit,yfit)

ZFIT＝b(1)+b(2)*XFIT+b(3)*YFIT；

mesh(XFIT,YFIT,ZFIT)；

田面某测量点至拟合平面距离的计算公式为：

距离di的标准差S_d计算公式为：

式中，d为所有测点至拟合平面垂直距离的平均值，n为田块内所有测点的数量。运用公式(2)和公式(3)结合求得的拟合平面，便可计算水田的平整度，见图10。

上述实施例为本发明的一种实施方式，但本发明的实施方式并不限定与此，从事该领域技术人员在未背离本发明精神和原则下所做的任何修改、替换、改进，均包含在本发明的保护范围内。

Claims (6)

1.一种基于激光测距的动态水田平整度检测装置，其特征在于，包括激光测距仪、连接支架及处理器；激光测距仪通过连接支架安装在农田作业车辆后方，激光测距仪与处理器连接；处理器读取激光测距仪的测量数据，并对其进行数据处理，所述数据处理包括测量数据的坐标转换、阈值滤波和田面三维重构，计算农田表面相对高程的标准差S_d和高程差分布ED，根据标准差S_d和高程差分布ED评价出水田平面平整度；

所述连接支架包括高度调节板、云台、高度定位板、第一固定件、第二固定件及第三固定件，第一固定件、第二固定件及第三固定件上均设有固定点；第三固定件连接在第一固定件与第二固定件之间；高度定位板与第一固定件、第二固定件固定连接，高度定位板设有用于固定高度调节板的孔；高度调节板通过高度定位板上的孔，高度可调地固定在高度定位板上；云台固定在高度调节板上；

所述激光测距仪安装在所述高度调节板上，且位于所述高度定位板的外侧，并通过所述云台调整扫描角度以便保持垂直扫描田面；所述第一固定架、第二固定件及第三固定件位于所述高度定位板的内侧，位于高度定位板与农田作业车辆之间。

2.根据权利要求1所述的动态水田平整度检测装置，其特征在于，所述处理器为PC机。

3.根据权利要求1所述的动态水田平整度检测装置，其特征在于，所述第一固定件、第二固定件及第三固定件上分别设有第一固定点、第二固定点及第三固定点，第一固定点、第二固定点及第三固定点这三个固定点呈三角形分布。

4.一种基于激光测距的动态水田平整度检测方法，其特征在于，采用权利要求1所述动态水田平整度检测装置检测，包括以下步骤：

S1、采用激光测距仪扫描田面，采集田面点云数据，获取测距数据；

S2、对采集到的测距数据进行坐标系转换，绘制田面点云图；

S3、进行田面三维重构：采用阈值滤波算法对所述点云数据进行初步删减，去除明显噪点；再采用均匀栅格化算法对测距数据作进一步精简；最后分别利用二维插值算法或Delaunay算法处理精简后的测距数据，对试验田面进行三维重构；

S4、计算农田表面相对高程的标准差S_d和高程差分布ED，进行田面平整度评价。

5.根据权利要求4所述的动态水田平整度检测方法，其特征在于，步骤S3所述均匀栅格法如下：

(1)定义采样立方体栅格的边长a和欲精简数据点百分比两个参数；

(2)定义以任意一点M为中心，边长为a的采样立方体栅格内其它数据点的点集N＝Ni(xi,yi,zi)，i＝l，2,…，n，分别计算点M到点集N内任一点的距离；

(3)将(2)所计算的所有距离相加，并求出平均点距值；

(4)对所有数据点实施上述(2)及(3)的计算，再根据(1)所定义的精简百分比，把平均点距值最小的百分比个数据点删除，从而实现测距数据的精简。

6.根据权利要求4所述的动态水田平整度检测方法，其特征在于，步骤S4所述田面平整度评价的步骤如下：通过计算田块内所有测量点到拟合平面的距离di，然后对距离di进行统计分析，统计di小于某一预设距离值A的测量点的累计百分比，获取高程差分布ED；若累计百分比符合正态分布3σ法则，比较标准差S_d和距离值A的数值，把数值较大者作为测量田田面的平整度。