黎土煜 劉青 鄭勇 黃敞 曹建華 王玲玲

摘要：為獲取橡膠樹樹干輪廓曲線模型，解決割膠裝備難以精準(zhǔn)貼合樹干輪廓導(dǎo)致作業(yè)精度差、仿形效果不理想的關(guān)鍵問題，提出一種橡膠樹樹干輪廓曲線自動(dòng)化提取方法。研制橡膠樹樹干輪廓點(diǎn)云數(shù)據(jù)自動(dòng)采集平臺(tái)，該平臺(tái)由電源模塊、控制模塊、驅(qū)動(dòng)模塊、采集模塊、數(shù)據(jù)傳輸模塊以及數(shù)據(jù)記錄處理模塊組成，可實(shí)現(xiàn)樹干外輪廓曲線點(diǎn)云數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集、傳輸、記錄與處理。開展橡膠樹樹干輪廓曲線自動(dòng)化提取試驗(yàn)，基于統(tǒng)計(jì)學(xué)方差分析法，通過曲線面積對(duì)比分析樹干輪廓提取精度。結(jié)果表明，連續(xù)采集30組橡膠樹樹干輪廓點(diǎn)云數(shù)據(jù)，其輪廓特征有效識(shí)別度較高，輪廓特征點(diǎn)位置與實(shí)際位置基本符合；輪廓曲線重復(fù)提取變異系數(shù)為0.001 3；樹干輪廓曲線提取精度不受樹干位置和采集方向變化的影響，該技術(shù)方案具有較強(qiáng)可行性。

關(guān)鍵詞：橡膠樹；激光測(cè)距；點(diǎn)云數(shù)據(jù)；輪廓曲線；自動(dòng)提取

中圖分類號(hào)：S794.1

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：20955553 （2024） 02019406

收稿日期：2022年4月16日 ?修回日期：2022年6月27日

基金項(xiàng)目：中央級(jí)科研事業(yè)單位基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)（1630022022005）；海南省自然科學(xué)基金項(xiàng)目（320QN349、323QN273）

第一作者：黎土煜，男，1992年生，海南樂東人，碩士，研究實(shí)習(xí)員；研究方向?yàn)檗r(nóng)業(yè)機(jī)械化。Email： li_tuyu@163.com

通訊作者：鄭勇，男，1984年生，湖南祁陽人，碩士，副研究員；研究方向?yàn)闄C(jī)械裝備與自動(dòng)化。Email： zhengyong07@163.com

Automatic extraction method of the outline curve of rubber tree

based on the laserranging technology

Li Tuyu1， Liu Qing2， Zheng Yong1， Huang Chang1， Cao Jianhua1， Wang Lingling1

（1. Rubber Research Institute， Chinese Academy of Tropical Agricultural Sciences， Haikou， 571101， China；

2. Zhanjiang Agricultural Reclamation Modern Agriculture Development Co.， Ltd.， Zhanjiang， 524200， China）

Abstract：

In order to acquire the contour curve representation of rubber tree trunks and address the significant industrial challenge stemming from inadequate operational precision and suboptimal shaping outcomes resulting from the challenges associated with accurately fitting tapping equipment to the trunk contour， a method to automatically extract rubber tree outline curve based on laserranging technology was proposed. The automatic data acquisition platform of rubber tree trunk contour point cloud is developed， which is composed of power module， control module， drive module， acquisition module， data transmission module， data recording module and processing module. The platform has the function of automatic collection， transmission， recording and processing of the outline curve point cloud data. The automatic extraction experiment of rubber tree outline curve was carried out， and the accuracy of rubber tree outline extraction was analyzed by comparing the outline curve area based on statistical variance analysis. The results showed that the position of contour feature points was basically consistent with the actual position with a high recognition when 30 groups of contour point cloud data were collected continuously， and the coefficient of variation of repeated extraction of contour curves was 0.001 3. The extraction accuracy of trunk contour curve is not affected by the change of trunk position and acquisition direction， which means that the technical scheme is very feasible.

Keywords：

rubber tree; laserraging; point cloud data; outline curve; automatic extraction

0 引言

天然橡膠是重要的國(guó)防戰(zhàn)略物資和工業(yè)原料，廣泛應(yīng)用于國(guó)防、航空航天、醫(yī)療衛(wèi)生等領(lǐng)域［12］。目前，天然橡膠主要通過切割橡膠樹樹皮獲取，割膠深度需控制在1.2～1.8 mm，作業(yè)過程精度要求較高［3］。橡膠樹樹干輪廓形態(tài)復(fù)雜［45］，具有裂縫、凹凸點(diǎn)等特征，割膠裝備難以精準(zhǔn)貼合樹干輪廓，極易導(dǎo)致割膠過深傷樹、割膠過淺減產(chǎn)，無法滿足割膠精度要求［68］。因此，如何獲取樹干輪廓形態(tài)曲線，是提升割膠裝備作業(yè)精度首要解決的關(guān)鍵問題。

橡膠樹樹干輪廓形態(tài)曲線提取關(guān)鍵在于點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集和曲線擬合。點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集主要有紅外激光測(cè)距和超聲探測(cè)技術(shù)，其中紅外激光測(cè)距技術(shù)廣泛用于植被輪廓和干形的提取。劉俊焱［9］利用激光測(cè)距技術(shù)建立了單木樹葉和樹干的三維模型，驗(yàn)證了該技術(shù)在樹干輪廓提取方面的可行性；尤磊［1011］實(shí)現(xiàn)了原木楊樹、洋白蠟、大葉白蠟等原木干形的提取，但無法精準(zhǔn)表達(dá)樹干表面特征；同理，孫智慧［12］建立了黃瓜和玉米葉片曲面模型，提出點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集數(shù)量越多，模型精度越高；高士增［13］結(jié)合激光掃描技術(shù)，搭建了樹木形態(tài)的參數(shù)化提取系統(tǒng)，提取誤差僅為5%；Lin等［14］則利用地面激光掃描儀實(shí)現(xiàn)了森林植被形態(tài)分類，分類精度可達(dá)0.965 9。與激光測(cè)距技術(shù)不同，超聲探測(cè)技術(shù)主要用于小型植被形態(tài)與內(nèi)部結(jié)構(gòu)點(diǎn)云數(shù)據(jù)的采集。楊誠(chéng)等［15］利用超聲探測(cè)設(shè)備，實(shí)現(xiàn)蓮藕生長(zhǎng)及分布位置的有效檢測(cè)；基于超聲探測(cè)技術(shù)，呂丹桔［16］成功獲取了白玉蘭、芭蕉、向日葵等植被的莖稈形態(tài)、結(jié)構(gòu)及含水率數(shù)據(jù)。相較而言，紅外激光測(cè)距技術(shù)更適用于橡膠樹樹干輪廓形態(tài)點(diǎn)云數(shù)據(jù)的采集。根據(jù)獲取的樹干輪廓形態(tài)點(diǎn)云數(shù)據(jù)，結(jié)合貝賽爾曲線（Bézier）［17］、B樣條曲線和非均勻B樣條曲線（NURBS）等方法［18］，便可實(shí)現(xiàn)樹干輪廓形態(tài)曲線的擬合與提取。

由于針對(duì)橡膠樹割面區(qū)域樹干輪廓提取的理論與技術(shù)研究尚少，本文擬通過紅外激光測(cè)距技術(shù)，搭建點(diǎn)云數(shù)據(jù)自動(dòng)化采集平臺(tái)，開展橡膠樹樹干輪廓曲線提取相關(guān)研究，可為割膠裝備的設(shè)計(jì)與應(yīng)用提供理論與技術(shù)支撐，對(duì)割膠“最后一公里”問題的解決具有重要意義。

1 點(diǎn)云數(shù)據(jù)自動(dòng)采集平臺(tái)設(shè)計(jì)

1.1 平臺(tái)整體結(jié)構(gòu)

點(diǎn)云數(shù)據(jù)自動(dòng)化采集平臺(tái)主要由電源模塊、控制模塊、驅(qū)動(dòng)模塊、采集模塊、數(shù)據(jù)傳輸模塊以及數(shù)據(jù)記錄處理模塊組成，如圖1所示。其中，紅外激光測(cè)距儀通過角鋁轉(zhuǎn)接板與旋轉(zhuǎn)臂連接，轉(zhuǎn)接板上加工等距排孔，用于微調(diào)測(cè)距儀與橡膠樹樹干間距；旋轉(zhuǎn)臂通過螺栓與伺服電機(jī)軸連接；伺服電機(jī)通過螺栓與角鋁懸臂梁連接，并固定在穩(wěn)固的支架上。

1.紅外激光測(cè)距儀 2.旋轉(zhuǎn)臂 3.橡膠樹樹干 4.伺服電機(jī)

5.伺服驅(qū)動(dòng)器 6.速度調(diào)節(jié)器 7.PLC控制器

8.數(shù)據(jù)傳輸模塊 9.485轉(zhuǎn)232接頭 10.電源模塊

啟動(dòng)前，通過速度調(diào)節(jié)器設(shè)置合適的伺服電機(jī)轉(zhuǎn)速，連接數(shù)據(jù)傳輸模塊與PC端，使橡膠樹樹干位于伺服電機(jī)下方、旋轉(zhuǎn)臂轉(zhuǎn)動(dòng)范圍內(nèi)；啟動(dòng)后，伺服電機(jī)軸驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)臂轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)紅外激光測(cè)距儀環(huán)繞橡膠樹樹干做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，從而采集樹干輪廓點(diǎn)云數(shù)據(jù)，點(diǎn)云數(shù)據(jù)經(jīng)無線傳輸模塊發(fā)送至PC端進(jìn)行記錄與處理。

1.2 平臺(tái)硬件結(jié)構(gòu)

自動(dòng)化采集平臺(tái)硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。電源模塊采用MVI NDR-150-24開關(guān)電源，可為各元器件提供穩(wěn)定的24 V直流電壓；控制模塊采用海為ACM120R系列PLC可編程控制器；驅(qū)動(dòng)模塊由EzM-42XL系列伺服電機(jī)和伺服驅(qū)動(dòng)器組成，其中，伺服電機(jī)為兩相驅(qū)動(dòng)，輸出扭矩0.65 N·m；采集模塊采用松下HG-C1200紅外激光測(cè)距儀，測(cè)量精度0.07 mm，零點(diǎn)半徑r為200 mm，有效量程120～280 mm（物體與測(cè)距儀間距離）；數(shù)據(jù)傳輸模塊采用藍(lán)牙傳輸裝置，波特率800 Bd；數(shù)據(jù)記錄采用鍵盤輸入程序，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為鍵盤信號(hào)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)自動(dòng)化記錄。

1.3 平臺(tái)自動(dòng)采集控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

自動(dòng)化采集平臺(tái)自動(dòng)控制系統(tǒng)主要用于控制采集模塊和數(shù)據(jù)傳輸模塊的啟停，避免橡膠樹樹干輪廓點(diǎn)云數(shù)據(jù)重復(fù)采集，提高點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集精度，自動(dòng)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)以下控制：（1）控制伺服電機(jī)勻速轉(zhuǎn)動(dòng)；（2）實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)伺服電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)角度，伺服電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)360°后電機(jī)停轉(zhuǎn)，點(diǎn)云數(shù)據(jù)終止傳輸；（3）數(shù)據(jù)傳輸模塊將點(diǎn)云數(shù)據(jù)傳輸至PC端。

基于HaiwellHappy V2.2.9可視化編程環(huán)境，結(jié)合自動(dòng)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)編制系統(tǒng)程序，從而實(shí)現(xiàn)電機(jī)自動(dòng)啟停、電機(jī)勻角度轉(zhuǎn)動(dòng)、點(diǎn)云數(shù)據(jù)傳輸頻率以及點(diǎn)云數(shù)據(jù)傳輸啟停等方面的精準(zhǔn)控制。

1.4 采集間距設(shè)置

為適應(yīng)不同直徑橡膠樹樹干輪廓點(diǎn)云數(shù)據(jù)的采集，需設(shè)定合適的采集間距（即旋轉(zhuǎn)臂長(zhǎng)度），使橡膠樹樹干輪廓在紅外激光測(cè)距儀測(cè)量范圍內(nèi)，如圖4所示。其中，r為測(cè)距儀零點(diǎn)半徑，r=200 mm；rmin為測(cè)距儀最小測(cè)量距離，rmin=120 mm；rmax為測(cè)距儀最大測(cè)量距離，rmax=280 mm。通常達(dá)到開割年齡的橡膠樹樹干半徑為R=100～150 mm，則采集間距l(xiāng)∈［r+Rmin，r+Rmax］=［300，350］。由于旋轉(zhuǎn)臂末端需預(yù)留調(diào)節(jié)板安裝空間，若調(diào)節(jié)板長(zhǎng)度為a，則采集間距l(xiāng)∈［300+a，350+a］，本文設(shè)定采集間距為325 mm。

2 橡膠樹樹干輪廓曲線提取原理

由于橡膠樹樹干輪廓形態(tài)復(fù)雜，無法通過規(guī)則圖形描述。本文將橡膠樹樹干任意截面處輪廓定義為有限個(gè)離散點(diǎn)擬合而成的不規(guī)則曲線，曲線上離散點(diǎn)即采集的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。經(jīng)坐標(biāo)變換、無效數(shù)據(jù)過濾后，采用NURBS樣條曲線擬合方法提取橡膠樹樹干輪廓曲線［19］。

2.1 點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理

根據(jù)前述點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集方法，以旋轉(zhuǎn)臂轉(zhuǎn)動(dòng)軸心為圓心O，通過環(huán)繞掃描樹干任一截面處輪廓，即可獲得樹干輪廓點(diǎn)云數(shù)據(jù)，如圖5所示。

1.激光測(cè)距儀 2.激光測(cè)距儀零點(diǎn)半徑

3.運(yùn)動(dòng)軌跡 4.橡膠樹

橡膠樹樹干輪廓上任意點(diǎn)Pi均有

Δd=R-ΔL=R-（r+ΔL）

（1）

式中：

Δd——輪廓點(diǎn)與圓心O距離，mm；

R——激光測(cè)距儀轉(zhuǎn)動(dòng)半徑，mm；

ΔL——點(diǎn)云數(shù)據(jù)值，mm。

根據(jù)式（1），計(jì)算所得Δd即輪廓點(diǎn)與環(huán)形軌道圓心間距離，已知激光測(cè)距儀圍繞樹干轉(zhuǎn)動(dòng)角速度、數(shù)據(jù)傳輸速度為恒定值，則輪廓點(diǎn)可定義為以旋轉(zhuǎn)臂轉(zhuǎn)動(dòng)軸心O為原點(diǎn)、Δd為極徑、極角增量為Δθ，在極坐標(biāo)系360°范圍內(nèi)均勻分布的極點(diǎn)集合，如圖6所示，其中xO′y為極坐標(biāo)系。

由于極坐標(biāo)系內(nèi)相鄰極點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的極角增量相等，則可將輪廓點(diǎn)極角等同于首項(xiàng)為0、末項(xiàng)為2π、公差為Δθ的等差數(shù)列，其中，極角增量Δθ與點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集量相關(guān)，假設(shè)采集了n+1個(gè)點(diǎn)云數(shù)據(jù)Pi（i=0，1，…，n），則有

Δθ=2π/（n+1）

（2）

式中：

Δθ——極角增量，rad。

根據(jù)式（2），以極坐標(biāo)形式表示輪廓點(diǎn)

Pi=（ρi，θi）=（Δdi，i·Δθ）

（3）

式中：

ρi——輪廓點(diǎn)極徑，mm；

θi——輪廓點(diǎn)極角，rad。

樹干輪廓曲線擬合需將點(diǎn)云數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為直角坐標(biāo)，則輪廓點(diǎn)Pi可表示為

Pi=（xi，yi）=Δdi·［sin（i·Δθ），cos（i·Δθ）］

（4）

2.2 樹干輪廓曲線提取

本文基于NURBS樣條曲線擬合方法，以樹干輪廓曲線點(diǎn)Pi作為樣條曲線擬合控制點(diǎn)，通過求解控制點(diǎn)節(jié)點(diǎn)向量，最終實(shí)現(xiàn)樹干輪廓曲線的擬合。其中，k次NURBS樣條曲線基函數(shù)［1920］為

Ni，0（u）=

1，ui≤u

0，其他

Ni，k（u）u-uiui+k-uiNi，k-1（u）+ui+k+1-uui+k+1-ui+1Ni，k-1（u）

規(guī)定：00=0

（5）

式中：

u——節(jié)點(diǎn)矢量值。

以第1個(gè)輪廓點(diǎn)P0作為樣條曲線的首末端點(diǎn)，剩余n個(gè)點(diǎn)作為輪廓曲線途經(jīng)擬合點(diǎn)，則生成的樣條曲線有n+1個(gè)控制點(diǎn)Pi（i=0，1，…，n），n+k+1個(gè)節(jié)點(diǎn)矢量值ui（i=0，1，…，n+k+1）。根據(jù)哈特利—賈德方法［17］，定義域［u0，un+k+1］內(nèi)節(jié)點(diǎn)值為u0=u1=u2=u3=0；un+1=un+2=un+3=un+4=1，則有

ui-ui-1=∑i-1j=i-klj∑n+1i=k+1∑i-1j=i-klji=k+1， k+2，…，n+1

ui=∑ij=k+1（uj-uj-1）i=k+1，k+2，…，n

lj=Pj-Pj-1j=1， 2，…，n

（6）

式中：

l——控制點(diǎn)弦長(zhǎng)。

聯(lián)立式（5）和式（6），求解控制點(diǎn)集P={P0，P1，…，Pn}和節(jié)點(diǎn)矢量值u={u1，u2，…，un}。由于橡膠樹樹干輪廓為連續(xù)的閉合曲線，則輪廓曲線首末端點(diǎn)一致，即P0=Pn［2122］。至此，求解可得橡膠樹樹干輪廓曲線控制點(diǎn)、節(jié)點(diǎn)向量值。由于樹干輪廓點(diǎn)云數(shù)據(jù)量較多，本文采用AutoCAD軟件自帶的3階NURBS樣條曲線擬合功能提取樹干輪廓曲線。

3 橡膠樹樹干輪廓提取試驗(yàn)

為驗(yàn)證橡膠樹樹干輪廓曲線自動(dòng)化提取技術(shù)可行性并評(píng)估其提取精度，本文基于研制的橡膠樹樹干輪廓自動(dòng)化采集平臺(tái)，開展了橡膠樹樹干輪廓曲線自動(dòng)化提取試驗(yàn)。通過自動(dòng)化重復(fù)采集樹干輪廓點(diǎn)云數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)經(jīng)處理后導(dǎo)入AutoCAD實(shí)現(xiàn)樹干輪廓曲線的提取，以曲線面積重復(fù)度誤差、樹干輪廓特征識(shí)別率為評(píng)價(jià)指標(biāo)，對(duì)提取的樹干輪廓曲線進(jìn)行精度評(píng)估。

3.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料為天然橡膠主栽品系熱研7-33-97原木樹干，樹干半徑R樹≈93 mm，樹干割面區(qū)域有清晰的前水線、后水線、割線、裂縫以及凹坑特征，如圖7所示。

3.2 樹干輪廓重復(fù)提取精度

針對(duì)橡膠樹樹干同一截面輪廓，分別使測(cè)距傳感器正向（旋轉(zhuǎn)臂順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)）、反向（旋轉(zhuǎn)臂逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)）采集5組輪廓點(diǎn)云數(shù)據(jù)（共10組）；分別使測(cè)距傳感器正向、反向采集3個(gè)不同的橡膠樹樹干相對(duì)位置（即樹干與旋轉(zhuǎn)臂軸心相對(duì)位置）輪廓點(diǎn)云數(shù)據(jù)，共計(jì)30組，樹干相對(duì)位置如圖8所示。根據(jù)獲取的樹干輪廓點(diǎn)云數(shù)據(jù)，通過AutoCAD擬合輪廓曲線并計(jì)算曲線面積。

基于統(tǒng)計(jì)學(xué)方差分析方法，通過橡膠樹樹干輪廓曲線面積，計(jì)算輪廓曲線面積均值μ，則有

μ=1N∑Ni=0Qi

（7）

式中：

N——樹干輪廓曲線采集數(shù)量；

Qi——樹干輪廓曲線面積。

由式（7）可求得輪廓曲線面積標(biāo)準(zhǔn)差s，則有

s=1N∑Ni=0（Qi-μ）

（8）

本文以樹干輪廓曲線面積變異系數(shù)表示樹干輪廓曲線精度。結(jié)合式（7）、式（8），輪廓曲線面積變異系數(shù)

σ=s/μ

（9）

當(dāng)變異系數(shù)≤0.05，即橡膠樹樹干輪廓提取精度無顯著差異，表明輪廓曲線重復(fù)精度較高；變異系數(shù)>0.05，表明輪廓曲線重復(fù)精度較低。

3.3 樹干輪廓特征點(diǎn)識(shí)別度

橡膠樹樹干輪廓特征包括割面、前水線、后水線、裂縫及凹坑。其中，割面即割膠作業(yè)結(jié)束后樹皮被割除的區(qū)域，割面通常作為下一輪割膠作業(yè)的基準(zhǔn)之一；前水線即割膠作業(yè)起刀點(diǎn)基準(zhǔn)；后水線即割膠作業(yè)收刀點(diǎn)基準(zhǔn)，同時(shí)后水線可有助于膠乳引流；裂縫與凹坑即橡膠樹表面常見的不規(guī)則形狀區(qū)域。

本文將試驗(yàn)所選橡膠樹樹干輪廓特征與輪廓曲線提取結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，分析輪廓特征的有效識(shí)別程度η，主要通過輪廓特征數(shù)量識(shí)別精度表達(dá)。

η=Dm×100%

（10）

式中：

D——輪廓特征識(shí)別數(shù)量；

m——樹干輪廓特征數(shù)。

4 結(jié)果與分析

不同相對(duì)位置的橡膠樹樹干外輪廓正、反向提取結(jié)果如圖9所示，其中割面特征點(diǎn)表示為①；前水線特征點(diǎn)表示為②；后水線特征點(diǎn)表示為③；裂縫特征點(diǎn)表示為④；凹坑特征點(diǎn)表示為⑤。

（a） 正向采集

（b） 反向采集

由圖9可知，樹干輪廓特征點(diǎn)識(shí)別數(shù)量均為5個(gè)，試驗(yàn)原木樹干特征點(diǎn)數(shù)量為5個(gè)，結(jié)果表明該樹干輪廓曲線自動(dòng)化提取方法能有效識(shí)別樹干輪廓特征，輪廓特征的有效識(shí)別度較高，且輪廓特征點(diǎn)的位置與實(shí)際位置基本符合，提取結(jié)果驗(yàn)證了本文方法的可行性；通過對(duì)比分析同一位置樹干輪廓的正向與反向提取結(jié)果可知，互為相反方向提取的樹干輪廓曲線，即為各自繞坐標(biāo)原點(diǎn)旋轉(zhuǎn)180°后的水平鏡像曲線；部分樹干輪廓曲線會(huì)出現(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)偏移的現(xiàn)象，主要因?yàn)辄c(diǎn)云數(shù)據(jù)的采集、傳輸存在延時(shí)和誤差，但偏移現(xiàn)象并不會(huì)影響樹干輪廓曲線精度；提取的樹干輪廓表面裂縫特征④會(huì)呈現(xiàn)深度不一，甚至?xí)霈F(xiàn)裂縫特征曲線失真的現(xiàn)象，主要原因在于較深的裂縫會(huì)對(duì)紅外激光傳導(dǎo)產(chǎn)生干擾，導(dǎo)致點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集誤差相對(duì)較大。

通過計(jì)算橡膠樹樹干輪廓曲線面積，并進(jìn)行方差分析，結(jié)果如表1所示。

根據(jù)表1可知，橡膠樹樹干輪廓曲線重復(fù)提取精度無顯著偏差，變異系數(shù)為0.13%，結(jié)果表明該樹干輪廓曲線提取方法精度較高，且點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集穩(wěn)定性較強(qiáng)，重復(fù)提取精度可達(dá)到99.87%；當(dāng)橡膠樹樹干位于點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集范圍內(nèi)，其輪廓曲線提取精度不受樹干采集裝置相對(duì)位置的影響，在提取樹干輪廓曲線時(shí)無需對(duì)樹干位置進(jìn)行校準(zhǔn)；與此同時(shí)，轉(zhuǎn)變點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集方向并不會(huì)影響輪廓曲線提取精度。結(jié)果表明該樹干輪廓曲線提取方法相對(duì)便捷，并能有效避免校準(zhǔn)樹干位置造成的誤差；第二位置標(biāo)準(zhǔn)差與變異系數(shù)相對(duì)于第一、第三位置較小，結(jié)合輪廓曲線提取結(jié)果，第二位置裂縫特征與圓心距離最小，即裂縫特征接近于激光測(cè)距儀零點(diǎn)半徑位置，據(jù)此初步判斷樹干外輪廓越接近激光測(cè)距儀零點(diǎn)半徑處，其測(cè)量精度越高。

5 結(jié)論

1） ?本文提出了一種橡膠樹樹干外輪廓曲線自動(dòng)化提取方法，通過將樹干外輪廓點(diǎn)云數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為直角坐標(biāo)點(diǎn)，利用AutoCAD軟件3階NURBS樣條曲線擬合功能提取樹干外輪廓曲線。該方法經(jīng)驗(yàn)證具有較強(qiáng)可行性，其中，橡膠樹樹干輪廓特征點(diǎn)有效識(shí)別度較高；樹干輪廓曲線重復(fù)提取精度>99%。

2） ?研制了橡膠樹樹干輪廓點(diǎn)云數(shù)據(jù)自動(dòng)采集平臺(tái)，包括電源模塊、控制模塊、驅(qū)動(dòng)模塊、采集模塊、數(shù)據(jù)傳輸模塊以及數(shù)據(jù)記錄處理模塊，可實(shí)現(xiàn)橡膠樹樹干輪廓點(diǎn)云數(shù)據(jù)自動(dòng)采集、傳輸、記錄及處理。

3） ?橡膠樹樹干輪廓曲線重復(fù)提取精度較高，不受樹干位置和采集方向變化的影響，即采集點(diǎn)云數(shù)據(jù)時(shí)無需校準(zhǔn)樹干位置，提高了采集效率。然而，較深的裂縫會(huì)影響部分激光反射，造成測(cè)量數(shù)據(jù)存在一定誤差，此處仍需提高與優(yōu)化。

4） ?本文實(shí)現(xiàn)了橡膠樹樹干輪廓曲線的自動(dòng)提取，后續(xù)將開展輪廓曲線提取精度提升相關(guān)研究，并應(yīng)用于割膠裝備，實(shí)現(xiàn)割膠軌跡的規(guī)劃，提升割膠裝備作業(yè)精度和仿形效果。

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