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基于移动激光扫描网格总面积的叶片总面积估测

发布时间：

2023-01-04

来源：

植物表型资讯

作者：

PhenoTrait

近年来，变量喷药技术(Variable-rate technology)的发展缓解了传统喷药技术带来的农药残留和环境污染问题。变量喷药技术利用传感器测量目标冠层的叶片数，进而调节液体流速以保证不同尺寸和不同体积冠层的均匀喷施。搭载二维LiDAR传感器的移动激光扫描(Mobile laser scanning)技术可以获取冠层点云信息，是变量喷药中的常用量测技术。利用点云数量(Total point number, TPN)信息可以估测冠层的叶片总面积(Total leaf area, TLA)，为变量喷药提供基础数据。但是，LiDAR的移动速度和测距在喷施过程中会发生变化，易造成点云数量不一致，从而影响叶片总面积的估测精度。本研究提出了一种基于LiDAR第一和第二回波网格总面积(Total grid area, TGA)的单株树木叶片总面积估测方法。LiDAR移动分辨率与扫描分辨率的乘积用来计算单个点处的网格面积。为评价本文提出的方法，我们利用一株人工树，通过剪枝的方法生成9个不同密度的冠层。在三个距离（即1.0 m，1.5 m和2.0 m）和0.104 m/s的恒定移动速度下从两侧扫描冠层。然后，对每个冠层的点云进行多次采样，以模拟从1.040m/s到2.080m/s之间的不同移动速度，最终得到594个测试冠层。利用单变量多项式回归分别评价点云数量和网格面积估测叶片总面积的精度。实验结果显示，当为2次多项式时，利用点云数量估测叶片总面积的R方为0.58，RMSE为4662.45平方厘米；利用网格总面积估测叶片总面积的R方为0.96，RMSE为1401.17平方厘米。因此，本研究提出的方法可以消除LiDAR移动速度和测距对叶片总面积估测的影响。

图1 移动激光扫描系统

图2 (a)实验环境；(b)俯视图；(c)侧视图

图3 三个距离（1m，1.5m和2.0m）扫描的前侧点云(T1_F ~ T9_F)和后侧点云(T1_B ~ T9_B)

图4 网格面积、点云数量和叶片总面积的拟合曲线

图5 网格面积、点云数量估测叶片总面积的精度

图6 第一回波网格面积与叶片总面积的拟合曲线

图7 引入第二回波后的精度提升效果

来源

Qiujie Li and Yuxi Xue. Total leaf area estimation based on the total grid area measured using mobile laser scanning. Computers and Electronics in Agriculture, 2023, 204: 107503.

编辑

段博

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