基于二维激光雷达的树木靶标检测系统设计与实现

摘要： 植物保护的主要方法有化学防治、物理防治、生物防治和综合防治，其中化学防治具有防治迅速、功效高等特点，尤其是对于突发性大面积病虫草害，能够做到及时有效控制。病虫草害化学防治是目前植物保护的主要方法，并且将是较长时期的主要方法，其在农业生产中一直发挥着重要的作用。据联合国粮农组织统计，由于使用化学农药，全世界每年挽回20%~25%的农产品，价值1000多亿美元。大体是投入一份农药可收回相当于农药倍4~5倍价值的农产品。我国每年因各种病虫害损失粮食约4000万t，约占全国粮食总产量的8.8%。果园病虫害的有效防治可以挽回损失近10%，目前病虫害防治主要靠化学农药，据调查统计，果树一年内要喷施农药8~15次。我国目前果园化学农药“粗放式”喷施，一方面因药量不足无法及时消除病虫害，另一方面农药的过量施用导致大量农药残留对环境、农副食品和农作物安全带来巨大挑战。为防治农作物病虫害使用的农药会残留在作物上，直接污染食用作物；喷施农药后有40%~60%的农药降落在土壤中，土壤中农药可通过植物的根系吸收转移至植物组织内部和食物中，土壤中农药污染量越高，食物中的农药残留量也越高；农药对水体造成污染后，使水生生物长期牛活在低浓度的农药中，水生生物通过多种途径吸收农药，通过食物链可逐级浓缩，尤其是一些有机氯农药和有机萊农药等，这种食物链的生物浓缩作用，可使水体中微小的污染而导致食物的严重污染。其次，农药的过量使用，会导致作物大面积中毒，甚至造成全面减产。为了实时检测果树的树冠大小，实现果树的对靶变量喷药，本文设计了精确检测果树体积的靶标体积检测系统，主要完成以下工作：

（1）2D LiDAR数据采集。采用厂家提供的库函数实现2D LiDAR数据实时采集。

（2）树冠树干识别模型建立。通过设置深度范围识别树冠，通过直线检测识别树干。

（3）点云数据及检测结果显示。应用OpenCV显示原始点云数据与靶标检测结果。

关键词：激光雷达；靶标检测算法;对靶喷雾；图像采集

1. 研究的目的及意义

我国作为农业大国，农药使用量位居世界前列，农药生产技术较为先进，相对而言，施药设备和技术却较为滞后，导致农药利用率低下、施药效果不佳，因而造成了环境污染、农产品中农药残留量超标和农民中毒等一系列问题。据统计，2015年我国农药利用率为36.6%，农药流失量达60%~70%。因此研发出农药利用率高、减少农药浪费的喷雾技术一直是国内外植保研究人员关注的重点。 课题研究基于二维激光雷达的树木靶标检测系统，采用二维激光雷达捕获树木点云，通过靶标检测算法来判断靶标有无，来决定是否喷雾，从而提高喷雾的准确性，提高了农药的使用率。

2.国内外研究概况

顾名思义，激光雷达 （Laser Detection And Ranging ,LADRA）是以激光为载波的雷达， 通过对回波信号所携带的目标调制信息的解调来获取目标的特征参数， 如距离、目标表面反射率等信息， 以及通过对激光雷达图像处理而获得的目标的轮廓等其它特征信息^【1】。