收獲作業時小麥倒伏檢測方法

劉美辰，田勇鵬，王 璐，陳 軍

(西北農林科技大學 機械與電子工程學院，陜西 楊凌 712100)

0 引言

小麥倒伏是奪取其高產的一種自然災害，一方面會造成本身質量的降低，另一方面也增加了機械收獲的困難程度[1-2]。聯合收割機對倒伏小麥進行作業時，可通過調整撥禾輪位置和彈齒角度來提高收割進度和質量[3]。因此，在聯合收割機實現智能化作業之前，需要解決倒伏小麥的檢測問題。

熊珍琴[25]等基于Fluent軟件，采用RNG-ε非穩態模型模擬了重力影響下的空氣源熱泵熱水器在加熱過程中的水箱溫度分布情況。仿真結果與實驗非常一致，驗證了該模型的可靠性，并定性分析了改善水箱盤管布置的方向，為水箱及其同類設備的研發和優化提供了參考。

近年來，激光掃描技術因其具有速度快、精度高、方向性好且能以較高的頻率提供大量信息等特點，被越來越多應用到導航控制系統中[4-5]。Choi等利用激光掃描技術分析識別作物行高度，實現對作業區與非作業區域的分離[6]。ZHAO等應用激光傳感器對麥田信息進行獲取，采用最大類間方差的方法尋找收割邊界點，并采用最小二乘法對邊界線進行擬合[7]。因農田非結構化環境影響，目前研究學者對檢測倒伏現象的研究不多。Masuda等融合激光與視覺傳感器完成對倒伏水稻的檢測，通過圖像處理得到水稻倒伏方向，根據激光數據分析倒伏程度[8]。

教師不動聲色，向學生布置任務：既然有的同學對這種方法不太認可，那么大家就想一想，不用這個公式，能不能得出k1與k2的關系？

聯合收割機作業時，可將麥田分為3類區域，即未倒伏作物區、倒伏區和麥茬區。本文選用單線激光掃描儀對倒伏小麥進行檢測，采用激光距離信息辨別未倒伏作物區與倒伏區，根據激光強度信息判別麥茬區與倒伏區，提出了一種融合激光距離信息的強度信息中值濾波算法，實現結合激光距離與強度信息對小麥割茬區、倒伏區和未倒伏作物區的識別。

1 不同介質激光回波強度界定

任何物體被光照射后都會吸收部分能量。光的反射強度因不同物體的反射系數不同，即使是相同的入射光，物體的反射強度也有所不同[9]。作為“最亮的光”，激光的反射系數受到自身波長、介質材料及介質表面的粗糙程度等影響。不同介質材料的反射特性一般采用反射率來表示，資料顯示土壤等介質的反射率通常為10%～20%，植被表面的反射率通常為30%～50%[10]。

因激光回波強度受到介質直徑、距離、輻射角度和表面反射率等等因素影響，所以在根據強度信息分類時需先對激光回波強度信息進行界定。同一套激光掃描系統，對于同一介質表面、不同的高度、入射角及不同的天氣情況等客觀條件，激光回波強度也會有很大差異。

本文采用具有記錄激光回波信號反射強度功能UTM-20LX激光掃描儀作為檢測設備，對未倒伏小麥、倒伏小麥和土壤進行激光回波強度界定，結果如表1所示。

2009年，“中國設計交易市場（CDM）暨設計之都大廈”研究項目成立，被列入“十二五國家科技支撐計劃”，這也為2012年北京成功獲得聯合國教科文組織創意城市網絡——“設計之都”做出了標志性貢獻。如今，深圳、上海、武漢、北京，四座城市獲此殊榮，成為中國設計走向世界的“名片”。

表1 激光回波強度界定結果

續表1

因倒伏小麥的高度比正常小麥低，本文采用激光距離信息辨別未倒伏作物區與倒伏區。UTM-20LX激光掃描儀返回的數據是以其掃描中心為原點的二維極坐標，在數據分析前，需對其進行坐標轉換和濾波處理。

2 激光點距離信息處理方法

由界定結果可知：未倒伏小麥和倒伏小麥因介質屬性相同，只是稀疏程度有差異，激光回波強度差別不大；而泥土與小麥因介質材料完全不同，通過分析兩者激光回波強度數據，能較容易區分出來。

2.1 激光坐標轉換

建立激光掃描儀坐標系OXY，如圖1所示。 原點O位于激光傳感器的掃描中心，用下列公式將激光掃描儀返回的二維極坐標(ρ，θ)轉化為笛卡爾坐標，即

其中，ρi為序列值是i的激光點返回的距離數據；θi為序列值是i的激光點相對激光掃描儀坐標系X軸的角度：θi=i×0.25；(xi,yi)為序列值是i的激光點在激光掃描儀坐標系下的坐標(i=0,1,2,…,1 080)。

修水縣雖然具有先天的資源優勢，但是全域旅游發展與國內其他區域相比仍存在一定的差距，修水縣發展全域旅游必須要遵循可持續發展的原則，要重視生態環境的保護與可持續發展，嚴格控制旅游開發程度，不能為了謀取利益而無視修水縣的生態保護。同時修水縣必須充分重視現階段發展中存在著的問題，通過全域旅游的理論指導進行創新發展，開創修水全域旅游的新局面。

圖1 激光測距原理圖

2.2 濾波處理

激光掃描儀返回的數據是其掃描范圍內激光束掃到所有距離信息離散點的集合。復雜的農田環境中，空氣中雜質和秸稈粉塵都會成為反射面，從而造成激光返回數據中存有粗差點。對激光數據進行處理時，第1步就是要將粗差點進行剔除。

(4)互相促進的教研能力。市場營銷專業教學中融合創業教育要求教師有效整合課堂教學與第二課堂的創業實踐活動，同時探索教學形式和教學內容，教研相長又要求教師注重專創融合的教育理論學習與積累，過去3年教學團隊發表專業、創業相關的教學教改論文8篇，同時將這些成果應用到教學中，教研相互促進。

圖2 某一時刻激光點坐標圖

3 激光點強度信息處理方法

聯合收割機作業時，麥茬區的土壤與麥莖呈相互交錯狀態，而倒伏區的土壤被倒伏小麥完全覆蓋，激光掃描到兩個區域后返回的強度信息應完全不同。針對復雜的農田環境，本文提出一種融合激光距離信息的強度信息中值濾波算法，并在濾波后對強度數據進行聚類處理。

3.1 中值濾波

椒鹽噪聲是激光回波強度信號中最主要的噪聲，因椒鹽噪聲是乘性噪聲，隨信號的改變而發生變化，所以很難去除。在圖像處理領域，學者大多采取中值濾波的方法處理這種噪聲。中值濾波是用數字序列中某點周圍內各點的中值代替該點，以消除孤立的噪聲點；但因麥茬存有大量秸稈粉塵和空氣雜質，采取常用的中值濾波法無法完成對土壤與麥茬弱邊緣的提取。

本文提出的融合激光距離信息的強度信息中值濾波算法在對激光回波強度進行中值濾波時，需考慮激光點對應的距離信息領域內高度差。如果1個激光點和它鄰域內激光點的高度差的最小值超過閾值，可判定該激光點為地物邊緣所成的點，應加以保護，保留其原有的強度值，不進行濾波處理；否則，采用中值濾波的結果。具體公式為

圖3(a)是麥田未倒伏作物區與倒伏區的原始圖像，圖3(b)和圖3(c)是對應的未濾波和經過濾波后的激光點坐標圖。從圖中可看出：未倒伏作物區與倒伏區有明顯高度差，本試驗中正常小麥高度90cm，對激光距離數據處理后計算得到倒伏區高度20cm，根據判別條件1可進行辨別。

3.2 聚類處理

激光點聚類就是按一定規律將具有相同特征的激光點歸為一類。在農田非結構化環境下，采取某種特征方式對激光點進行聚類是不適用的。本文采用基于相鄰激光點強度的聚類方法，計算相鄰激光點間強度差值，合理地設置一個聚類閾值；當兩相鄰激光點間強度差小于設置的聚類閾值，默認兩個激光點來自同一個物體；如果兩點間距大于聚類閾值，則認為相鄰的兩點來自不同的物體上。具體公式為

激光點坐標轉化后，本文選用體素化網格法對數據進行濾波處理以剔除數據中的粗差點。體素化網格法具體原理是為輸入的激光點數據創建一個三維體素柵格，1次掃描的激光點被柵格全部容納后，每個體素內用體素中所有點的重心來近似表達體素中其他點。圖2(a)和圖2(b)為某一時刻激光點距離數據濾波前后的坐標圖。由圖2可知：利用體素化網格法濾波處理后，可有效地減少激光點數量，并很好地保護數據的細節特征。

因未倒伏作物區與倒伏區存有高度差，本文采用激光距離信息對兩個區域進行辨別。麥茬區土壤與麥莖交錯，倒伏區土壤被小麥覆蓋，所以兩者可通過激光回波強度不同來進行辨別。具體判別條件如下：

對于某一時刻的激光點回波強度數據進行濾波聚類后，為方便麥田的區域識別，對各聚類子集合所具有的特征進行分析。具體的特征描述如下：

1)子集合數量n。在激光點聚類完成后，聚類子集合的個數可直接獲取。

4 倒伏小麥判別條件

其中，Li,i+1為相鄰2個激光點的強度差；r為激光強度的聚類閾值。

1)倒伏區平均高度低于正常小麥高度，小麥的正常高度可在收割作業前進行測量。

2)由強度聚類子集合的特征，倒伏區子集合數量n為1。麥茬區因土壤與麥莖交錯,激光回波強度有間隔性變化，聚類子集合的數量較多；而倒伏區土壤被覆蓋，激光回波強度變化不大，故用相鄰激光點強度法進行聚類時，倒伏區激光點不會被分隔。

5 試驗結果與分析

試驗在西北農林科技大學校內小麥試驗地進行，利用UTM-20LX激光掃描儀完成對麥田各區域的信息采集，并用實測數據初步實現了融合激光距離和強度信息對麥田未倒伏作物區、倒伏區和麥茬區的分類。

其中，Li為序列值i的激光點的強度值；h為某激光點與它領域內激光點高度差的最小值，h=min{hi,i=1,2…,5}；hi為激光點與其相鄰的點的高度差；T為閾值。

一個作家創作觀的形成，是一個長期積淀的過程，他的生活經歷對他的個性、氣質、思維方式的形成和發展起著決定性的作用。“特別是那些印象深刻的經驗往往給藝術家的一生涂上一種特殊的基調和底色，并在相當程度上決定著藝術家對于創作題材的選擇和作品的情緒情感或情節。”[8]

1）在水文檔案和《水文年鑒》中查找各斷面的大斷面圖、水準點位置、采用基面、伍姓湖容積曲線和雨量等資料；通過調查走訪確定各河段歷史洪水痕跡與洪峰時間；

圖4(a)和圖5(a)分別為麥茬區與倒伏區的原始圖像，圖4(b)和圖5(b)是對應的未濾波的激光回波強度圖，圖4(c)和圖5(c)為對應的經過中值濾波后的激光回波強度圖，圖4(d)和圖5(d)分別為對應的激光點聚類圖。由聚類結果可看出：麥茬區的激光回波強度有明顯間隔性跳躍變化，聚類子集合均值較低的激光回波強度在950～1050LS之間，與土壤激光回波強度界定結果相符，說明該類子集合為土壤返回的激光點。相比之下，倒伏區的激光回波強度變化連續，沒有跳變，聚類后并未被分隔成小集合，子集合數量為1且強度均值大于1050LS。

圖3 未倒伏作物區與倒伏區

圖4 麥茬區

圖5 倒伏區

從試驗結果可以看出：利用本文介紹的方法，能夠完成對小麥割茬區、倒伏區和未倒伏作物區的識別。另一方面，從圖5可以看出：即使是同一介質材料,因激光反射角和傳播距離不同,激光回波強度也會發生明顯變化；當其他因素對激光回波強度影響足夠大時，將會對判別結果產生影響。

6 結論

本文提出了一種收獲作業時小麥倒伏檢測方法，實現了結合激光距離與強度信息對小麥割茬區、倒伏區和待收割作物區的識別，試驗結果驗證了方法的可行性。具體結論歸納如下：

1)利用倒伏區植株高度低的特點，采用激光距離信息實現對未倒伏作物區與倒伏區的區分。

2)基于土壤和小麥激光回波強度界定結果，提出了一種融合激光距離的強度信息中值濾波算法，通過分析激光回波強度的聚類結果實現對麥茬區和倒伏區的分類。

號恩（上海）國際貿易有限公司是德國Paul Horn GmbH在中國的獨資子公司，成立于2012年底，負責號恩（HORN）品牌在國內的市場、銷售以及技術支持等業務。Paul Horn GmbH由Paul Horn先生創建于1969年，專注于硬質合金刀具的設計和生產。非標刀具是該公司的強項，針對槽加工其有著豐富的經驗和優秀的解決方案。

綜上所述，兒童后顱窩腫瘤臨床癥狀和體征無特異性，MRI有優良的組織分辨率、無骨偽影及多參數、多平面成像的特點，能準確顯示腫瘤內部結構以及腫瘤與周圍組織的關系，對腫瘤的定位、定性診斷具有重要的價值，可為臨床治療方案提供可靠的依據。

3)需研究激光反射角、激光傳播距離等其他因素對激光回波強度的具體影響并將之消除，才能進一步提高方法的準確性和實用性。