臺少瑜 李云伍 趙穎 林先卬 黎遠(yuǎn)江 王義成

摘要：為解決丘陵山地果園條件下激光雷達(dá)檢測過程中面對多尺寸、多距離條件下出現(xiàn)的目標(biāo)物體漏檢、誤檢等欠分割和過分割問題，提出一種基于激光雷達(dá)的自適應(yīng)目標(biāo)聚類半徑目標(biāo)物體檢測方法。首先，在使用激光雷達(dá)感知到周圍環(huán)境的三維點(diǎn)云后，去除地面點(diǎn)云并且使用體素濾波進(jìn)行降采樣的預(yù)處理，在減少數(shù)據(jù)量的同時(shí)去除點(diǎn)云中的噪聲點(diǎn)。其次，建立Kd tree模型進(jìn)行最近鄰搜索，以加速歐式聚類的進(jìn)程，通過自適應(yīng)確定每顆樹冠的聚類半徑，使歐式聚類能夠得到更好的聚類效果。最后為驗(yàn)證算法準(zhǔn)確性和實(shí)用性，基于果園履帶車平臺，采用32線激光雷達(dá)對所提算法進(jìn)行實(shí)車測試。結(jié)果表明：在丘陵山地果園中該算法可準(zhǔn)確聚類果樹樹冠點(diǎn)云，且實(shí)地目標(biāo)正檢率為94.41%。

關(guān)鍵詞：激光雷達(dá)；樹冠檢測；Kd tree模型；自適應(yīng)聚類

中圖分類號：TN959.6

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：20955553 （2024） 02022107

收稿日期：2022年11月30日 ?修回日期：2022年12月23日

基金項(xiàng)目：貴州省科技計(jì)劃項(xiàng)目（黔科合支撐［2021］一般171）

第一作者：臺少瑜，男，1999年生，山東諸城人，碩士研究生；研究方向?yàn)樘镩g作業(yè)環(huán)境感知技術(shù)。Email： taishaoyu@163.com

通訊作者：李云伍，男，1974年生，重慶人，博士，教授；研究方向?yàn)橹悄苻r(nóng)機(jī)裝備及田間作業(yè)環(huán)境感知技術(shù)。Email： liywu@swu.edu.cn

Research on crown detection based on adaptive clustering radius of Lidar

Tai Shaoyu1， Li Yunwu1， 2， Zhao Ying1， Lin Xianang1， Li Yuanjiang1， Wang Yicheng1

（1. College of Engineering and Technology， Southwest University， Chongqing， 400716， China；

2. Chongqing Key Laboratory of Agricultural Equipment in Hilly Area， Chongqing， 400716， China）

Abstract：

In order to solve the problem of undersegmentation and oversegmentation such as missed detection and false detection of target objects under multisize and multidistance conditions in the process of Lidar detection under hilly and mountainous orchard conditions， a target object detection method based on adaptive target clustering radius of Lidar is proposed. Firstly， by using Lidar to sense the threedimensional point cloud of the surrounding environment， the ground point cloud is removed and the preprocessing of down sample is performed by voxel filter. The amount of data is reduced and the noise points in the point cloud is removed. Secondly， the Kd tree model is established and the nearest neighbor search is carried out to accelerate the process of Euclidean clustering. By adaptively determining the clustering radius of each crown， the Euclidean clustering can get better clustering results. Finally， in order to verify the accuracy and practicability of the algorithm， based on the orchard tracked vehicle platform， a 32-line Lidar is used to test the algorithm. The results show that the algorithm can accurately cluster the canopy point cloud of fruit trees in hilly and mountainous orchards， and the field target detection rate is 94.41%.

Keywords：

Lidar; crown detection; Kdimensional tree model; adaptive clustering

0 引言

果樹單木樹冠信息（如冠幅、樹冠面積和樹冠體積等）是果樹生長狀態(tài)的重要體現(xiàn)，也是產(chǎn)量預(yù)測估計(jì)的重要方法，更是實(shí)現(xiàn)果園精準(zhǔn)管理的重要前提［1］。樹冠信息作為果樹變量施藥和精確對靶施藥等果園精準(zhǔn)管理操作的基礎(chǔ)，對果樹樹冠進(jìn)行精確檢測則具有重要的學(xué)術(shù)研究與應(yīng)用意義［23］。

現(xiàn)有針對樹冠檢測常用的方法包括基于機(jī)器視覺的目標(biāo)感知方案、基于機(jī)器視覺和激光雷達(dá)融合的目標(biāo)感知方案與基于激光雷達(dá)等目標(biāo)物體感知方案［4］。其中基于機(jī)器視覺的目標(biāo)感知方案魯棒性較差，受環(huán)境光影響較大，陰雨天氣環(huán)境下作業(yè)效果不理想，不能滿足作業(yè)要求。而林樂彬［5］提出將激光雷達(dá)與機(jī)器視覺相融合的方法，雖然可以快速準(zhǔn)確地識別障礙物，但是該算法應(yīng)用在雜草較多的果園時(shí)視覺容易受到雜草干擾，并且該算法在夜間工作時(shí)檢測效果大幅下降，算法魯棒性較差，無法在農(nóng)時(shí)高質(zhì)量地完成作業(yè)。

三維激光雷達(dá)由于其優(yōu)異的性能、穩(wěn)定的信號輸入、較好的測距能力和受環(huán)境光影響較小的優(yōu)勢在目標(biāo)檢測方面應(yīng)用較廣。目前常用的激光雷達(dá)聚類算法有kmeans聚類算法、DBSCAN聚類算法和歐幾里得聚類算法［6］。kmeans聚類算法由于需要提前設(shè)置聚類數(shù)目，因此不適合用于樹冠檢測。蔡懷宇［7］針對傳統(tǒng)DBSCAN算法漏檢和誤檢的問題，對選取鄰域半徑參數(shù)的方法進(jìn)行了改進(jìn)，改進(jìn)后的算法雖漏檢率和誤檢率略有降低，但其正檢率仍為86.27%，屬于偏低水平。張文宇［8］針對DBSCAN聚類算法中選取參數(shù)時(shí)需要不斷進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證來改進(jìn)參數(shù)的問題，提出了一種根據(jù)不同搜索范圍來自適應(yīng)慣性權(quán)重更新的策略，改進(jìn)后的聚類效果雖有明顯的提高，但該算法運(yùn)行效率較低，不適合用于果園樹冠實(shí)時(shí)性檢測。牛國臣［9］將自適應(yīng)聚類與DBSCAN聚類算法相融合，通過改進(jìn)kmeans算法將障礙物分組從而完成聚類，該算法雖然運(yùn)行效率較高但聚類效果受參數(shù)Minpts和Eps影響較大，算法魯棒性不高。

歐式聚類算法因能較高質(zhì)量地完成樹冠聚類過程而在樹冠檢測中廣泛使用。范晶晶［10］針對越野環(huán)境下的目標(biāo)識別問題，將被檢測目標(biāo)的幾何物理特征與聚類思想相結(jié)合，提出并設(shè)計(jì)了基于Kd Tree和歐式聚類算法的目標(biāo)檢測算法，但是該算法在識別相近物體時(shí)算法魯棒性較差?？椎旅鳎?1］針對激光雷達(dá)檢測目標(biāo)障礙物時(shí)出現(xiàn)的目標(biāo)物體欠分割與過分割等檢測不準(zhǔn)確的情況對歐式算法進(jìn)行了優(yōu)化，算法優(yōu)化后能夠在多目標(biāo)檢測實(shí)驗(yàn)中有較高精度的聚類效果。伍錫如［12］將三維激光雷達(dá)獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)中距離中心點(diǎn)偏遠(yuǎn)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行剔除與分離，改進(jìn)后的歐式聚類算法障礙物識別準(zhǔn)確率的提升較為顯著。尚業(yè)華［13］使用三維激光雷達(dá)檢測障礙物，并在聚類時(shí)將無效障礙物進(jìn)行識別與去除，在其后來實(shí)驗(yàn)中驗(yàn)證檢出率高達(dá)96%。

基于先前研究，本文使用歐式聚類算法對丘陵山區(qū)果園樹冠檢測開展研究，由于上述聚類算法改進(jìn)效果雖較好，但改進(jìn)策略大都比較復(fù)雜，算法實(shí)現(xiàn)成本較高。因此，本文提出一種聚類半徑自適應(yīng)的改進(jìn)歐式聚類算法。該算法借鑒Yan［14］提出的地面分割方式和根據(jù)距離自動調(diào)整聚類范圍的方法，調(diào)整劉亮［15］提出的消除車輛點(diǎn)云模塊，通過降采樣、分割地面后得到非地面點(diǎn)云，對處理后的三維點(diǎn)云進(jìn)行基于Kd Tree的最近鄰搜索后根據(jù)激光雷達(dá)與目標(biāo)物體之間的歐氏距離計(jì)算出該目標(biāo)物體的聚類半徑，完成目標(biāo)物的聚類檢測。

1 樹冠檢測算法概述

樹冠檢測算法主要是由3部分組成［16］。第1部分為信號輸入部分。該部分接入激光雷達(dá)信號后由車載工控機(jī)轉(zhuǎn)換為環(huán)境三維點(diǎn)云，該部分主要作用是將環(huán)境轉(zhuǎn)換為機(jī)器語言［17］。第2部分為點(diǎn)云預(yù)處理部分。該部分通過濾波降采樣、去噪和分割地面對環(huán)境三維點(diǎn)云進(jìn)行預(yù)處理，預(yù)處理之后的點(diǎn)云即為改進(jìn)算法的ROI區(qū)域（感興趣區(qū)域）。第3部分為點(diǎn)云聚類部分。該部分主要對ROI區(qū)域進(jìn)行樹冠聚類：首先，基于分塊的思想將點(diǎn)云簇分塊；其次，通過改進(jìn)的聚類半徑確定方法對樹冠進(jìn)行聚類；最后，聚類結(jié)果通過ROS系統(tǒng)自帶顯示程序rviz顯示。

2 三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)預(yù)處理

三維激光雷達(dá)通過旋轉(zhuǎn)激光發(fā)射單位與接收單位獲取周圍信息達(dá)到感知周圍環(huán)境的目的，激光雷達(dá)每秒所獲取的原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)量非常龐大，原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)中不僅包含所需的果樹樹冠點(diǎn)云數(shù)據(jù)，還包含其他點(diǎn)云數(shù)據(jù)，如地面、雜草、行人等［18］。過多的點(diǎn)云數(shù)據(jù)會增加計(jì)算量和系統(tǒng)反應(yīng)時(shí)間，影響實(shí)際聚類效果，因而，在對果樹樹冠進(jìn)行識別聚類之前需要先對激光雷達(dá)采集的原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理［19］。

2.1 點(diǎn)云濾波

體素濾波可以達(dá)到向下采樣的同時(shí)不破壞點(diǎn)云的形狀和本身結(jié)構(gòu)，可以達(dá)到降采樣的同時(shí)保存比較完整的數(shù)據(jù)特點(diǎn)［20］。將輸入的原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)用一個(gè)立方柵格完全包括，在這個(gè)立方柵格中再創(chuàng)建10 cm×10 cm×10 cm的立方體素柵格，計(jì)算每個(gè)體素柵格的質(zhì)心，用質(zhì)心來近似代替該體素柵格內(nèi)的所有點(diǎn)，達(dá)到降采樣和過濾噪聲點(diǎn)的作用。

使用質(zhì)心來代替體素柵格內(nèi)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)更有利于聚類算法進(jìn)行聚類［21］，因此，采用能夠達(dá)到本研究原始數(shù)據(jù)預(yù)處理要求的體素濾波對原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理。

經(jīng)測量，果園試驗(yàn)區(qū)域果樹樹冠最高點(diǎn)均低于3.5 m，考慮到激光雷達(dá)實(shí)際安裝高度與果園平面起伏，因此試驗(yàn)中使用直通濾波去除以激光雷達(dá)安裝位置為基準(zhǔn)面以上3 m的過高點(diǎn)云部分。

2.2 地平面分割

大量的地面和雜草點(diǎn)云對樹冠檢測和分類會產(chǎn)生影響，因此分割地面和雜草點(diǎn)云對樹冠檢測具有非常重要的意義［22］。激光雷達(dá)輸入的是一個(gè)三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)集C={qi|qi=（xi，yi，zi）∈R3，i=1，…，n}，其中n是雷達(dá)單次掃描的總點(diǎn)數(shù)。為了將地面和雜草點(diǎn)云去除，算法會將每一個(gè)點(diǎn)去除，去除地面的點(diǎn)云將構(gòu)成一個(gè)新的集合C*∈C，得到非地面點(diǎn)云。

由于無人車工作地面相對平坦并且Z軸大致垂直于地面的果園，試驗(yàn)對象是果樹樹冠，因而將原始點(diǎn)云的下部切割指定高度對試驗(yàn)結(jié)果影響較小，可忽略不計(jì)。

3 改進(jìn)的歐式聚類算法

經(jīng)過體素過濾和地面分割預(yù)處理之后的點(diǎn)云即為所要檢測的目標(biāo)物體點(diǎn)云。本文在Kd Tree與最近鄰搜索的基礎(chǔ)上通過改進(jìn)的歐幾里得聚類算法的自適應(yīng)聚類半徑來對目標(biāo)點(diǎn)云進(jìn)行聚類并進(jìn)行目標(biāo)檢測。在車輛行進(jìn)過程中，三維激光雷達(dá)實(shí)時(shí)產(chǎn)生三維點(diǎn)云的數(shù)據(jù)量極其龐大，而Kd Tree模型可以對龐大的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)提前進(jìn)行分塊處理，而這種分塊可以大大縮短計(jì)算時(shí)間，提高基于歐氏距離最近鄰搜索的聚類效率。

3.1 Kd tree模型的三維應(yīng)用

Kd tree是一種能夠?qū)維空間中的點(diǎn)進(jìn)行劃分的一種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。由于其形如二叉樹的結(jié)構(gòu)特性能夠顯著降低運(yùn)算次數(shù)、提高運(yùn)算效率，因而常被用來對多維空間中的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行搜索。

Kd tree本質(zhì)上是一個(gè)基于二分法的搜索樹。在進(jìn)行搜索時(shí)每一個(gè)節(jié)點(diǎn)都將未劃分的多維空間劃分為兩部分。在每次劃分時(shí)要保證劃分后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)的左右子空間的點(diǎn)云數(shù)據(jù)量盡量相等。構(gòu)建流程如下。

1） 根據(jù)式（1）計(jì)算三維數(shù)據(jù)集合中每一維的方差，并從中選取具有最大方差的維度

k=max∑（X－μx）2Nx，∑（Y－μy）2Ny，∑（Z－μz）2Nz

（1）

式中：

X、Y、Z——該維空間的變量；

N*——該維空間中總變量個(gè)數(shù)；

μ*——該維空間的總體均值。

2） 根據(jù)式（2）計(jì)算三維數(shù)據(jù)中的中值m，并且將三維點(diǎn)云上的N個(gè)數(shù)據(jù)按遞增順序進(jìn)行排列，得到集合Q={K1，K2，K3，…，KN}。其中K1

m=

KN+12N為奇數(shù)

KN2+KN2+12N為偶數(shù)

（2）

3） 將步驟2中計(jì)算出的中值m賦值給閾值，根據(jù)m將集合Q分割為兩個(gè)子集合Qleft和Qright，子集合符合式（3）。

x

x≥m x∈Qright

（3）

4） 將步驟3得到的兩個(gè)子集合再次重復(fù)上次操作，以此類推，直至所有的子集合都不可以再次被劃分為止。將不能被劃分的子集合存儲在葉子節(jié)點(diǎn)中。

構(gòu)建完成的Kd tree的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

3.2 自適應(yīng)聚類半徑的歐式聚類

歐式距離是歐幾里得聚類算法的基礎(chǔ)。空間中任意兩點(diǎn)A：（x1，y1，z1）和B：（x2，y2，z2）的歐氏距離可以通過公式進(jìn)行計(jì)算，即

d=（x1－x2）2+（y1－y2）2+（z1－z2）2

基于歐氏距離的最近鄰搜索算法是加速聚類過程的核心。目標(biāo)點(diǎn)p輸入該算法后通過與當(dāng)前節(jié)點(diǎn)劃分中值m比較判斷后從根節(jié)點(diǎn)一直到達(dá)相應(yīng)葉子節(jié)點(diǎn)，則該葉子節(jié)點(diǎn)Q更新為P的最近鄰點(diǎn)，dmin更新為節(jié)點(diǎn)P和Q之間的距離dPQ。隨后沿搜索路徑回溯其父節(jié)點(diǎn)，判斷其父節(jié)點(diǎn)與Q之間的距離是否小于dmin。若是，則將該父節(jié)點(diǎn)更新為最近鄰點(diǎn)并將該父節(jié)點(diǎn)下的其余子節(jié)點(diǎn)納入該搜索范疇。若否，則沿搜索路徑繼續(xù)向上回溯至父節(jié)點(diǎn)的父節(jié)點(diǎn)直至根節(jié)點(diǎn)?？臻g中某點(diǎn)的最近鄰搜索到此完成。

最近鄰搜索完成后的下一步就是進(jìn)行歐式聚類。在聚類過程中，聚類效果根據(jù)距離的遠(yuǎn)近所呈現(xiàn)的效果也不一樣，這時(shí)就要考慮上述提到的聚類過程中最重要的參數(shù)就是聚類半徑。為了能夠使聚類結(jié)果更加準(zhǔn)確，本文提出了一種聚類半徑自適應(yīng)的確定方法。（1）在采集完果樹的三維點(diǎn)云之后對其進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化預(yù)處理，并建立由點(diǎn)云簇Ci組成的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)集C*={C1，C2，C3，…，Ci，…，Cn}。（2）根據(jù)每一簇三維點(diǎn)云距離激光雷達(dá)距離的遠(yuǎn)近進(jìn)行升序排列，取其排列第一的三維點(diǎn)云簇C1的質(zhì)心作為本次聚類半徑確定的初始聚類中心。（3）從數(shù)據(jù)集C*中選取距離該點(diǎn)云簇歐氏距離最小的兩束點(diǎn)云簇，計(jì)算這三束點(diǎn)云簇中每個(gè)點(diǎn)與初始聚類中心距離的平均值R1，并將該平均值R1作為該點(diǎn)云簇C1的聚類半徑。（4）以此類推，其余的三維點(diǎn)云簇Ci也根據(jù)上述步驟得到該點(diǎn)云簇的聚類半徑Ri。

在確定了點(diǎn)云簇C1的聚類半徑R1后便開始進(jìn)行歐式聚類，歐式聚類的流程如圖3所示。

該算法在聚類時(shí)是從點(diǎn)云簇C1中的初始聚類中心作為第一次Kd tree最近鄰搜索的核心點(diǎn)，完成第一次最近鄰搜索后，將搜索到的K個(gè)最近鄰點(diǎn)與初始聚類中心之間的距離與聚類半徑R進(jìn)行比較，形成集合M。再從點(diǎn)云簇Ci中選取除上次最近鄰搜索的核心點(diǎn)以外的點(diǎn)重復(fù)以上過程，不斷迭代直至M中無新元素增加則完成該次聚類。

完成第一簇三維數(shù)據(jù)點(diǎn)的聚類后，通過尋找下一簇的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，進(jìn)行下次三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)的聚類，逐步完成上述步驟后便可以繼續(xù)完成剩余點(diǎn)云簇的聚類。

4 試驗(yàn)結(jié)果與分析

4.1 試驗(yàn)平臺與場地介紹

為了驗(yàn)證所提改進(jìn)算法的實(shí)際環(huán)境樹冠檢測效果與該算法的準(zhǔn)確性以及實(shí)用性，開展實(shí)車果園試驗(yàn)。試驗(yàn)平臺采用履帶式無人轉(zhuǎn)運(yùn)運(yùn)輸車作為載體，激光雷達(dá)采用速騰聚創(chuàng)32線激光雷達(dá)RSHelios 1615，具體參數(shù)見表1，激光雷達(dá)與運(yùn)輸車載體的安裝如圖4所示。試驗(yàn)環(huán)境位于重慶市渝北區(qū)郭家灣的果園內(nèi)，果園環(huán)境如圖5所示。試驗(yàn)運(yùn)行環(huán)境為車載工控機(jī)采用Intel Core i5-7200U處理器，系統(tǒng)環(huán)境為Ubuntu18.04，算法使用C++語言進(jìn)行編寫，開發(fā)環(huán)境為VS code，調(diào)用PCL庫中的相關(guān)點(diǎn)云結(jié)構(gòu)，最后利用rviz顯示到屏幕。

4.2 果樹樹冠檢測結(jié)果分析

在進(jìn)行果園試驗(yàn)時(shí)，通過控制變量設(shè)計(jì)了改進(jìn)歐式聚類算法與傳統(tǒng)歐式聚類算法的檢測效果對比試驗(yàn)。改進(jìn)算法針對該果園實(shí)際情況對算法參數(shù)進(jìn)行了調(diào)整，對果園環(huán)境下采集的三維激光雷達(dá)數(shù)據(jù)進(jìn)行了多距離、多尺寸、多目標(biāo)物混合目標(biāo)檢測試驗(yàn)。

在多距離、多目標(biāo)混合目標(biāo)物檢測試驗(yàn)中，所提改進(jìn)的歐式聚類算法與傳統(tǒng)聚類算法檢測效果分別如圖6所示，其中圖6（a）表示激光雷達(dá)在該試驗(yàn)場景下采集到的原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)，圖6（b）表示在經(jīng)過預(yù)處理操作后的ROI區(qū)域。設(shè)置傳統(tǒng)聚類算法參數(shù)cluster_min（最少點(diǎn)數(shù)）為800，cluster_max（最多點(diǎn)數(shù)）為1 500。該試驗(yàn)中存在多個(gè)距離不同，但形狀尺寸大小近似的目標(biāo)樹冠。試驗(yàn)表明，當(dāng)履帶車旁邊存在多個(gè)距離不同但尺寸大小相似的目標(biāo)物體時(shí)，優(yōu)化歐式聚類算法能根據(jù)目標(biāo)物體不同的距離，精準(zhǔn)定位并準(zhǔn)確確定目標(biāo)物體聚類半徑，能夠準(zhǔn)確地檢測出障礙物。而傳統(tǒng)歐式聚類算法在面對多距離目標(biāo)物體時(shí)存在局限性，漏檢了②號、③號和⑥號，并且誤檢了⑦號，將⑦號目標(biāo)物體點(diǎn)云過分割，不能準(zhǔn)確檢出所有目標(biāo)物體。

（a） 原始點(diǎn)云

（b） 過濾地面及噪聲后點(diǎn)云

（c） 改進(jìn)聚類結(jié)果

（d） 傳統(tǒng)聚類效果

在多尺寸、多目標(biāo)混合目標(biāo)檢測實(shí)驗(yàn)中，所提改進(jìn)歐式聚類算法與傳統(tǒng)歐式聚類算法檢測效果對比如圖7所示，其中圖7（a）表示激光雷達(dá)在該試驗(yàn)場景下采集到的原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)，圖7（b）表示在經(jīng)過預(yù)處理操作后的ROI區(qū)域。

（a） 原始點(diǎn)云

（b） 過濾地面及噪聲后點(diǎn)云

（c） 改進(jìn)聚類結(jié)果展示

（d） 傳統(tǒng)聚類效果展示

傳統(tǒng)聚類算法的參數(shù)設(shè)置同上實(shí)驗(yàn)，兩種聚類方法在面對尺寸多樣化的目標(biāo)物體時(shí)，改進(jìn)的歐式聚類算法的聚類半徑根據(jù)每棵樹樹冠的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，完成聚類半徑的自適應(yīng)確定過程，能夠精確且快速地完成樹冠的識別聚類過程，滿足試驗(yàn)初始要求。而傳統(tǒng)歐式聚類在面對該種情況時(shí)漏檢了目標(biāo)尺寸較小的②號、③號目標(biāo)樹冠，聚類效果有限，無法根據(jù)樹冠點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行聚類半徑自適應(yīng)的聚類，其余樹冠均正常檢出。

在上述試驗(yàn)完成后，針對該算法的準(zhǔn)確性開展定量試驗(yàn)。在試驗(yàn)過程中，用正檢率（True Positive Rate）、誤檢率（False Positive Rate）和漏檢率（Missing Detection Rate）來評估該算法及對比算法的目標(biāo)物檢測結(jié)果［23］。其計(jì)算如式（4）～式（6）所示。

PT=NTNsum

（4）

PF=NFNsum

（5）

PM=NMNsum

（6）

式中：

PT、PF、PM——

正檢率、誤檢率、漏檢率;

NT、NF、NM——

正檢、誤檢、漏檢樹冠顆數(shù);

Nsum——參與檢測的樹冠總顆數(shù)。

將試驗(yàn)過程中錄制的激光雷達(dá)三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)換為由每幀組成的幀數(shù)據(jù)包，然后從該數(shù)據(jù)包中選取同一果園中3個(gè)不同地段的點(diǎn)云幀，3個(gè)地段的果樹數(shù)量分別為90棵、150棵和100棵，使用傳統(tǒng)歐式聚類算法和本文改進(jìn)歐式聚類算法分別對3個(gè)地段點(diǎn)云幀中的果樹樹冠進(jìn)行目標(biāo)物檢測，試驗(yàn)結(jié)果見表2。

分析試驗(yàn)結(jié)果可得知在相同實(shí)驗(yàn)條件下，改進(jìn)后的歐式聚類算法目標(biāo)物檢測平均正檢率為94.41%，相較于傳統(tǒng)歐式聚類算法正檢率提高12.36%。但是在試驗(yàn)過程中偶爾會出現(xiàn)連續(xù)幾棵果樹誤檢或漏檢的情況，經(jīng)過多次試驗(yàn)分析發(fā)現(xiàn)，影響原因主要有：一是果園兩邊的地面高度不一致，有少數(shù)果樹下部土壤隆起較高，按照本文去除地面方法，該果樹下部存在部分土壤和雜草點(diǎn)云數(shù)據(jù)無法準(zhǔn)確去除，導(dǎo)致由該棵果樹樹冠點(diǎn)云信息確定的聚類半徑偏小，過分割情況變多；二是果園存在兩棵樹樹冠相互距離過近的情形，使得改進(jìn)算法在進(jìn)行該類果樹樹冠聚類檢測時(shí)出現(xiàn)欠分割和過分割的現(xiàn)象。此外，該算法計(jì)算量與傳統(tǒng)算法相比較大，處理時(shí)間較長，受計(jì)算機(jī)硬件影響，在果園試驗(yàn)時(shí)履帶車輛前進(jìn)速度較慢。

5 結(jié)論

針對傳統(tǒng)歐式聚類在丘陵山地果園條件下激光雷達(dá)檢測過程中面對多尺寸、多距離條件下出現(xiàn)的目標(biāo)物體漏檢、誤檢等欠分割和過分割的問題，提出基于激光雷達(dá)的自適應(yīng)目標(biāo)聚類半徑目標(biāo)物體檢測方法。通過點(diǎn)云預(yù)處理和聚類半徑自適應(yīng)的實(shí)現(xiàn)對傳統(tǒng)歐式聚類算法進(jìn)行了優(yōu)化，并進(jìn)行果園實(shí)際驗(yàn)證。

1） 自適應(yīng)聚類半徑的歐式聚類能根據(jù)每一個(gè)目標(biāo)物體的三維點(diǎn)云特征信息確定該目標(biāo)物體的聚類半徑。

2） 經(jīng)基于分塊思想預(yù)處理之后的點(diǎn)云簇，結(jié)合目標(biāo)物聚類半徑自適應(yīng)能在多距離多尺寸多目標(biāo)物的試驗(yàn)情況下精確地將目標(biāo)物體識別分割。

3） 試驗(yàn)表明，本文改進(jìn)的歐式聚類算法與傳統(tǒng)歐式聚類算法相比正檢率提高了12.36%，誤檢率和漏檢率分別降低7.94%和4.41%。

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