本實用新型涉及農(nóng)作物結(jié)構(gòu)信息非接觸、自動化測量領(lǐng)域，尤其涉及一種全自動農(nóng)作物株高測量裝置。

背景技術(shù)：

通過農(nóng)作物生長參數(shù)觀測，鑒定農(nóng)業(yè)氣象條件對農(nóng)作物生長發(fā)育和產(chǎn)量形成及品質(zhì)的影響，為農(nóng)業(yè)氣象情報、預(yù)報以及農(nóng)作物的氣候評價、指導(dǎo)大田管理等提供依據(jù)，為高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、高效、精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)提供服務(wù)。農(nóng)作物生長參數(shù)主要包括密度、葉面指數(shù)、株高、長勢等，其中株高參數(shù)是農(nóng)作物生長過程中的重要參數(shù)，主要依靠人工觀測，如中國專利CN 204007409 U公開的裝置，仍是需要人工使用裝置完成測量。然而，人工觀測存在工作量大，觀測過程易受主觀因素影響等。專利CN 102175156 B給出的依賴于運(yùn)動機(jī)構(gòu)的自動化測量裝置，由于作物生長在風(fēng)吹、日曬等作用環(huán)境中，運(yùn)動機(jī)構(gòu)易損壞，實用價值不高。

目前的株高自動測量技術(shù)主要包括超聲波技術(shù)和單純視覺測量技術(shù)。超聲波技術(shù)由于信號處理簡單、分辨力較強(qiáng)、價格低等優(yōu)點廣泛用于距離測量中。然而，普通超聲波存在無法測量20cm以內(nèi)距離的盲區(qū)問題，且由于波束發(fā)散大，定向精度不高，在農(nóng)作物株高測量領(lǐng)域并未取得很好的效果。單純視覺測量技術(shù)中，有基于單目視覺計算株高信息，也有利用雙目視覺系統(tǒng)重構(gòu)株高等信息的相關(guān)技術(shù)，但存在測量精度不高，模型復(fù)雜，計算量大，很難實際使用等缺點，所以并未得到廣泛應(yīng)用。

結(jié)構(gòu)光技術(shù)廣泛用于三維測量領(lǐng)域，主要可測量物體三維形貌。中國專利CN103438832 B公開了一種基于線結(jié)構(gòu)光的三維影像測量方法，該方法通過提取線激光條中心線與被測物體邊緣交點，得出該交點的三維信息值，從而達(dá)到測量目的。中國專利CN 205720668 U公開了結(jié)構(gòu)光測距裝置，給出了基于三角測量原理的三維測量裝置。然而在農(nóng)作物株高測量中，需要確定株高相對于生長水平面的高度，目前的結(jié)構(gòu)光測量系統(tǒng)在建?；驑?biāo)定過程未考慮該應(yīng)用場景，所以不適合直接用于測量農(nóng)作物株高。對農(nóng)作物株高參數(shù)實現(xiàn)自動化觀測是實現(xiàn)高效、精細(xì)農(nóng)業(yè)的基礎(chǔ)和前提，是目前亟待解決的問題。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

實用新型目的：為實現(xiàn)農(nóng)作物株高自動化測量，提高測量精度，本實用新型提供一種全自動農(nóng)作物株高測量裝置。

技術(shù)方案：一種全自動農(nóng)作物株高測量裝置，包括攝像機(jī)、線激光器控制處理器、殼體、橫撐桿和豎撐桿，所述豎撐桿與地面垂直安裝，所述橫撐桿安裝在豎撐桿上端且與豎撐桿相互垂直，所述殼體為下表面采用透明材料封裝的長方體，所述殼體的上表面固定在橫撐桿上，攝像機(jī)與線激光器安裝在所述殼體內(nèi)，所述攝像機(jī)的攝像頭朝下；殼體內(nèi)還設(shè)有電機(jī)，所述電機(jī)用于控制線激光器轉(zhuǎn)動；所述攝像機(jī)、線激光器、電機(jī)分別與控制處理器信號連接。

進(jìn)一步的，還包括L型支架和夾具，所述電機(jī)通過L型支架固定在殼體內(nèi)的上表面，電機(jī)包括電機(jī)軸，所述夾具安裝在電機(jī)軸上，夾具夾持住線激光器，所述線激光器與重垂線方向的安裝夾角為滿足且線激光器發(fā)出的光平面不通過攝像機(jī)坐標(biāo)系原點。

進(jìn)一步的，所述電機(jī)可轉(zhuǎn)動的角度范圍為

進(jìn)一步的，所述線激光器功率不小于30mW。

進(jìn)一步的，所述攝像機(jī)、線激光器、電機(jī)分別與控制處理器之間通過連接線連接。

進(jìn)一步的，所述殼體內(nèi)還設(shè)有無線通訊模塊，所述攝像機(jī)、線激光器、電機(jī)分別與無線通訊模塊連接，所述控制處理器上也設(shè)有無線通訊模塊，用于與攝像機(jī)、線激光器、電機(jī)進(jìn)行無線通訊。

進(jìn)一步的，所述控制處理器為計算機(jī)。

進(jìn)一步的，所述控制處理器包括DSP或ARM處理芯片及外圍電路的嵌入式系統(tǒng)。

有益效果：本實用新型提供的一種全自動農(nóng)作物株高測量裝置，可以簡單方便的實現(xiàn)農(nóng)作物株高自動化測量，結(jié)構(gòu)簡單，容易安裝，高效精細(xì)，非接觸，無需人工測量株高，可自動測量并輸出農(nóng)作物株高，方便快捷，而且可以避免人工測量產(chǎn)生的主觀因素影響。

附圖說明

圖1為全自動農(nóng)作物株高測量裝置結(jié)構(gòu)圖；

圖2為控制激光器轉(zhuǎn)動機(jī)構(gòu)圖。

圖3是全自動農(nóng)作物株高測量裝置工作流程圖。

圖1和圖2中：1-攝像機(jī)，2-激光器，3-控制處理器，4-殼體，5-連接線，6-橫撐桿，7-豎撐桿，8-電機(jī)，81-電機(jī)軸，9-L型支架，10-夾具，11-地面，12-農(nóng)作物。

具體實施方式

下面結(jié)合本申請實施例中的附圖對本實用新型給出的一種全自動農(nóng)作物株高測量方法及裝置具體實施方式做進(jìn)一步說明。顯然，所描述的實施例僅是本申請一部分實施例，而不是全部實施例?；诒旧暾埖膶嵤├?，本領(lǐng)域技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本申請保護(hù)的范圍。

如圖1所示，自動農(nóng)作物株高測量裝置包括攝像機(jī)1、線激光器2、控制處理器3、殼體4、橫撐桿6和豎撐桿7，所述豎撐桿7與地面11垂直安裝，所述橫撐桿6安裝在豎撐桿7上端且與豎撐桿7相互垂直，所述殼體4為下表面采用透明材料封裝的長方體，所述殼體4的上表面固定在橫撐桿6上，攝像機(jī)1與線激光器2安裝在所述殼體4內(nèi)，所述攝像機(jī)1的攝像頭朝下；殼體4內(nèi)還設(shè)有電機(jī)8，所述電機(jī)8用于控制線激光器2轉(zhuǎn)動；所述攝像機(jī)1、線激光器2、電機(jī)8分別制處理器3信號連接。攝像機(jī)1、線激光器2等可直接在市面上買到。

如圖2所示，還包括L型支架9和夾具10，所述電機(jī)8通過L型支架9固定在殼體4內(nèi)的上表面，電機(jī)8包括電機(jī)軸81，所述夾具10安裝在電機(jī)軸81上，夾具10夾持住線激光器2，所述線激光器2與重垂線方向的夾角為且線激光器發(fā)出的光平面不通過攝像機(jī)坐標(biāo)系原點；所述電機(jī)8可轉(zhuǎn)動的角度范圍為如果將激光器連接到可旋轉(zhuǎn)一定角度的裝置上，通過激光器旋轉(zhuǎn)實現(xiàn)激光器在作物上方掃描測量，以避免激光器打到農(nóng)作物壟間，應(yīng)該視為本測量方法及裝置的特殊形式，屬于本申請保護(hù)范圍。

采用電機(jī)控制激光器可旋轉(zhuǎn)一定角度，通過激光器旋轉(zhuǎn)實現(xiàn)激光器在作物上方掃描測量，可以避免激光器打到農(nóng)作物壟間。

所述線激光器2功率不小于30mW，由控制處理器3控制，在非測量狀態(tài)下關(guān)閉，測量狀態(tài)下打開；所述攝像機(jī)1、線激光器2、電機(jī)8分別與控制處理器3之間通過連接線5連接。當(dāng)然，也可以采用無線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通訊，在殼體內(nèi)設(shè)置無線通訊模塊，所述攝像機(jī)1、線激光器2、電機(jī)8分別與無線通訊模塊連接，所述控制處理器3上也設(shè)有無線通訊模塊，用于與攝像機(jī)1、線激光器2、電機(jī)8進(jìn)行無線通訊。

所述裝置中，攝像機(jī)1安裝在殼體4內(nèi)部，用以采集相關(guān)圖像；線激光器2安裝在攝像機(jī)1旁邊，線激光器2發(fā)出的激光平面不通過攝像機(jī)光心點；控制處理器3控制線激光器2的開、關(guān)，控制電機(jī)8轉(zhuǎn)動，并進(jìn)行圖像處理運(yùn)算；控制處理器運(yùn)算完成后可直接輸出農(nóng)作物12的高度；本實施例所述的控制處理器3由計算機(jī)構(gòu)成，也可以是由DSP或ARM處理芯片及外圍電路的嵌入式系統(tǒng)，采用嵌入式系統(tǒng)實現(xiàn)控制處理器功能并將其集成在裝置外殼內(nèi)部，應(yīng)該視為本測量方法及裝置的特殊形式，屬于本申請保護(hù)范圍。

控制處理器控制線激光器的開關(guān)，需要測量時打開線激光器，線激光器將激光條打在農(nóng)作物上，攝像機(jī)采集圖像并對圖像進(jìn)行處理，根據(jù)結(jié)構(gòu)光視覺測量技術(shù)的原理測量出農(nóng)作物株高，控制處理器輸出農(nóng)作物株高值。

該裝置可以簡單方便的實現(xiàn)農(nóng)作物株高自動化測量，結(jié)構(gòu)簡單，容易安裝，高效精細(xì)，非接觸，無需人工測量株高，可自動測量并輸出農(nóng)作物株高，方便快捷，而且可以避免人工測量產(chǎn)生的主觀因素影響。

如圖3所示，采用本裝置進(jìn)行農(nóng)作物株高測量的具體步驟包括：第一步，定義坐標(biāo)系；第二步，建立系統(tǒng)模型，第三步，標(biāo)定裝置參數(shù)；第四步，測量株高。結(jié)合圖1闡述以下具體步驟：

1定義坐標(biāo)系

以攝像機(jī)光心點為坐標(biāo)原點，平行于圖像x、y方向為x_c軸、y_c軸，光軸方向為z_c軸，建立攝像機(jī)坐標(biāo)系，定義x_c軸、y_c軸和z_c軸；以農(nóng)作物底端起點所在的水平面為x_g軸y_g軸構(gòu)成的平面，重垂線反方向為z_g軸，建立地面坐標(biāo)系，定義x_g軸、y_g軸和z_g軸；以標(biāo)定板上棋盤格奇數(shù)、偶數(shù)角點的方向為x_b軸、y_b軸，以棋盤格的垂線為z_b軸，建立標(biāo)定板平面坐標(biāo)系，定義x_b軸、y_b軸和z_b軸；

2建立系統(tǒng)模型

該系統(tǒng)模型中，包括攝像機(jī)模型、光平面方程模型和改進(jìn)的三角測量模型。

2.1攝像機(jī)模型

設(shè)空間上任意一點P在攝像機(jī)坐標(biāo)系的坐標(biāo)為X_P＝(x_c,y_c,z_c)^T，經(jīng)攝像機(jī)成像后，在圖像平面上的投影點p，其坐標(biāo)為p＝(u,v)^T，將其增加一維單位坐標(biāo)變成齊次形式為：和在不考慮畸變情況下，根據(jù)攝像機(jī)模型，攝像機(jī)坐標(biāo)系與圖像平面坐標(biāo)系的關(guān)系為：

其中z_c為P在攝像機(jī)坐標(biāo)系的深度值，一般無法通過小孔成像模型直接獲得，即在小孔成像模型中，圖像坐標(biāo)系的一個點對應(yīng)三維空間中的一條射線；是攝像機(jī)內(nèi)參數(shù)，k_u,k_v是圖像x、y方向的尺度因子，s反映x、y兩軸向的夾角因子，u₀,v₀是攝像機(jī)鏡頭光軸與CCD平面的交點坐標(biāo)。

2.2光平面方程模型

基于激光視覺的作物株高測量系統(tǒng)中，攝像機(jī)與激光平面投射器剛性連接，且激光平面不通過攝像機(jī)坐標(biāo)系原點，則激光平面在攝像機(jī)坐標(biāo)系可表示為π＝(a,b,c,1)；在系統(tǒng)工作時，激光條打在農(nóng)作物上，在農(nóng)作物上留有系列特征點，設(shè)特征點在攝像機(jī)坐標(biāo)系的齊次坐標(biāo)為該系列特征點在激光平面上，所以滿足：

2.3改進(jìn)的三角測量模型

設(shè)P為激光平面上一點，p為其投影到圖像平面上的對應(yīng)點，原始的三角測量模型，即給定像平面上一點p和激光平面方程，求解p點對應(yīng)的攝像機(jī)坐標(biāo)系的P點的三維坐標(biāo)值，但本測量背景是測量農(nóng)作物株高，要求解農(nóng)作物相對于底端水平面的高度，所以本實用新型使用改進(jìn)的三角測量模型。

根據(jù)三角測距原理，激光條形成的特征點既滿足小孔成像模型，又滿足光平面方程模型，即：

可得激光條打在農(nóng)作物上特征點在攝像機(jī)坐標(biāo)系坐標(biāo)X_c，其深度值z_cl。如圖1所示，設(shè)攝像機(jī)的安裝高度為z'_g0，攝像機(jī)光軸與重垂線夾角為θ，參數(shù)z'_g0和θ的余弦值cos(θ)共同構(gòu)成攝像機(jī)安裝參數(shù)。則農(nóng)作物株高為：

h＝z'_g0-z_c cos(θ)

其中攝像機(jī)光軸與重垂線夾角參數(shù)z_c0為攝像機(jī)光軸與地面坐標(biāo)系交點在攝像機(jī)坐標(biāo)系的z_c軸值。

在本實用新型所述的激光視覺的作物株高測量方法及裝置中，攝像機(jī)內(nèi)參數(shù)K，光平面方程π，攝像機(jī)安裝高度z'_g0，攝像機(jī)光軸與重垂線夾角參數(shù)cos(θ)，隨著系統(tǒng)安裝完成后即固定，為常量，需預(yù)先標(biāo)定；系統(tǒng)工作時，激光條打在農(nóng)作物上的特征點可通過相應(yīng)圖像處理方法得到，將特征點帶入系統(tǒng)模型中運(yùn)算即可實時測量農(nóng)作物株高參數(shù)。

3.1攝像機(jī)內(nèi)參數(shù)標(biāo)定方法

攝像機(jī)內(nèi)參數(shù)K的標(biāo)定方法采用張正友棋盤格標(biāo)定方法，標(biāo)定過程使用不同位姿的m≥3幅圖像；要求標(biāo)定過程中，至少有一次將棋盤格標(biāo)定板置于農(nóng)作物底端起點對應(yīng)的水平面上，使地面坐標(biāo)系x_g軸y_g軸構(gòu)成的平面與標(biāo)定板平面坐標(biāo)系x_b軸、y_b軸構(gòu)成的平面重合，以標(biāo)定攝像機(jī)安裝參數(shù)。

3.2攝像機(jī)安裝參數(shù)標(biāo)定方法

攝像機(jī)安裝參數(shù)包括攝像機(jī)的安裝高度z'_g0，攝像機(jī)光軸與重垂線夾角θ的余弦值cos(θ)。

3.2.1攝像機(jī)安裝高度z'_g0標(biāo)定方法

將棋盤格標(biāo)定板置于農(nóng)作物底端起點對應(yīng)的水平面上，此時定義地面坐標(biāo)系與標(biāo)定板平面坐標(biāo)系重合；攝像機(jī)坐標(biāo)系(x_c,y_c,z_c)與地面坐標(biāo)系(x_g,y_g,z_g)之間關(guān)系為其中R₀為兩坐標(biāo)系之間的旋轉(zhuǎn)矩陣，t₀為兩坐標(biāo)系的平移向量，利用棋盤格標(biāo)定方法求出R₀,t₀；則攝像機(jī)坐標(biāo)系坐標(biāo)原點X_C0＝[0,0,0]^T，齊次形式為在地面坐標(biāo)系的坐標(biāo)為X_G0＝[x_g0,y_g0,z_g0]，齊次形式為z'_g0＝|z_g0|即為攝像機(jī)安裝高度參數(shù)，通過下式求出：

3.2.2攝像機(jī)光軸與重垂線夾角θ的余弦值cos(θ)標(biāo)定方法

棋盤格標(biāo)定板置于農(nóng)作物底端起點對應(yīng)的水平面上時，標(biāo)定板平面在地面坐標(biāo)系的方程表示為π₀＝[0,0,1,0]，即z＝0的平面，將所述平面變換到攝像機(jī)坐標(biāo)系，表示為π₀'＝(a₀,b₀,c₀,d₀)，π₁由下式計算：

光軸與π₀'平面的交點為即由此可標(biāo)定出夾角余弦值cos(θ)：

如果將攝像機(jī)豎直安裝，即θ＝0，通過其他手段，如直接測量，超聲波測距等直接測出攝像機(jī)距離地面高度z'_g0的測量方式，應(yīng)該視為本測量方法及裝置的特殊形式，屬于本申請保護(hù)范圍。

3.3線激光平面參數(shù)標(biāo)定方法

標(biāo)定板平面在標(biāo)定板平面坐標(biāo)系表示為π₀＝[0,0,1,0]，第i次位姿下標(biāo)定板平面方程在攝像機(jī)坐標(biāo)系表示為π_i'，將標(biāo)定板平面從標(biāo)定板坐標(biāo)系表示π₀變換到攝像機(jī)坐標(biāo)系表示π_i'，變換式為其中R_i,t_i為相應(yīng)的旋轉(zhuǎn)矩陣和平移向量，在標(biāo)定內(nèi)參數(shù)過程中求出；

標(biāo)定過程中使用m≥3幅標(biāo)定板位姿并采集圖像，對采集圖像進(jìn)行處理，提取線激光條中心點作為激光條特征點，在每幅圖上選取n≥10個在標(biāo)定板平面上的激光條特征點，選取的特征點在圖像平面的齊次坐標(biāo)為將所述齊次坐標(biāo)變換為在攝像機(jī)坐標(biāo)系的坐標(biāo)X_Ci[x_ci,y_ci,z_ci]^T，齊次形式為變換公式為：

這mn個點X_Ci均在線激光平面上，滿足光平面方程模型采用最小二乘法擬合線激光平面參數(shù)π。

在株高測量時，激光器進(jìn)行旋轉(zhuǎn)掃描測量時，不同位置計算株高帶入相應(yīng)的光平面方程參數(shù)。比如，當(dāng)電機(jī)帶動激光器首次旋轉(zhuǎn)角度時，標(biāo)定相應(yīng)位置的光平面方程在首次旋轉(zhuǎn)度的情況下再旋轉(zhuǎn)度，標(biāo)定相應(yīng)位置的光平面方程其中和的范圍為

4.1圖像處理

對1-攝像機(jī)采集到的打了線激光條的植株圖像進(jìn)行二值化，根據(jù)二值化圖像提取激光條特征點；由于本實施例采用的線激光功率較大，在圖像中特征明顯，二值化操作即可明顯區(qū)分目標(biāo)與背景；若在其他實施例中，圖像特征不明顯，則采用濾波、銳化等圖像處理方法進(jìn)行圖像處理，提取特征點。

4.2株高測量

對攝像機(jī)采集到的打了線激光條的植株圖像進(jìn)行處理后，提取出線激光條亮點在圖像平面的齊次坐標(biāo)變換到攝像機(jī)坐標(biāo)系的坐標(biāo)X_Ci[x_ci,y_ci,z_ci]^T，齊次形式為滿足三角測距原理：

選取z_ci最小的q個激光點，10≤q≤20，計算平均值

計算植株高度為：h＝z'_g0-z_qcos(θ)。

其中，10≤q≤20，z_q為q個激光條特征點在攝像機(jī)坐標(biāo)系的z_c軸坐標(biāo)的平均值，h為計算出的農(nóng)作物株高。

對上述所公開的實施例，相關(guān)專業(yè)的技術(shù)人員能夠?qū)崿F(xiàn)或使用本申請。對實施例的多種修改對本領(lǐng)域的專業(yè)技術(shù)人員來說將是顯而易見。因此，本申請所定義的一般原理可以在不脫離本申請的技術(shù)范圍情況下，在其他實施例中實現(xiàn)。所以，本申請將不限于本文所示的實施例，而是符合本文所公開的原理和新穎特點相一致的最寬的范圍。