CN118623895B - 一种树木根系扫描仪器的辅助定位与校准装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及定位校准技术领域，具体为一种树木根系扫描仪器的辅助定位与校准装置，装置包括扫描仪器定位模块、坐标系构建模块、轨迹规划模块和校准验证模块。本发明中，通过高精度的地理位置测量技术和地球同步轨道信号处理，实现对树木根系扫描仪器的精确定位与追踪，在复杂的树木立地中更准确和快速地执行探测根系功能，匹配不断变化的立地环境，提高操作的灵活性和适应性，进行仪器辅助定位的校准测试，进一步提高数据测量的准确性和重复性，为树木根系探测提供科学依据，减少人为和设备误差，为树木保护工作者和研究人员提供更多的数据支持和决策依据。

Description

一种树木根系扫描仪器的辅助定位与校准装置

技术领域

本发明涉及定位校准技术领域，尤其涉及一种树木根系扫描仪器的辅助定位与校准装置。

背景技术

定位校准技术领域应用广泛，包括机械工程、测绘、医疗设备以及林业技术，具体到林业技术，定位校准技术确保林业机械能够准确执行功能，如精准种植、施肥及病虫害监测等。依赖于先进的传感器、精密机械和复杂的软件算法来提高操作的精确度和效率，核心在于提高数据测量的准确性和重复性，减少人为和设备误差，优化整个操作流程。

其中，树木根系扫描仪器的辅助定位与校准装置是一种专门用于精确测量和分析树木根系的技术设备，主要用途是通过高精度的扫描和成像技术，精确地定位树木根部的位置和分布，帮助树木保护工作者或研究人员了解根系的健康状况、生长模式和对环境的适应性。准确的根系数据对于评估土壤质量、制定合理的灌溉策略以及进行病害预防等方面都具有重要意义。通过辅助定位与校准装置，可以大幅提高数据的准确度和可靠性，为树木养护和管理提供科学依据。

现有的定位校准技术已在多个领域得到应用，但在林业技术特别是精准林业的应用中仍存在明显的不足，在复杂的农田环境中，常规的定位技术难以适应地形和环境的快速变化，导致定位不准确，影响作业的精度。现有的技术依赖于较为简单的传感器和算法，限制在处理复杂数据时的效率和准确性。局限性导致数据测量的重复性和准确性下降，使得林业操作的优化和自动化水平受限。缺乏灵活调整仪器位置和角度的能力，也使得仪器在面对立地条件时的适应性不足，在实际操作中导致工作效率不高和扫描数据误差难把控。

发明内容

本发明的目的是解决现有技术中存在的缺点，而提出的一种树木根系扫描仪器的辅助定位与校准装置。

为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案，一种树木根系扫描仪器的辅助定位与校准装置包括：

扫描仪器定位模块捕获地球同步轨道的信号，根据信号强度和传输延迟，计算差异化树木根系实时的地理位置，生成扫描仪器辅助定位数据；

坐标系构建模块通过所述扫描仪器辅助定位数据，测量树木根系扫描仪器与目标树木之间的距离，计算目标树木的位置，建立树木坐标信息表；

轨迹规划模块根据所述树木坐标信息表，将操作人员需要检测路径投影到地面上；

校准验证模块通过所述树木坐标信息和检测路径数据，进行树木根系扫描仪器辅助定位的校准测试，验证扫描仪器辅助定位和轨迹的准确性，当根系扫描仪器偏离预定检测路径时及时提醒纠正。

作为本发明的进一步方案，所述扫描仪器辅助定位数据包括卫星信号强度、信号传输延迟和定位时间戳，所述树木坐标信息表包括树木的地理经度、纬度和海拔。

作为本发明的进一步方案，所述扫描仪器定位模块包括：

信号捕获子模块接收地球同步轨道的信号，记录信号接收时间和强度，对信号进行标记和分类，验证信号的有效性，生成信号参数表；

信号分析子模块根据所述信号参数表，分析信号传输的时间延迟，对接收的信号位置和时间戳进行解析，比对时间戳差异，并计算平均延时，生成信号延时信息；

数据整理子模块使用所述信号延时信息，结合仪器的扫描状态信息，对扫描仪器的数据进行验证和优化，查验扫描数据的准确性和可用性，生成扫描仪器辅助定位数据。

作为本发明的进一步方案，所述坐标系构建模块包括：

距离分析子模块利用所述扫描仪器辅助定位数据，进行扫描仪器与目标树木间距离的实时测量，对测距数据进行校准和分析，生成距离测量结果；

位置计算子模块基于所述距离测量结果，结合扫描仪器的已知位置，参照地形和环境因素进行扫描仪器的位置校正，生成树木位置数据；

坐标汇总子模块根据所述树木位置数据，进行树木位置数据的验证和格式化处理，验证树木位置信息与扫描仪器坐标的准确性和一致性，生成树木坐标信息表。

作为本发明的进一步方案，所述轨迹规划模块包括：

轨迹投影子模块基于所述树木坐标信息表，定位根系区域的地理坐标，将操作人员预设的检测路径通过投影技术映射到地面上，规避路径偏移。

作为本发明的进一步方案，所述校准验证模块包括：

定位校准子模块基于所述树木坐标信息和检测路径数据，进行树木根系扫描仪器的位置和角度调整，验证扫描仪器定位的准确性，通过调整扫描仪器对树木根系的辅助定位，匹配实时环境变化，生成调整后的定位数据；

轨迹检验子模块利用所述调整后的定位数据，评估扫描仪器对差异化环境的响应性和调整效果，通过模拟差异化的树木根系扫描轨迹，生成路径适应性分析结果；

效果验证子模块基于所述路径适应性分析结果，进行扫描仪器的校验测试，通过实地扫描树木根系的测试，验证扫描仪器整体的响应速度，优化扫描仪器的响应参数，生成校准分析结果。

与现有技术相比，本发明的优点和积极效果在于：

本发明中，通过高精度的地理位置测量技术和地球同步轨道信号处理，实现对树木根系扫描仪器的精确定位与追踪，精细的地理定位能力使得根系扫描仪器能够在复杂的树木立地环境中更快速和准确地作业。通过激光投影技术，提高操作的灵活性和适应性。利用校正提醒进行仪器辅助定位的校准测试，进一步提高数据测量的准确性和重复性。不仅减少人为误差，还优化整个根系扫描操作流程，为树木保护工作者和研究人员提供更多的数据支持和决策依据。

附图说明

图1为本发明的装置流程图；

图2为本发明的装置框架示意图；

图3为本发明的扫描仪器定位模块流程图；

图4为本发明的坐标系构建模块流程图；

图5为本发明的轨迹规划模块流程图；

图6为本发明的校准验证模块流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

实施例一

请参阅图1至图2，一种树木根系扫描仪器的辅助定位与校准装置包括：

扫描仪器定位模块捕获地球同步轨道的信号，根据信号强度和传输延迟，对信号进行标记和分类，计算差异化树木根系实时的地理位置，生成扫描仪器辅助定位数据；

坐标系构建模块通过扫描仪器辅助定位数据，测量树木根系扫描仪器与目标树木之间的距离，计算目标树木的位置，建立树木坐标信息表；

轨迹规划模块根据树木坐标信息表，将操作人员需要检测路径投影到地面上；

校准验证模块通过树木坐标信息和检测路径数据，进行树木根系扫描仪器辅助定位的校准测试，验证扫描仪器辅助定位和轨迹的准确性，当根系扫描仪器偏离预定检测路径时及时提醒纠正。

扫描仪器辅助定位数据包括卫星信号强度、信号传输延迟和定位时间戳，树木坐标信息表包括树木的地理经度、纬度和海拔。

请参阅图2、3，扫描仪器定位模块包括：

信号捕获子模块接收地球同步轨道的信号，记录信号接收时间和强度，对信号进行标记和分类，验证信号的有效性，生成信号参数表的执行流程如下；

信号捕获子模块接收地球同步轨道的信号，对接收的信号进行处理，包括滤波和干扰抑制，以确保信号的清晰度和准确性，装置通过特定的解调技术来分离出各个频道的信号，并利用时间戳对每一个信号进行标记，对每一个接收到的信号，装置都将进行一次质量评估，评估基于信号的稳定性和信噪比，不合格的信号将被标记为无效并排除在外，对于合格的信号，装置将按照预设的分类规则进行分类，规则基于信号的频率范围和强度，将信号划分为不同的类别，以便于后续处理，记录信号接收时间和强度，记录将被用来生成信号参数表。公式为：，其中，表示信号质量评分，是原始信号强度，和是调整系数。

信号分析子模块根据信号参数表，分析信号传输的时间延迟，对接收的信号位置和时间戳进行解析，比对时间戳差异，并计算平均延时，生成信号延时信息的执行流程如下；

信号分析子模块根据信号参数表，分析从各种源接收到的信号的时间延迟，确保数据同步和通信的精确性，计算信号从发送到接收的总延迟时间，包括从每个信号源到接收点的传输时间分析，以及对每个信号的接收时间戳的详细解析。对所有接收到的信号的时间戳进行比对，以确定时间戳之间的差异，帮助识别任何同步问题或异常延迟，表明通信路径上存在干扰或设备故障。通过比对差异，可以进一步调查延迟的原因，并采取措施进行优化。计算所有接收信号的平均延时，提供一个整体指标，用于评估整个装置的性能和稳定性。通过持续监控延时指标，可以及时调整装置配置，以减少延时，提高数据传输的效率和可靠性，生成信号延时信息。公式为：，其中，是平均延时，是第个信号的接收时间戳，是发送时间戳，是分析中包括的信号总数。

数据整理子模块使用信号延时信息，结合仪器的扫描状态信息，对扫描仪器的数据进行验证和优化，查验扫描数据的准确性和可用性，生成扫描仪器辅助定位数据的执行流程如下；

数据整理子模块使用信号延时信息，对坐标数据进行一次完整性检查和错误分析，以确保数据的准确性，结合仪器的扫描状态信息，对扫描仪器的数据进行验证和优化，包括数据平滑处理和异常值剔除，确保数据的一致性和可靠性，对扫描数据进行质量评估，评估依据包括数据的完整性、一致性和时间序列的分析结果，查验扫描数据的准确性和可用性，查验利用统计分析方法和比较分析，装置将生成扫描仪器辅助定位数据，数据包括扫描仪器的准确位置、扫描时间和相关的环境参数，生成扫描仪器辅助定位数据。公式为：，其中，是优化后的数据验证分数，是原始数据分数，和分别是数据集中的最大值和最小值，和是权重系数。

请参阅图2、4，坐标系构建模块包括：

距离分析子模块利用扫描仪器辅助定位数据，进行扫描仪器与目标树木间距离的实时测量，对测距数据进行校准和分析，生成距离测量结果的执行流程如下；

距离分析子模块利用扫描仪器辅助定位数据，装置会根据扫描仪器的辅助定位数据和目标树木间的直线视觉路径来估算初步距离，初步距离通过考虑信号的传播速度和传播时间进行计算。对于环境因素如温度、湿度和风速的影响，引入一个环境调整因子，根据环境传感器的数据动态调整。装置通过环境调整因子校正初步测距数据，以提高距离测量的准确性。距离数据通过一个复杂度调节算法进行分析，算法考虑到数据的时间序列相关性和周期性波动，根据分析，生成距离测量结果。公式为：，其中，是初步测量的距离，是环境调整系数，表示环境因素的综合影响，是预估的误差率。

位置计算子模块基于距离测量结果，结合扫描仪器的已知位置，参照地形和环境因素进行扫描仪器的位置校正，生成树木位置数据的执行流程如下；

位置计算子模块基于距离测量结果，结合扫描仪器的已知位置，装置使用一个增强的三角测量法来定位树木，考虑到地形和环境因素，如地形起伏和局部气候条件，装置引入位置校正系数，通过地形数据库和历史环境数据预先计算得到的。通过调整扫描仪器的已知位置与计算出的距离，装置能够更准确地估算树木的位置，生成树木位置数据。公式为：，其中，是树木的位置，是扫描仪器的已知位置，是校正后的距离测量结果，是位置校正系数。

坐标汇总子模块根据树木位置数据，进行树木位置数据的验证和格式化处理，验证树木位置信息与扫描仪器坐标的准确性和一致性，生成树木坐标信息表执行的执行流程如下；

坐标汇总子模块根据树木位置数据，验证和格式化树木位置数据，核实树木的位置信息与扫描仪器坐标的一致性，通过使用高精度算法比对树木实际位置与扫描仪器记录的坐标，确保数据的准确性和可靠性。一致性验证后，对位置数据进行格式化处理，列出每棵树的精确位置，包括相关的元数据，如日期、时间和环境条件，以符合后续分析和报告的标准格式要求，生成树木坐标信息表。公式为：，其中，是树木位置数据的验证得分，和是树木的实际坐标，和是扫描仪器测量的坐标。

请参阅图2、5，轨迹规划模块包括：

轨迹投影子模块基于树木坐标信息表，定位根系区域的地理坐标，将操作人员预设的检测路径通过投影技术映射到地面上，规避路径偏移的执行流程如下；

轨迹投影子模块基于树木坐标信息表，定位根系区域的地理坐标，提取树木坐标信息表中每棵树的位置数据，包括经纬度和根系扩展区的估计范围。使用地理信息系统（GIS）技术，将坐标标记在电子地图上，操作人员根据需要进行的检测任务预设检测路径。通过路径规划算法，考虑到根系保护的需要，自动调整路径以避开根系区域。利用高精度GPS和地面投影技术，将预设的检测路径精确地映射到地面上，确保在实际操作过程中，路径能够严格按照预设规避根系区域，避免对树木根系造成损害，规避路径偏移，确保检测任务的准确性和树木健康的安全性。公式为：，其中，表示投影路径的精确度得分，是路径基准偏移量，是第个检测点的路径调整权重，是一个函数，和为地理坐标与预设路径坐标，是预设路径中的检测点数量。

请参阅图2、6，校准验证模块包括：

定位校准子模块基于树木坐标信息和检测路径数据，进行树木根系扫描仪器的位置和角度调整，验证扫描仪器定位的准确性，通过调整扫描仪器对树木根系的辅助定位，匹配实时环境变化，生成调整后的定位数据的执行流程如下；

定位校准子模块基于树木坐标信息和检测路径数据，对树木根系扫描仪器的位置和角度进行精细调整，根据实时环境变化和地理信息装置（GIS）提供的精确地形数据，模块计算仪器的理想位置和角度。通过动态调整算法，仪器的位置和方向被实时调整，以最大限度地减少环境因素对扫描准确性的影响。调整过程中，实施多点校准，确保每个调整点都符合预定的精度标准。通过调整，生成调整后的定位数据。公式为：，其中，是调整后的位置，是当前位置，是根据环境和地形数据计算出的最佳位置，是位置调整因子，用于平滑和精确地调整到目标位置。

轨迹检验子模块利用调整后的定位数据，评估扫描仪器对差异化环境的响应性和调整效果，通过模拟差异化的树木根系扫描轨迹，生成路径适应性分析结果的执行流程如下；

轨迹检验子模块利用调整后的定位数据，计算每个测量点的位置误差，设定定位误差公差阈值为0.5米，根据公差阈值筛选出超出误差范围的数据点并予以排除，对于每个合格的数据点，计算与预定轨迹的欧式距离，得到一个距离数组，基于距离数组，采用分段线性插值法，计算出实际轨迹与理想轨迹之间的最大偏差及平均偏差。若最大偏差超过1米，启动修正流程，反之则输出轨迹的适应性得分。适应性得分由轨迹的平均偏差和最大偏差共同决定，评估扫描仪器对差异化环境的响应性和调整效果，生成路径适应性分析结果。公式为：，其中，是轨迹的适应性得分，和为实际轨迹与理想轨迹之间的最大偏差和平均偏差，代表平均偏差的权重系数，代表最大偏差的权重系数。

效果验证子模块基于路径适应性分析结果，进行扫描仪器的校验测试，通过实地扫描树木根系的测试，验证扫描仪器整体的响应速度，优化扫描仪器的响应参数，生成校准分析结果的执行流程如下；

效果验证子模块基于路径适应性分析结果，安排实地扫描测试，专门针对树木根系进行，测试旨在评估和验证扫描仪器在复杂地形和不同土壤条件下的响应速度和数据准确性。设定一系列的基线性能指标，如扫描速度、数据捕获率和精确度。在实地测试过程中，扫描仪器需要在多种预设条件下操作，每种条件下都进行多次扫描以确保结果的可重复性和一致性，可以检测出任何与预期性能偏差的设备配置或功能故障。根据实地测试结果，分析扫描仪器响应参数的效率，并对参数进行优化。优化目标是减少扫描延迟，提高数据处理速度，和增强设备在不同环境下的适应能力，生成校准分析结果。公式为：，其中，是校验测试的总体效果评分，是实际测量的响应速度和相关性能参数，是目标性能参数。

以上，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作其他形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例应用于其他领域，但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (4)

1.一种树木根系扫描仪器的辅助定位与校准装置，其特征在于，所述装置包括：

扫描仪器定位模块捕获地球同步轨道的信号，根据信号强度和传输延迟，计算差异化树木根系实时的地理位置，生成扫描仪器辅助定位数据；

坐标系构建模块通过所述扫描仪器辅助定位数据，测量树木根系扫描仪器与目标树木之间的距离，计算目标树木的位置，建立树木坐标信息表；

轨迹规划模块根据所述树木坐标信息表，将操作人员需要检测路径投影到地面上；

校准验证模块通过所述树木坐标信息和检测路径数据，进行树木根系扫描仪器辅助定位的校准测试，验证扫描仪器辅助定位和轨迹的准确性，当根系扫描仪器偏离预定检测路径时及时提醒纠正；

所述扫描仪器辅助定位数据包括卫星信号强度、信号传输延迟和定位时间戳，所述树木坐标信息表包括树木的地理经度、纬度和海拔；

所述坐标系构建模块包括：

距离分析子模块利用所述扫描仪器辅助定位数据，进行扫描仪器与目标树木间距离的实时测量，对测距数据进行校准和分析，生成距离测量结果；

位置计算子模块基于所述距离测量结果，结合扫描仪器的已知位置，参照地形和环境因素进行扫描仪器的位置校正，生成树木位置数据；

坐标汇总子模块根据所述树木位置数据，进行树木位置数据的验证和格式化处理，验证树木位置信息与扫描仪器坐标的准确性和一致性，生成树木坐标信息表。

2.根据权利要求1所述的树木根系扫描仪器的辅助定位与校准装置，其特征在于，所述扫描仪器定位模块包括：

信号捕获子模块接收地球同步轨道的信号，记录信号接收时间和强度，对信号进行标记和分类，验证信号的有效性，生成信号参数表；

信号分析子模块根据所述信号参数表，分析信号传输的时间延迟，对接收的信号位置和时间戳进行解析，比对时间戳差异，并计算平均延时，生成信号延时信息；

数据整理子模块使用所述信号延时信息，结合仪器的扫描状态信息，对扫描仪器的数据进行验证和优化，查验扫描数据的准确性和可用性，生成扫描仪器辅助定位数据。

3.根据权利要求1所述的树木根系扫描仪器的辅助定位与校准装置，其特征在于，所述轨迹规划模块包括：

轨迹投影子模块基于所述树木坐标信息表，定位根系区域的地理坐标，将操作人员预设的检测路径通过投影技术映射到地面上，规避路径偏移。

4.根据权利要求1所述的树木根系扫描仪器的辅助定位与校准装置，其特征在于，所述校准验证模块包括：

定位校准子模块基于所述树木坐标信息和检测路径数据，进行树木根系扫描仪器的位置和角度调整，验证扫描仪器定位的准确性，通过调整扫描仪器对树木根系的辅助定位，匹配实时环境变化，生成调整后的定位数据；

轨迹检验子模块利用所述调整后的定位数据，评估扫描仪器对差异化环境的响应性和调整效果，通过模拟差异化的树木根系扫描轨迹，生成路径适应性分析结果；

效果验证子模块基于所述路径适应性分析结果，进行扫描仪器的校验测试，通过实地扫描树木根系的测试，验证扫描仪器整体的响应速度，优化扫描仪器的响应参数，生成校准分析结果。