基于超声波的果树冠层三维重构与体积测量
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基于超声波的果树冠层三维重构与体积测量
为了克服地面不平整和拖拉机非线性行驶对果树冠层参数测量的影响该文在超声波传感器阵列测量果树冠层体积技术的基础上使用r1xd冲s空间定位技术和姿态航向参考系统通过空间坐标的平移和旋转转换直接获得以大地坐标表示的果树冠层的三维点阵云图数据通过pc机后台处理重构果树冠层三维轮廓和计算果树冠层体积并详细介绍了系统的结构与工作原理
0⎥⎥
⎢⎣ 0
0 1⎥⎦
试验时，超声波传感器对着果树方向，拖拉机沿果树
两侧行间行走，由于超声波传感器有 4 个，故来回一次 检测可得到 8 条扫描线点云。图 3 为试验检测的果树图 像，图 4 为测得的果树冠层三维点阵云图。沿着单个扫 描线点云进行果树冠层外围轮廓图形分析，可见扫描线
点云的外形与对应位置处果树图像的外形基本一致。GPS 天线安装时，高于地面 2 m，图 4 中显示的 GPS 天线轨 迹点为天线大地坐标的高程减去 2 m 的结果。试验场地 高长的杂草较少，难以对果树冠层测量产生干扰，本文
可以描述为果树冠层外围轮廓与地平面所包含的空间的
体积[4-11]。果树冠层外围轮廓由果树冠层三维重构获得，
为大地坐标系下三维空间坐标。常见的地平面工程测量
装置有 GPS、水准仪、经纬仪、全站仪、便携机等，其
中 GPS 技术为目前快速准确测量作业区域三维地形数据
的主要手段[17]。本文采用 DGPS-RTK 接收机测量地平面
标；Rst 为传感器坐标系相对于车体坐标系的旋转矩阵，
本文数值为 3×3 单位矩阵。
大地坐标系是采用 WGS-84 地心坐标系经高斯—克
吕格投影转换后的平面坐标系，再加上大地高程组成的
图 3 检测果树图像 Fig.3 Picture of fruit tree to be measured
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试验时，超声波传感器对着果树方向，拖拉机沿果树
两侧行间行走，由于超声波传感器有 4 个，故来回一次 检测可得到 8 条扫描线点云。图 3 为试验检测的果树图 像，图 4 为测得的果树冠层三维点阵云图。沿着单个扫 描线点云进行果树冠层外围轮廓图形分析，可见扫描线
点云的外形与对应位置处果树图像的外形基本一致。GPS 天线安装时，高于地面 2 m，图 4 中显示的 GPS 天线轨 迹点为天线大地坐标的高程减去 2 m 的结果。试验场地 高长的杂草较少，难以对果树冠层测量产生干扰，本文
可以描述为果树冠层外围轮廓与地平面所包含的空间的
体积[4-11]。果树冠层外围轮廓由果树冠层三维重构获得，
为大地坐标系下三维空间坐标。常见的地平面工程测量
装置有 GPS、水准仪、经纬仪、全站仪、便携机等，其
中 GPS 技术为目前快速准确测量作业区域三维地形数据
的主要手段[17]。本文采用 DGPS-RTK 接收机测量地平面
标；Rst 为传感器坐标系相对于车体坐标系的旋转矩阵，
本文数值为 3×3 单位矩阵。
大地坐标系是采用 WGS-84 地心坐标系经高斯—克
吕格投影转换后的平面坐标系，再加上大地高程组成的
图 3 检测果树图像 Fig.3 Picture of fruit tree to be measured
基于DSP的果树形态参数检测系统硬件设计
基于DSP的果树形态参数检测系统硬件设计
张建瓴;李松;可欣荣;张铁民
【期刊名称】《华南农业大学学报》
【年(卷),期】2008(029)001
【摘要】根据果树仿形喷雾作业的特点和要求,设计开发了一套基于DSP的果树形态结构参数检测系统. 该系统能够实时采集果树视频图像,并进行快速图像处理和果树部分形态结构参数的计算. 文章主要介绍检测系统的硬件结构、各部分功能和工作原理,并给出了一个简单的图像处理算例. 最终的试验与检测结果表明,该系统对果树最大冠幅和树高的检测相对误差分别在-2.51%～0和-3.0%～1.7%范围内.【总页数】4页(P101-104)
【作者】张建瓴;李松;可欣荣;张铁民
【作者单位】南方农业机械与装备关键技术省部共建教育部重点实验室,华南农业大学,工程学院,广东,广州,510642;广州数控设备有限公司,广东,广州,510156;南方农业机械与装备关键技术省部共建教育部重点实验室,华南农业大学,工程学院,广东,广州,510642;南方农业机械与装备关键技术省部共建教育部重点实验室,华南农业大学,工程学院,广东,广州,510642
【正文语种】中文
【中图分类】S49
【相关文献】
1.基于DSP的果树形态参数检测系统软件的设计 [J], 张建瓴;李松;可欣荣;洪添胜;张铁民
2.基于FPGA和DSP的高精度多通道信号检测系统硬件设计 [J], 李安阳;杨文生;何敏
3.基于DSP的变压器容量检测系统硬件设计的研究 [J], 李克
4.基于DSP谐波检测系统的硬件设计 [J], 冉晓旭
5.基于DSP的鸡蛋蛋壳破损检测系统硬件设计 [J], 姜勇;郭文川
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面向精准喷雾的果树冠层体积在线计算方法
履带自走式喷雾机2摇离散化体积计算方法2郾1摇数据采集与图形绘制于2017年8月15日在山东农业大学校园绿化观赏果园内利用系统抽样的方法随机选取稀疏度果树间空隙长度占果树行长度的比值分别为20郾5630郾1840郾32的10m果树行采用测量精度皆为88的非接触式nu40f15tr2m型超声波测距传感器及非接触式sickdt35型激光测距传感器分别采集果树冠层体积特征信息
Online Calculation Method of Fruit Trees Canopy Volume for Precision Spray
JIANG Honghua1 摇 LIU Limin2 摇 LIU Pingzeng1 摇 WANG Jinyu1 摇 ZHANG Xiaohui2 摇 GAO Dongsheng3
摘要: 针对目前变量喷雾未综合考虑空隙预判及防漏喷的问题,提出了基于空隙预判的果树冠层体积在线计算方 法。 该方法利用超声波传感器与激光传感器提前 46 cm 探测,获取冠层信息点云图,并剔除空隙及冗余数据进行滤 波;同时进行曲线分割、空隙预判,沿喷雾机行进方向离散分割冠层,并制定针对空隙的防漏喷决策。 试验表明:采 用融合式传感器阵列及防漏喷策略,防漏喷效果最佳,但存在喷施过量的问题。 相比普通融合式传感器阵列,改进 后的融合式传感器阵列,在连续型密集果园上、中、下冠层的雾滴沉积个数分别降低 6郾 95% 、3郾 85% 和升高 4郾 40% , 沉积量分别降低 11郾 11% 、8郾 33% 、3郾 57% ;在纺锤型稀疏果园上、中、下冠层的雾滴沉积个数分别降低 27郾 08% 、 30郾 37% 、18郾 55% ,沉积量分别降低 64郾 71% 、60郾 87% 、40郾 38% ;在单株型稀疏果园上、中、下冠层的雾滴沉积个数分 别降低 18郾 44% 、26郾 26% 、15郾 54% ,沉积量分别降低 40% 、42郾 43% 、41郾 46% 。 关键词: 精确喷雾; 果树; 冠层体积; 点云图; 空隙预判; 在线计算 中图分类号: S499 文献标识码: A 文章编号: 1000鄄1298(2019)07鄄0120鄄10
Online Calculation Method of Fruit Trees Canopy Volume for Precision Spray
JIANG Honghua1 摇 LIU Limin2 摇 LIU Pingzeng1 摇 WANG Jinyu1 摇 ZHANG Xiaohui2 摇 GAO Dongsheng3
摘要: 针对目前变量喷雾未综合考虑空隙预判及防漏喷的问题,提出了基于空隙预判的果树冠层体积在线计算方 法。 该方法利用超声波传感器与激光传感器提前 46 cm 探测,获取冠层信息点云图,并剔除空隙及冗余数据进行滤 波;同时进行曲线分割、空隙预判,沿喷雾机行进方向离散分割冠层,并制定针对空隙的防漏喷决策。 试验表明:采 用融合式传感器阵列及防漏喷策略,防漏喷效果最佳,但存在喷施过量的问题。 相比普通融合式传感器阵列,改进 后的融合式传感器阵列,在连续型密集果园上、中、下冠层的雾滴沉积个数分别降低 6郾 95% 、3郾 85% 和升高 4郾 40% , 沉积量分别降低 11郾 11% 、8郾 33% 、3郾 57% ;在纺锤型稀疏果园上、中、下冠层的雾滴沉积个数分别降低 27郾 08% 、 30郾 37% 、18郾 55% ,沉积量分别降低 64郾 71% 、60郾 87% 、40郾 38% ;在单株型稀疏果园上、中、下冠层的雾滴沉积个数分 别降低 18郾 44% 、26郾 26% 、15郾 54% ,沉积量分别降低 40% 、42郾 43% 、41郾 46% 。 关键词: 精确喷雾; 果树; 冠层体积; 点云图; 空隙预判; 在线计算 中图分类号: S499 文献标识码: A 文章编号: 1000鄄1298(2019)07鄄0120鄄10
基于超声波传感器和DGPS的果树冠径检测
@ 通 讯 作万者方F洪数添据胜?留 法 博 士?教 授?博 士 生 导 师?院 长?广 州 华
南 农 业 大 学 信 息 学 院 ?C>#$B!G 4I’,6F+)/-(:_ )*’970\97*(
比 试 验 QCSG也 有 学 者 等 对 超 声 波 传 感 器 在 果 树 体 积 测 量 中树冠枝叶密度和拖拉机行驶速度对测量精度的影响
第 (期
王万章等t基于超声波传感器和 X*$#的果树冠径检测
,>h
! 材料与方法
!"! 检测系统 在 一 台 #$%&’(久 保 田 小 型 拖 拉 机 上 构 建 了 由 工
控 机)超 声 波 传 感 器)*$#接 收 机)电 子 罗 盘 等 构 成 的 果树检测系统+如图 ,-.系统采用德国倍加福+$/00/12 3 45678-公 司 的 %9:;;;&4:<&%&=,>超 声 波 传 感 器) 传感器谐振频率 (>?@A)测量范围 <;;B:;;;CC.采 用 美 国 D1ECF2/公 司 生 产 的 GH*$#DI,J<差 分 *$# 接 收 机)它 有 两 个 可 编 程 K#<J<串 口)可 输 出 符 合 LMIG&;,(J格式的多种类型的 字 符 串 信 息)也 可 接 收 基 准站发送的 KDNI #N&,;:格式差分信号.电子罗盘 是 美 国 @OP/QR/22公 司 生 产 的 @IKJ;;;数 字 罗 盘 模 块 .该 模 块 使 用 磁 阻 传 感 器 和 两 轴 倾 斜 传 感 器 来 提 供 航 向信息.多串口卡为 ISTG N$&,’(%PEU/18V2$NW系 列 串 口 卡)具 备 (个 K#&<J<串 口 的 N$&,’(% 串 口 卡) 可 用 来 连 接 数 据 采 集 设 备 或 大 部 分 串 行 设 备 到 $N或 兼容的系统上.
南 农 业 大 学 信 息 学 院 ?C>#$B!G 4I’,6F+)/-(:_ )*’970\97*(
比 试 验 QCSG也 有 学 者 等 对 超 声 波 传 感 器 在 果 树 体 积 测 量 中树冠枝叶密度和拖拉机行驶速度对测量精度的影响
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王万章等t基于超声波传感器和 X*$#的果树冠径检测
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! 材料与方法
!"! 检测系统 在 一 台 #$%&’(久 保 田 小 型 拖 拉 机 上 构 建 了 由 工
控 机)超 声 波 传 感 器)*$#接 收 机)电 子 罗 盘 等 构 成 的 果树检测系统+如图 ,-.系统采用德国倍加福+$/00/12 3 45678-公 司 的 %9:;;;&4:<&%&=,>超 声 波 传 感 器) 传感器谐振频率 (>?@A)测量范围 <;;B:;;;CC.采 用 美 国 D1ECF2/公 司 生 产 的 GH*$#DI,J<差 分 *$# 接 收 机)它 有 两 个 可 编 程 K#<J<串 口)可 输 出 符 合 LMIG&;,(J格式的多种类型的 字 符 串 信 息)也 可 接 收 基 准站发送的 KDNI #N&,;:格式差分信号.电子罗盘 是 美 国 @OP/QR/22公 司 生 产 的 @IKJ;;;数 字 罗 盘 模 块 .该 模 块 使 用 磁 阻 传 感 器 和 两 轴 倾 斜 传 感 器 来 提 供 航 向信息.多串口卡为 ISTG N$&,’(%PEU/18V2$NW系 列 串 口 卡)具 备 (个 K#&<J<串 口 的 N$&,’(% 串 口 卡) 可 用 来 连 接 数 据 采 集 设 备 或 大 部 分 串 行 设 备 到 $N或 兼容的系统上.
三维虚拟植物模型可用于果树冠层结构及光截获的精准量化评价
布 规 律 明 显 ，随 冠 层 高 度 及 距 树 干 水 平 距 离 增 大 而 逐 渐 增 加 。果 实 主要 分 布 于 冠 层 高 度 ０ ． ５ ～
产 量 特 性 相 同 ．与 这 个 地 区 阴 棚 香 蕉 种 植 园 的 平均产量一致。 该试验结果表 明， 与 针 织 遮 幕 相
复， 随机 排 列 。 研 究 人 员 同 时监 测 了 １ ０ ％的 梭织
遮幕 和 １ ０ ％针 织 遮 幕 下 的 空气 流 速 、 温度 、 湿 度 和净 辐 射 。 结 果 表 明 ，这 两 种 遮 幕 下 净 辐 射 和 空 气 温
枝梢 叶面积 比例 ７ ４ ． ８ ８ ％。 整体冠层体积 、 郁 闭
凌麓 濯 圜心 蒸鞭曩翻 量 黪晌
＼ 参鸯
叶片 长度 的平 方 与 叶面 积 间均呈 显 著线 性 关
系 。结 合 三 维 数 字 化 技 术 与 枝 叶 间异 速 生 长 关
系 构 建 了苹 果 冠 层 三 维 虚拟 植 物模 型 。
据（ （ Ｓ ｃ ｉ ｅ ｎ ｔ ｉ ａ Ｈｏ ｒ ｔ ｉ ｃ ｕ ｌ ｔ ｕ ｒ ａ ｅ ｝ 的一 篇研 究报 道
（ ｈ ｔ ｔ ｐ ： ／ ／ ｄ ｘ ． ｄ ｏ ｉ ． ｏ ｒ ｇ ／ １ ０ ． １ ０ １ ６ ／ ｊ ． ｓ ｃ ｉ ｅ ｎ ｔ ａ ． ２ ０ １ ４ ． ０ ９ ． ０ ５ ０ ） ，
来 自以色 列 农 业 研 究 组 织 的 研 究 人 员 研 究 了 遮
结果表 明 ，叶片数量及 叶片面积模拟值与
以 １ ４ 年 生矮 化 中 间砧 高 纺 锤 形 富土 （ 西 府 海 棠／ Ｍ ２ ６ ／ ￣ Ｌ 泉短 富） 为试 材 ， 以 田间 树 体 数 字 化 测 定
产 量 特 性 相 同 ．与 这 个 地 区 阴 棚 香 蕉 种 植 园 的 平均产量一致。 该试验结果表 明， 与 针 织 遮 幕 相
复， 随机 排 列 。 研 究 人 员 同 时监 测 了 １ ０ ％的 梭织
遮幕 和 １ ０ ％针 织 遮 幕 下 的 空气 流 速 、 温度 、 湿 度 和净 辐 射 。 结 果 表 明 ，这 两 种 遮 幕 下 净 辐 射 和 空 气 温
枝梢 叶面积 比例 ７ ４ ． ８ ８ ％。 整体冠层体积 、 郁 闭
凌麓 濯 圜心 蒸鞭曩翻 量 黪晌
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叶片 长度 的平 方 与 叶面 积 间均呈 显 著线 性 关
系 。结 合 三 维 数 字 化 技 术 与 枝 叶 间异 速 生 长 关
系 构 建 了苹 果 冠 层 三 维 虚拟 植 物模 型 。
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来 自以色 列 农 业 研 究 组 织 的 研 究 人 员 研 究 了 遮
结果表 明 ，叶片数量及 叶片面积模拟值与
以 １ ４ 年 生矮 化 中 间砧 高 纺 锤 形 富土 （ 西 府 海 棠／ Ｍ ２ ６ ／ ￣ Ｌ 泉短 富） 为试 材 ， 以 田间 树 体 数 字 化 测 定
基于超声波传感器和DGPS的果树冠径检测
基于超声波传感器和DGPS的果树冠径检测王万章;洪添胜;陆永超;岳学军;张智刚;蒋国良【期刊名称】《农业工程学报》【年(卷),期】2006(22)8【摘要】为实现果园果树的仿形精确喷雾,适时获取果树冠径信息,采用超声波传感器,GPS接受机和电子罗盘等在拖拉机上建立了一套果树冠径检测试验系统.并在室外对5个圆柱规则外形树冠进行了检测试验.试验分别采用4种树冠直径检测计算方法,并选择0.31 m/s和0.65 m/s两种不同拖拉机行驶速度进行检测.采用误差分析的方法检验果树冠径检测系统的实际检测效果.误差分析表明拖拉机分别以0.31 m/s和0.65 m/s速度行驶时,应用超声波探测果树树冠两个轮廓边缘计算5个树冠直径的平均相对误差分别为5.54%和5.80%.用电子罗盘和DGPS数据进行加权平均融合修正拖拉机行驶轨迹,由超声波检测到的果树两个轮廓边缘的位置信息计算果树直径,在两种检测速度下的平均相对误差为14.38%.研究结果为果树仿行喷雾控制和果园果树生长信息采集提供了技术方法.【总页数】4页(P158-161)【作者】王万章;洪添胜;陆永超;岳学军;张智刚;蒋国良【作者单位】河南农业大学机电工程学院,郑州,450002;华南农业大学工程学院,广州,510642;华南农业大学工程学院,广州,510642;华南农业大学工程学院,广州,510642;华南农业大学工程学院,广州,510642;河南农业大学机电工程学院,郑州,450002【正文语种】中文【中图分类】TP274+.53【相关文献】1.超声波传感器检测卷径的原理及其应用 [J], 何军锋;赵庆海2.基于温度和太阳辐射的番茄果型果径模拟模型 [J], 滕林;程智慧;赖琳玲;陈学进;冯武焕3.基于超声波传感器的可压缩式垃圾箱检测系统分析 [J], 何王凤; 郑智超4.基于颜色与果径特征的苹果树果实检测与分级 [J], 樊泽泽;柳倩;柴洁玮;杨晓峰;李海芳5.基于超声波传感器的木段断面轮廓检测系统 [J], 邵美芳;刘思默;王涛因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
基于三维点云数据的苹果树冠层几何参数获取
仪 不 同远 近 条件 下 的标 靶 球 配准 残 差和 拟 合 误 差 的 变 化 规 律 ，分 析 结 果 表 明 ，标 靶 球 平均 配 准残 差 为 １ ． ３ ｍｍ，平 均 拟 合
误差为 ０ ． ９ ５ １ Ｔ ｌ ｌ ｎ ，低于大场景测量配准误差要求 （ ５ ｍｍ） 。为 了提高有风环境 下提取苹 果树 冠层 参数的精度，研究了 ０ ． ９ ４ ４ ． ５ ｍ／ ｓ 区间平均风速影响下的苹果树冠层枝干 、果实 、叶片 的三 维点云质量，建立 了风速与叶片侧面厚度 的曲线拟 合模 型 ，分析结果表 明，在 果园平均风速 小于 １ ． ６ｍ／ ｓ 时可 以从苹果树冠层三维 点云数据 中提 取高精度冠层参数 。利用地面激 光三维扫描 仪获取距 离苹 果树 １ ２ ０ ０ ０ Ｉ ｎ ／ ／ １ 以内冠层参数 ，测量精度 高于人工测量 ，相对误差小于 ４ ％，为果树高通量信息 获取提供 了技术支持 。
ｗｉ ｈ ｔ Ｅ ｎ ｇ ｌ ｉ ｓ ｈ ａ ｂ ｓ ｔ ｒ ａ ｃ ｔ １
ｄ ｏ ｉ ：１ ０ ． １ １ ９ ７ ５ ￣ ． ｉ ｓ ｓ ｎ ． １ ０ ０ ２ — ６ ８ １ ９ ． ２ ０ １ ７ ． ０ ３ ． ０ ２ ４
ห้องสมุดไป่ตู้
ｈ ｔ ｔ ｐ ： ／ ／ ｗｗ ｗ． ｔ ｃ ｓ ａ ｅ ． ｏ ｒ ｇ
２月
基于三维点云数据 的苹 果树冠层几何参 数获取
郭彩玲 ２ ，宗 泽 ，张 雪 ，刘 刚 ※
（ １ ．现代精细农业系统集成研究教育部重 点实验 室，农业部农业信息获取技术重 点实验 室 中国农业大学 ，北京 １ ０ ０ ０ ８ ３ ；２ ． 唐 山学院机 电工程系 ，唐 山 ０ ６ ３ ０ ０ ０ ） 摘 要 ：针 对果园环境下苹果树冠层参 数获取精度较低 的问题 ，提出了基于地面三维激 光扫描仪高精度获取苹果树冠层
误差为 ０ ． ９ ５ １ Ｔ ｌ ｌ ｎ ，低于大场景测量配准误差要求 （ ５ ｍｍ） 。为 了提高有风环境 下提取苹 果树 冠层 参数的精度，研究了 ０ ． ９ ４ ４ ． ５ ｍ／ ｓ 区间平均风速影响下的苹果树冠层枝干 、果实 、叶片 的三 维点云质量，建立 了风速与叶片侧面厚度 的曲线拟 合模 型 ，分析结果表 明，在 果园平均风速 小于 １ ． ６ｍ／ ｓ 时可 以从苹果树冠层三维 点云数据 中提 取高精度冠层参数 。利用地面激 光三维扫描 仪获取距 离苹 果树 １ ２ ０ ０ ０ Ｉ ｎ ／ ／ １ 以内冠层参数 ，测量精度 高于人工测量 ，相对误差小于 ４ ％，为果树高通量信息 获取提供 了技术支持 。
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ｄ ｏ ｉ ：１ ０ ． １ １ ９ ７ ５ ￣ ． ｉ ｓ ｓ ｎ ． １ ０ ０ ２ — ６ ８ １ ９ ． ２ ０ １ ７ ． ０ ３ ． ０ ２ ４
ห้องสมุดไป่ตู้
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２月
基于三维点云数据 的苹 果树冠层几何参 数获取
郭彩玲 ２ ，宗 泽 ，张 雪 ，刘 刚 ※
（ １ ．现代精细农业系统集成研究教育部重 点实验 室，农业部农业信息获取技术重 点实验 室 中国农业大学 ，北京 １ ０ ０ ０ ８ ３ ；２ ． 唐 山学院机 电工程系 ，唐 山 ０ ６ ３ ０ ０ ０ ） 摘 要 ：针 对果园环境下苹果树冠层参 数获取精度较低 的问题 ，提出了基于地面三维激 光扫描仪高精度获取苹果树冠层
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1 材料与方法
1.1 试验平台 采用 4 个超声波传感器，从大地起依次标号为 1～4，
安装在一个方型铝材桅杆上，传感器间距为 0.6 m，传感 器 1 距离地面 0.6 m。桅杆刚性垂直安装在一个小型拖拉 机的右边，距离 DGPS 天线纵向轴心线距离 0.7 m，横向 轴心线距离 0.15 m，如图 1 所示。超声波传感器选用 SensComp 公司的 SensComp 600，谐振频率 40 kHz，测 量范围 0.15～10.7 m，集束角 15°。DGPS 天线安装在拖 拉机上，距离地面 2 m。DGPS 接收机设置成 RTK 模式， 采样频率 20 Hz，水平定位精度±2 cm，垂直定位精度± 3 cm。姿态航向参考系统 AHRS500GA-227 安装在拖拉机 车体上，航向角精度±2°，横滚角和俯仰角精度±2.5°， 输出频率高达 100 Hz。
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试验时，超声波传感器对着果树方向，拖拉机沿果树
两侧行间行走，由于超声波传感器有 4 个，故来回一次 检测可得到 8 条扫描线点云。图 3 为试验检测的果树图 像，图 4 为测得的果树冠层三维点阵云图。沿着单个扫 描线点云进行果树冠层外围轮廓图形分析，可见扫描线
点云的外形与对应位置处果树图像的外形基本一致。GPS 天线安装时，高于地面 2 m，图 4 中显示的 GPS 天线轨 迹点为天线大地坐标的高程减去 2 m 的结果。试验场地 高长的杂草较少，难以对果树冠层测量产生干扰，本文
Ps = [0 d 0]T
（1）
三维空间坐标系统 Oxyz。果树冠层 P 点的大地坐标系坐
标 Pw 可由公式（3）求得[13]。
Pw = RwtPt + Tw
（3）
式中，Tw 为 GPS 天线的三维大地坐标；Rwt 为车体坐标系
相对于大地坐标系的旋转矩阵，Rwt=RuφRvθRwφ，φ，φ 和
θ 是 AHRS 测得的车体的航向角，横滚角和俯仰角；
可以描述为果树冠层外围轮廓与地平面所包含的空间的
体积[4-11]。果树冠层外围轮廓由果树冠层三维重构获得，
为大地坐标系下三维空间坐标。常见的地平面工程测量
装置有 GPS、水准仪、经纬仪、全站仪、便携机等，其
中 GPS 技术为目前快速准确测量作业区域三维地形数据
的主要手段[17]。本文采用 DGPS-RTK 接收机测量地平面
206
农业工程学报
2010 年
1.3 果树冠层三维重构 由离散的点云数据重构曲面的计算方法有很多，如
各种插值算法和拟合算法[14-16]，本文采用 MATLAB 软件 中 surf 函数进行果树冠层曲面拟合，该方法属于函数插 值拟合，计算量相对较少。由于用 surf 函数绘制三维曲 面图时，要求数据（x,y）是均匀分布的网格点坐标，但 实际采样点数据是凌乱分布的，故采用 meshgrid 函数插 值网格点（xi,yi），并在这些点的基础上采用 griddata 函 数计算均匀分布网格点的 zi 坐标，再用 surf 函数进行拟 合，具体方法如下。
0引言
由于病虫害、霜冻等引起的果树重栽，以及土壤、 光照等环境因素的影响，果园果树树冠的形状、尺寸和 叶面积指数是有差异的。果树冠层三维重构和参数测量 在农药变量喷施、肥料精准施用和果产预估等果园精细 管理中具有重要的研究意义[1-3]。超声波传感器测距是果 园果树冠径、冠层体积等参数检测的主要技术手段。
摘 要：为了克服地面不平整和拖拉机非线性行驶对果树冠层参数测量的影响，该文在超声波传感器阵列测量果树冠层
体积技术的基础上，使用 RTK-DGPS 空间定位技术和姿态航向参考系统，通过空间坐标的平移和旋转转换，直接获得以
大地坐标表示的果树冠层的三维点阵云图数据，通过 PC 机后台处理重构果树冠层三维轮廓和计算果树冠层体积，并详
ti = min(x) : 0.05 : max(x); tj = min(y) : 0.05 : max(y); [xi, yi] = meshgrid(ti, tj); zi = griddata(x, y, z, xi, yi, 'cubic'); surf(xi, yi, zi); 式中，x，y，z 为点云数据三维坐标构成的向量；ti，tj 为 点云数据在 x 轴和 y 轴上的等分点。 图 5 为图 4 果树冠层点云数据重构的图形。由于果 树冠层三维重构是依据 8 条扫描线点云数据进行的，故 超声波传感器 1 采集的扫描线点云数据与地平面之间的 果树冠形轮廓未获得重构。
第 11 期
பைடு நூலகம்
俞 龙等：基于超声波的果树冠层三维重构与体积测量
205
图 1 果树冠层检测系统实物照片 Fig.1 Prototype picture of fruit tree canopy measuring system
1.2 果树冠层点云位置测量
传感器测量果树冠层轮廓至传感器测量端点的距
离，选取超声波传感器感应片中心点为传感器笛卡儿坐
果树冠层体积可由积分公式（4）求得。
∫ V = (z冠层高 − z地面高 )ds
S
1.5 试验方法
（4）
选用荔枝树进行果树冠层三维重构和冠层体积检测
试验，荔枝园地位于广东省华南农业大学果园实习基地
（2 309.6N，11 321.2E）。荔枝园地为斜坡地，坡度约为
30°。荔枝树行间距 6 m，株间距 5 m，各荔枝树冠层之
标；Rst 为传感器坐标系相对于车体坐标系的旋转矩阵，
本文数值为 3×3 单位矩阵。
大地坐标系是采用 WGS-84 地心坐标系经高斯—克
吕格投影转换后的平面坐标系，再加上大地高程组成的
图 3 检测果树图像 Fig.3 Picture of fruit tree to be measured
图 4 果树冠层三维点云数据图 Fig.4 3-D cloud data of fruit tree canopy
Yu Long, Hong Tiansheng, Zhao Zuoxi, et al. 3D-reconstruction and volume measurement of fruit tree canopy based on ultrasonic sensors[J]. Transactions of the CSAE, 2010, 26(11): 204－208. (in Chinese with English abstract)
标系 O′x′y′z′的原点，y′ 轴方向为超声波传感器的轴线检测
方向。忽略超声波传感器集束角对靶标检测的影响，果
树冠层靶标点坐标为传感器坐标系 y′轴上的一维变量，超
声波传感器 2 坐标系统见图 2 所示。
令超声波传感器 2 与果树冠层靶标点 P 的距离为 d，
果树冠层靶标点 P 的传感器坐标系下坐标 Ps 由公式（1） 表示。
第 26 卷 第 11 期 204 2010 年 11 月
农业工程学报 Transactions of the CSAE
Vol.26 No.11 Nov. 2010
基于超声波的果树冠层三维重构与体积测量
俞 龙，洪添胜，赵祚喜※，黄 健，张 霖
（华南农业大学 南方农业机械与装备关键技术省部共建教育部重点实验室，广州 510642）
三维坐标数据[18]，见图 4。
由于同一棵果树附近小范围内的地面波度变化不
大，故同一棵果树冠层测量数据对应的地面轨迹点可看
作在同一个平面上，采用 matlab 的 regress 函数进行平面
拟合，确定该棵果树所在地平面的平面空间方程，见图 5。
设果树冠层在大地坐标系 x-y 平面上的投影区域为 S，则
细介绍了系统的结构与工作原理。以果园荔枝树为试验对象，采用该系统对 15 棵不同高度和体积的果树进行了 3 次重复 试验，另对 56 棵树的测量结果与人工测量结果进行了对比分析，试验结果表明该方法具有较好的重复性（R2＞0.9341，
RMSE＜1.22 m3），并与人工测量结果相一致（R2 = 0.8972，RMSE = 1.766 m3），能够用于果树冠层三维重构和体积测量。
Tumbo 等[4-11]采用多个竖直放置的超声波传感器检 测果树位置，计算单次采样点位置处的果树冠层单元体 积，通过累加求取果树树冠体积，试验结果表明该方法 测量结果与人工方法测量结果相一致（R2=0.90，RMSE= 1.66 m3）。研究主要有 3 点限定条件：一是果树株距和行 距已知；二是果园地面是平整的；三是拖拉机是直线行 走的，并且是行驶在果树行间距的中心线处。中国南方 果园一般为山丘地，整个果园地平面是不平整的。另外， Zaman 等[12]提出车辆偏离果树行距中心线是影响超声波 测量果树冠层参数的主要误差因素之一。
的右边，w 轴垂直向上。本文采用超声波传感器中心轴线
平行于车体横向轴线安装，故车体坐标系 O′uvw 可看作
是传感器坐标系 O′x′y′z′平移至 DGPS 天线。果树冠层 P
点的车体坐标系坐标 Pt 由公式（2）求得[13]。
Pt = RstPs + Ts
（2）
式中，Ts 为传感器坐标系原点在车体坐标系中的三维坐
关键词：果树冠层，三维重构，体积测量，超声波传感器，姿态航向参考系统
doi：10.3969/j.issn.1002-6819.2010.11.035
中图分类号：S24
文献标志码：A
文章编号：1002-6819(2010)-11-0204-05
俞 龙，洪添胜，赵祚喜，等.基于超声波的果树冠层三维重构与体积测量[J].农业工程学报，2010，26(11)：204－208.
距 离 ， 姿 态 航 向 参 考 系 统 （ AHRS ， attitude heading reference system）测量拖拉机三维空间姿态， RTK-DGPS 接收机对拖拉机空间定位，通过空间坐标的平移和旋转 转换，获得果树冠层点云三维坐标数据，并重构果树三 维轮廓和计算果树冠层体积。
1.1 试验平台 采用 4 个超声波传感器，从大地起依次标号为 1～4，
安装在一个方型铝材桅杆上，传感器间距为 0.6 m，传感 器 1 距离地面 0.6 m。桅杆刚性垂直安装在一个小型拖拉 机的右边，距离 DGPS 天线纵向轴心线距离 0.7 m，横向 轴心线距离 0.15 m，如图 1 所示。超声波传感器选用 SensComp 公司的 SensComp 600，谐振频率 40 kHz，测 量范围 0.15～10.7 m，集束角 15°。DGPS 天线安装在拖 拉机上，距离地面 2 m。DGPS 接收机设置成 RTK 模式， 采样频率 20 Hz，水平定位精度±2 cm，垂直定位精度± 3 cm。姿态航向参考系统 AHRS500GA-227 安装在拖拉机 车体上，航向角精度±2°，横滚角和俯仰角精度±2.5°， 输出频率高达 100 Hz。
0⎥⎥
⎢⎣ 0
0 1⎥⎦
试验时，超声波传感器对着果树方向，拖拉机沿果树
两侧行间行走，由于超声波传感器有 4 个，故来回一次 检测可得到 8 条扫描线点云。图 3 为试验检测的果树图 像，图 4 为测得的果树冠层三维点阵云图。沿着单个扫 描线点云进行果树冠层外围轮廓图形分析，可见扫描线
点云的外形与对应位置处果树图像的外形基本一致。GPS 天线安装时，高于地面 2 m，图 4 中显示的 GPS 天线轨 迹点为天线大地坐标的高程减去 2 m 的结果。试验场地 高长的杂草较少，难以对果树冠层测量产生干扰，本文
Ps = [0 d 0]T
（1）
三维空间坐标系统 Oxyz。果树冠层 P 点的大地坐标系坐
标 Pw 可由公式（3）求得[13]。
Pw = RwtPt + Tw
（3）
式中，Tw 为 GPS 天线的三维大地坐标；Rwt 为车体坐标系
相对于大地坐标系的旋转矩阵，Rwt=RuφRvθRwφ，φ，φ 和
θ 是 AHRS 测得的车体的航向角，横滚角和俯仰角；
可以描述为果树冠层外围轮廓与地平面所包含的空间的
体积[4-11]。果树冠层外围轮廓由果树冠层三维重构获得，
为大地坐标系下三维空间坐标。常见的地平面工程测量
装置有 GPS、水准仪、经纬仪、全站仪、便携机等，其
中 GPS 技术为目前快速准确测量作业区域三维地形数据
的主要手段[17]。本文采用 DGPS-RTK 接收机测量地平面
206
农业工程学报
2010 年
1.3 果树冠层三维重构 由离散的点云数据重构曲面的计算方法有很多，如
各种插值算法和拟合算法[14-16]，本文采用 MATLAB 软件 中 surf 函数进行果树冠层曲面拟合，该方法属于函数插 值拟合，计算量相对较少。由于用 surf 函数绘制三维曲 面图时，要求数据（x,y）是均匀分布的网格点坐标，但 实际采样点数据是凌乱分布的，故采用 meshgrid 函数插 值网格点（xi,yi），并在这些点的基础上采用 griddata 函 数计算均匀分布网格点的 zi 坐标，再用 surf 函数进行拟 合，具体方法如下。
0引言
由于病虫害、霜冻等引起的果树重栽，以及土壤、 光照等环境因素的影响，果园果树树冠的形状、尺寸和 叶面积指数是有差异的。果树冠层三维重构和参数测量 在农药变量喷施、肥料精准施用和果产预估等果园精细 管理中具有重要的研究意义[1-3]。超声波传感器测距是果 园果树冠径、冠层体积等参数检测的主要技术手段。
摘 要：为了克服地面不平整和拖拉机非线性行驶对果树冠层参数测量的影响，该文在超声波传感器阵列测量果树冠层
体积技术的基础上，使用 RTK-DGPS 空间定位技术和姿态航向参考系统，通过空间坐标的平移和旋转转换，直接获得以
大地坐标表示的果树冠层的三维点阵云图数据，通过 PC 机后台处理重构果树冠层三维轮廓和计算果树冠层体积，并详
ti = min(x) : 0.05 : max(x); tj = min(y) : 0.05 : max(y); [xi, yi] = meshgrid(ti, tj); zi = griddata(x, y, z, xi, yi, 'cubic'); surf(xi, yi, zi); 式中，x，y，z 为点云数据三维坐标构成的向量；ti，tj 为 点云数据在 x 轴和 y 轴上的等分点。 图 5 为图 4 果树冠层点云数据重构的图形。由于果 树冠层三维重构是依据 8 条扫描线点云数据进行的，故 超声波传感器 1 采集的扫描线点云数据与地平面之间的 果树冠形轮廓未获得重构。
第 11 期
பைடு நூலகம்
俞 龙等：基于超声波的果树冠层三维重构与体积测量
205
图 1 果树冠层检测系统实物照片 Fig.1 Prototype picture of fruit tree canopy measuring system
1.2 果树冠层点云位置测量
传感器测量果树冠层轮廓至传感器测量端点的距
离，选取超声波传感器感应片中心点为传感器笛卡儿坐
果树冠层体积可由积分公式（4）求得。
∫ V = (z冠层高 − z地面高 )ds
S
1.5 试验方法
（4）
选用荔枝树进行果树冠层三维重构和冠层体积检测
试验，荔枝园地位于广东省华南农业大学果园实习基地
（2 309.6N，11 321.2E）。荔枝园地为斜坡地，坡度约为
30°。荔枝树行间距 6 m，株间距 5 m，各荔枝树冠层之
标；Rst 为传感器坐标系相对于车体坐标系的旋转矩阵，
本文数值为 3×3 单位矩阵。
大地坐标系是采用 WGS-84 地心坐标系经高斯—克
吕格投影转换后的平面坐标系，再加上大地高程组成的
图 3 检测果树图像 Fig.3 Picture of fruit tree to be measured
图 4 果树冠层三维点云数据图 Fig.4 3-D cloud data of fruit tree canopy
Yu Long, Hong Tiansheng, Zhao Zuoxi, et al. 3D-reconstruction and volume measurement of fruit tree canopy based on ultrasonic sensors[J]. Transactions of the CSAE, 2010, 26(11): 204－208. (in Chinese with English abstract)
标系 O′x′y′z′的原点，y′ 轴方向为超声波传感器的轴线检测
方向。忽略超声波传感器集束角对靶标检测的影响，果
树冠层靶标点坐标为传感器坐标系 y′轴上的一维变量，超
声波传感器 2 坐标系统见图 2 所示。
令超声波传感器 2 与果树冠层靶标点 P 的距离为 d，
果树冠层靶标点 P 的传感器坐标系下坐标 Ps 由公式（1） 表示。
第 26 卷 第 11 期 204 2010 年 11 月
农业工程学报 Transactions of the CSAE
Vol.26 No.11 Nov. 2010
基于超声波的果树冠层三维重构与体积测量
俞 龙，洪添胜，赵祚喜※，黄 健，张 霖
（华南农业大学 南方农业机械与装备关键技术省部共建教育部重点实验室，广州 510642）
三维坐标数据[18]，见图 4。
由于同一棵果树附近小范围内的地面波度变化不
大，故同一棵果树冠层测量数据对应的地面轨迹点可看
作在同一个平面上，采用 matlab 的 regress 函数进行平面
拟合，确定该棵果树所在地平面的平面空间方程，见图 5。
设果树冠层在大地坐标系 x-y 平面上的投影区域为 S，则
细介绍了系统的结构与工作原理。以果园荔枝树为试验对象，采用该系统对 15 棵不同高度和体积的果树进行了 3 次重复 试验，另对 56 棵树的测量结果与人工测量结果进行了对比分析，试验结果表明该方法具有较好的重复性（R2＞0.9341，
RMSE＜1.22 m3），并与人工测量结果相一致（R2 = 0.8972，RMSE = 1.766 m3），能够用于果树冠层三维重构和体积测量。
Tumbo 等[4-11]采用多个竖直放置的超声波传感器检 测果树位置，计算单次采样点位置处的果树冠层单元体 积，通过累加求取果树树冠体积，试验结果表明该方法 测量结果与人工方法测量结果相一致（R2=0.90，RMSE= 1.66 m3）。研究主要有 3 点限定条件：一是果树株距和行 距已知；二是果园地面是平整的；三是拖拉机是直线行 走的，并且是行驶在果树行间距的中心线处。中国南方 果园一般为山丘地，整个果园地平面是不平整的。另外， Zaman 等[12]提出车辆偏离果树行距中心线是影响超声波 测量果树冠层参数的主要误差因素之一。
的右边，w 轴垂直向上。本文采用超声波传感器中心轴线
平行于车体横向轴线安装，故车体坐标系 O′uvw 可看作
是传感器坐标系 O′x′y′z′平移至 DGPS 天线。果树冠层 P
点的车体坐标系坐标 Pt 由公式（2）求得[13]。
Pt = RstPs + Ts
（2）
式中，Ts 为传感器坐标系原点在车体坐标系中的三维坐
关键词：果树冠层，三维重构，体积测量，超声波传感器，姿态航向参考系统
doi：10.3969/j.issn.1002-6819.2010.11.035
中图分类号：S24
文献标志码：A
文章编号：1002-6819(2010)-11-0204-05
俞 龙，洪添胜，赵祚喜，等.基于超声波的果树冠层三维重构与体积测量[J].农业工程学报，2010，26(11)：204－208.
距 离 ， 姿 态 航 向 参 考 系 统 （ AHRS ， attitude heading reference system）测量拖拉机三维空间姿态， RTK-DGPS 接收机对拖拉机空间定位，通过空间坐标的平移和旋转 转换，获得果树冠层点云三维坐标数据，并重构果树三 维轮廓和计算果树冠层体积。