內(nèi)蒙古興安盟基于激光測(cè)距的作物冠層高度研究現(xiàn)狀

高 雷，高春香，楊玉輝

（1興安盟扎賚特旗氣象局，內(nèi)蒙古興安盟扎賚特旗137600；2內(nèi)蒙古自治區(qū)氣候中心，呼和浩特010051）

0 引言

目前，中國(guó)的農(nóng)作物觀測(cè)技術(shù)還相對(duì)落后，冠層高度的測(cè)量還是以人工測(cè)量為主，此方法費(fèi)時(shí)費(fèi)力，難以對(duì)作物進(jìn)行實(shí)時(shí)連續(xù)測(cè)量，且測(cè)量數(shù)據(jù)誤差大、時(shí)效性差。隨著現(xiàn)代電子、通訊和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，冠層高度的自動(dòng)化測(cè)量也取得了不少進(jìn)展，但仍有很多不足。

1995年Shimizu等[1]設(shè)計(jì)了包含CCD攝像機(jī)和紅外照明器具的計(jì)算機(jī)視覺系統(tǒng)，對(duì)植株進(jìn)行非接觸式、立體生長(zhǎng)分析。但是該方法對(duì)實(shí)驗(yàn)環(huán)境的要求太高，無法在實(shí)際農(nóng)田對(duì)植株長(zhǎng)勢(shì)進(jìn)行連續(xù)性監(jiān)測(cè)。2004年高巍等[2]介紹了一種非接觸式的作物高度測(cè)量裝置。該裝置將超聲波測(cè)距傳感器安置在裝置上方，通過垂直向下發(fā)射超聲波獲取作物冠層與傳感器之間的距離，進(jìn)而推算出作物的高度。但該裝置僅能對(duì)傳感器正下方的作物進(jìn)行高度測(cè)量，且超聲波測(cè)距傳感器本身存在反射、噪音、交叉等問題，也會(huì)對(duì)測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生影響。2008年武傳宇等[3]研發(fā)了一種作物植株高度的硬件裝置。它利用光電掃描系統(tǒng)連續(xù)掃描農(nóng)作物，并采用自上而下的方式判斷光接收器的狀態(tài)，從而提取當(dāng)前位置植株的邊緣高度數(shù)據(jù)。但該方法不適合進(jìn)行長(zhǎng)期自動(dòng)測(cè)量，且使用的傳感器較多，價(jià)格高昂。2010年馬彥平[4]設(shè)計(jì)了一種基于雙目視覺的田間作物高度測(cè)量技術(shù)，并通過多標(biāo)桿輔助的方式完成高度測(cè)量。但是過多的標(biāo)桿會(huì)影響正常的農(nóng)事活動(dòng)，且該技術(shù)的硬件成本較高。余正泓[5]設(shè)計(jì)了一種新的作物自動(dòng)測(cè)高裝置，該裝置利用微處理器控制伺服電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，使其帶動(dòng)紅外測(cè)距傳感器對(duì)作物進(jìn)行自動(dòng)掃描，完成冠層頂端的確定，同時(shí)超聲測(cè)距傳感器測(cè)出傳感器當(dāng)前高度，完成高度測(cè)量的工作。但該裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜，對(duì)安裝要求較高，大田環(huán)境下部件容易受損。

為了實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)高質(zhì)、高效、綠色可持續(xù)發(fā)展，內(nèi)蒙古興安盟不斷加強(qiáng)作物長(zhǎng)勢(shì)自動(dòng)觀測(cè)系統(tǒng)建設(shè)并且成果顯著，大田作物冠層高度測(cè)量仍是作物長(zhǎng)勢(shì)自動(dòng)觀測(cè)的難點(diǎn)。早期傳統(tǒng)的測(cè)量方法是技術(shù)人員深入田間，測(cè)量幾個(gè)區(qū)域的平均高度值，工作量較大，測(cè)量結(jié)果容易受人為因素影響。之后又嘗試采用標(biāo)桿法[6]，通過圖像采集，對(duì)比標(biāo)桿尺寸測(cè)量作物冠層高度，但是該方法測(cè)量局限性較大，只能通過標(biāo)桿周圍苗的高度判斷整個(gè)區(qū)域苗冠層高度。另外，田間標(biāo)桿影響正常農(nóng)事活動(dòng)，給機(jī)械化作業(yè)帶來諸多不便。針對(duì)上述方法存在的工作量大、測(cè)量精度低等問題，結(jié)合本地區(qū)作物情況，相繼嘗試了2種作物冠層高度識(shí)別方法，即基于作物圖像的冠層高度測(cè)量方法以及基于激光測(cè)距的冠層高度測(cè)量方法[7-8]，尤其是基于激光技術(shù)的田間冠層高度測(cè)量技術(shù)，通過將激光測(cè)距儀安裝在三維旋轉(zhuǎn)云臺(tái)上，實(shí)現(xiàn)對(duì)觀測(cè)區(qū)域的動(dòng)態(tài)掃描，獲取冠層位置點(diǎn)集，結(jié)合內(nèi)角誤差修正、三角幾何換算、數(shù)據(jù)擬合等方法[9]，得到作物冠層高度。并經(jīng)過連續(xù)2年針對(duì)春玉米觀測(cè)試驗(yàn)，最終驗(yàn)證方法的有效性和可行性[10]。

1 測(cè)量方法

1.1 基于圖像的作物冠層高度識(shí)別[11]

本地區(qū)初期主要采用基于圖像的作物冠層高度識(shí)別方法，即利用單目相機(jī)實(shí)時(shí)采集作物的生長(zhǎng)圖像，圖1所示即為對(duì)同一位置的春玉米植株在3種不同發(fā)育期（七葉期、拔節(jié)期、抽雄期）所拍攝的圖像。結(jié)合作物生長(zhǎng)規(guī)律，通過圖像分割、圖像識(shí)別以及擬合算法，從圖像中計(jì)算出作物的冠層的高度信息[12]。該方法實(shí)現(xiàn)了對(duì)作物冠層高度遠(yuǎn)程、自動(dòng)連續(xù)測(cè)量，大大降低了觀測(cè)人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，較大程度地降低冠層高度識(shí)別裝置對(duì)農(nóng)事活動(dòng)的影響。但后期測(cè)量實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該方法由于采集的圖像本身只具有二維信息，缺少第三維信息，單純從圖像中對(duì)作物的冠層高度進(jìn)行測(cè)量的準(zhǔn)確度并不理想[13]。例如，在植株生長(zhǎng)前期（圖1七葉期），若以根部為底點(diǎn)，無法沿著主莖找到其對(duì)應(yīng)的冠層頂點(diǎn)，導(dǎo)致無法測(cè)量其高度；直接從圖像中判斷作物葉片的冠層最高點(diǎn)也不可行[14]。對(duì)于生長(zhǎng)的中后期（圖1拔節(jié)期和抽雄期），由于植株葉片重疊嚴(yán)重，同樣沒有辦法對(duì)其冠層高度進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量[15]。因此，在對(duì)作物冠層高度能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)程、自動(dòng)連續(xù)測(cè)量的前提下，需要進(jìn)一步借助其他硬件裝置來提高冠層高度的測(cè)量準(zhǔn)確度[16]。

圖1 春玉米植株的不同發(fā)育期

1.2 基于激光測(cè)距的作物冠層高度識(shí)別

針對(duì)基于圖像的作物冠層高度識(shí)別方法存在的準(zhǔn)確度問題[17]，本地區(qū)之后采用了基于激光測(cè)距的作物冠層高度識(shí)別技術(shù)，該技術(shù)將激光測(cè)距儀安裝在三維旋轉(zhuǎn)云臺(tái)上，通過控制激光測(cè)距儀的發(fā)射角度，使測(cè)距儀按照一定的軌跡對(duì)作物冠層進(jìn)行掃描測(cè)量，并對(duì)掃描結(jié)果進(jìn)行內(nèi)角誤差修正、三角幾何換算、數(shù)據(jù)擬合篩選處理后，得到作物冠層高度的最大值和平均值[18]。

圖2為基于激光測(cè)距的冠層高度自動(dòng)測(cè)量裝置以及組成示意圖，裝置包括測(cè)量單元、采集和控制單元、數(shù)據(jù)處理中心和通訊單元；測(cè)量單元包括激光測(cè)距傳感器、重力感應(yīng)傳感器和三維旋轉(zhuǎn)云臺(tái)；測(cè)量單元、采集和控制單元通過通訊單元與數(shù)據(jù)處理中心進(jìn)行連接通信[19]。

圖2 基于激光測(cè)距的冠層高度自動(dòng)測(cè)量裝置以及組成示意圖

將帶有三維旋轉(zhuǎn)功能的激光測(cè)距儀安裝在待測(cè)量的農(nóng)作物觀測(cè)站點(diǎn)，針對(duì)所測(cè)作物種類確定儀器安裝高度，并設(shè)定激光測(cè)距儀的掃描范圍；測(cè)量開始前，系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)整激光測(cè)距儀垂直正對(duì)地面，測(cè)出激光發(fā)射口距離地面的高度；根據(jù)設(shè)定的掃描范圍確定測(cè)距儀的掃描軌跡，確定激光測(cè)距儀掃描的起始位置和結(jié)束位置，系統(tǒng)從起始位置開始，根據(jù)上述確定的掃描軌跡，控制測(cè)距儀進(jìn)行水平方向和垂直方向上的運(yùn)動(dòng)，并在每旋轉(zhuǎn)一定角度時(shí)進(jìn)行一次測(cè)量，每次測(cè)量得到一個(gè)距離值、一個(gè)垂直旋轉(zhuǎn)角度和一個(gè)水平旋轉(zhuǎn)角度；測(cè)距儀垂直旋轉(zhuǎn)時(shí)，激光口距地高度會(huì)發(fā)生變化，為提高測(cè)量精度，可先利用內(nèi)角誤差修正公式修正激光發(fā)射口高度，然后結(jié)合上述測(cè)量結(jié)果，通過三角幾何關(guān)系計(jì)算出當(dāng)前掃描點(diǎn)的高度值[20]。儀器重復(fù)進(jìn)行上述測(cè)量計(jì)算過程，直至測(cè)距儀旋轉(zhuǎn)至上述結(jié)束位置，測(cè)量結(jié)束獲得一個(gè)掃描周期內(nèi)所有掃描點(diǎn)的高度序列，數(shù)據(jù)采集處理模塊對(duì)上述數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)和篩選，通過擬合運(yùn)算等處理，最終得出當(dāng)前測(cè)量區(qū)域內(nèi)作物冠層高度的最大值和平均值[21]。

2 測(cè)量區(qū)域與結(jié)果分析

測(cè)量區(qū)域選擇了突泉縣，在該地區(qū)搭建了帶有三維旋轉(zhuǎn)功能的激光測(cè)距儀，如圖3所示，并選擇了春玉米作為觀測(cè)對(duì)象。從2018年開始使用激光測(cè)距儀對(duì)春玉米進(jìn)行了連續(xù)2年的冠層高度自動(dòng)測(cè)量，同時(shí)在相同日期相同觀測(cè)區(qū)域安排人工對(duì)玉米冠層進(jìn)行觀測(cè)，其中2018、2019年觀測(cè)結(jié)果如表1～ 2所示。從表1和表2可以看出，在整個(gè)春玉米發(fā)育期（三葉、七葉、拔節(jié)、抽雄、乳熟、成熟），自動(dòng)觀測(cè)高度和人工觀測(cè)高度誤差[22]在15 cm以內(nèi)。其中發(fā)育期前期誤差相對(duì)較小[23]（三葉、七葉），普遍在5 cm以內(nèi)；發(fā)育期中期和后期相對(duì)大一點(diǎn)，在10 cm左右。這是由于隨著植株生長(zhǎng)，植株重疊嚴(yán)重，會(huì)一定程度影響測(cè)量的準(zhǔn)確性，但整體而言基于激光測(cè)距的高度識(shí)別技術(shù)不僅能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)作物冠層高度的遠(yuǎn)程、自動(dòng)連續(xù)測(cè)量，在作物高度識(shí)別方面也展現(xiàn)出了較出色的識(shí)別準(zhǔn)確度和識(shí)別效率，降低勞動(dòng)強(qiáng)度的同時(shí)，也提高了測(cè)量效率和可靠性[24]。

圖3 具有三維旋轉(zhuǎn)功能的激光測(cè)距儀

表1 2018年觀測(cè)結(jié)果 cm

表2 2019年觀測(cè)結(jié)果 cm

3 結(jié)論與討論

本文主要論述了內(nèi)蒙古興安盟作物冠層高度識(shí)別的研究現(xiàn)狀，介紹了本地區(qū)近年來在作物高度識(shí)別方面主要采取的2種識(shí)別方法，即基于圖像的作物冠層高度識(shí)別和基于激光測(cè)距的作物冠層高度識(shí)別[25]。并著重介紹了基于激光測(cè)距的作物冠層識(shí)別方法，該方法將激光測(cè)距儀安裝在三維旋轉(zhuǎn)云臺(tái)上，按照一定的軌跡對(duì)作物冠層進(jìn)行掃描測(cè)量，經(jīng)過內(nèi)角誤差修正、三角幾何換算、數(shù)據(jù)擬合篩選處理后最終得到作物冠層高度。結(jié)合連續(xù)2年的觀測(cè)試驗(yàn)，證明了該方法不僅能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)作物冠層高度的遠(yuǎn)程、自動(dòng)連續(xù)測(cè)量，同時(shí)在作物高度識(shí)別方面展現(xiàn)出了較出色的識(shí)別準(zhǔn)確度和識(shí)別效率，驗(yàn)證了該方法在作物冠層高度識(shí)別上的可行性和有效性。