面向果园环境的可控土地模型生成方法

1.本发明涉及土地模型生成技术领域，尤其是面向果园仿真环境的土地模型生成技术，具体地说是一种利用二维正态分布函数生成起伏特征可控的3d果园土地模型的方法。


背景技术：

2.在果园仿真环境中，拥有具有起伏特征的土地模型，能够极大模拟农业机器人在真实果园环境中的运动过程以及传感器采集到的农作物信息；同时，可控且可变的地形能够减少寻找真实果园环境以用于算法测试的时间，极大提升算法落地效率。
3.制作土地模型的数据来源，可利用卫星、飞机等遥感平台获得大范围高精度的土地信息，包括高程、覆盖类型、水文等特征。此外，gps测量、激光雷达等技术也可被用于获取土地高程数据。获取到的土地信息能够通过dem模型以及dtm模型进行保存，这些模型可以提供地形特征、坡度、坡向等信息，反映土地的起伏特征。
4.随着近年来人工智能技术的不断发展，深度学习技术也逐渐被应用于土地模型制作中，土地模型的制作可以通过使用卷积神经网络从卫星遥感数据中提取特征，从而构建精度更高的数字高程模型。
5.获取土地的起伏特征是构建土地模型的关键步骤，通过遥感平台获得的土地信息仅适用于大范围土地模型的制作，不适用于果园环境中；通过传感器获取的土地信息需要大量算法，去除环境噪声，将土地分割出来。同时，上述两种方法获取到的土地信息较为固定，无法满足农业机器人算法测试中，对鲁棒性的要求。


技术实现要素：

6.本发明的目的是针对果园仿真环境中，需要生成具有起伏特征的可控土地模型问题，提出一种面向果园环境的可控土地模型生成方法，能够通过控制单位面积内施加的二维正态分布函数个数，生成起伏复杂度不一的果园土地模型，同时，通过随机生成二维正态分布函数的参数，使得生成的土地具有一定随机性。
7.本发明的技术方案是：
8.本发明提供一种面向果园环境的可控土地模型生成方法，该方法包括以下步骤：
9.s1、定义土地模型尺寸，包括整体土地尺寸、单位土地尺寸、扩充土地尺寸和空矩阵尺寸；
10.s2、基于二维正态分布函数，构建单位土地尺寸的具有起伏特征的局部土地模型；
11.s3、将单位土地尺寸的局部土地模型按一定规律拼接，生成能够表征果园整体土地起伏变化趋势的整体土地模型；
12.s4、将整体土地模型转换为能够被仿真软件调用的三维实体模型。
13.进一步地，所述的s1具体为：基于仿真需求将整体土地尺寸定义为a
×
a；定义单位土地尺寸为零矩阵定义扩充土地尺寸为矩阵定义空
矩阵a为n3《n2，其中，n1、n2、n3均为系数。
14.进一步地，所述n1为10，整体土地模型由n12个单位土地模型拼接而成；n2为4-6，n3为3-5。
15.进一步地，所述的s2具体为：
16.s2-1、创建大小为单位土地尺寸的零矩阵t，用于表征无起伏特征的局部土地模型；
17.s2-2、将该零矩阵t向四周扩充，获得矩阵t
′
；
18.s2-2、在零矩阵t范围内随机生成α个坐标i表示坐标的编号；
19.s2-3、建立地形控制函数h(x)：将生成的坐标μ作为地形控制函数中心点，通过m倍的服从n(μ,∑)分布的二维正态分布函数p(x)表示：
20.h(x)＝m
×
p(x)
[0021][0022]
其中，为x的协方差矩阵，矩阵内元素随机生成；m为随机变量；
[0023]
s2-4、将地形控制函数h(x)叠加到矩阵t
′
中，构建单位大小的具有起伏特征的局部土地模型。
[0024]
进一步地，s2-2中，坐标μi的绝对距离大于200。
[0025]
进一步地，s2-4具体为：在α个坐标处计算地形控制函数的值，并将其叠加到矩阵t
′
中，叠加后的矩阵t
′
核心区域尺寸为t，整体尺寸为t
×
n2。
[0026]
进一步地，所述的s3具体为：
[0027]
s3-1、创建空矩阵a及大小为整体土地尺寸的空矩阵a
′
；
[0028]
s3-2、生成n12个扩充土地矩阵以每个局部土地模型的核心区域为边界，将n12个局部土地模型矩阵进行拼接；
[0029]
s3-3、提取空矩阵a中位于中心的a
×
a个元素并存放到空矩阵a
′
中作为整体土地模型，表征果园整体土地起伏变化趋势。
[0030]
进一步地，所述的s4具体为：
[0031]
s4-1、遍历整体土地模型即矩阵a
′
中的元素，寻找其中最大值vol
max
与最小值vol
min
；
[0032]
s4-2、将矩阵a
′
的值映射到[0,255]范围之内，获得果园土地dem模型；
[0033]
s4-3、将果园土地dem模型通过.png格式文件进行保存；
[0034]
s4-4、使用blender读取.png格式文件，并将其转换为3d模型文件.obj格式。
[0035]
进一步地，所述的映射函数为：
[0036][0037]
本发明的有益效果：
[0038]
本发明的面向果园环境的可控土地模型生成方法，能够生成具有起伏特征的果园土地模型，同时，通过控制作用在单位面积内的二维正态分布函数，使得土地模型的起伏程度能够自由控制，该方法能够生成具有一定随机性的可控实体果园土地模型，通过利用该模型，能够极大降低农业移动平台的算法开发时间。
[0039]
本发明的其它特征和优点将在随后具体实施方式部分予以详细说明。
附图说明
[0040]
通过结合附图对本发明示例性实施方式进行更详细的描述，本发明的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显，其中，在本发明示例性实施方式中，相同的参考标号通常代表相同部件。
[0041]
图1示出了根据本发明的一个实施例的整体土地模型拼接示意图。
[0042]
图2示出了根据本发明的一个实施例的坐标点分布和局部土地模型示意图。
[0043]
(a)表示α＝2的坐标点分布情况，(b)表示α＝10的坐标点分布情况，(c)表示α＝2的局部土地模型，(d)表示α＝10的局部土地模型。
[0044]
图3示出了根据本发明的一个实施例的整体土地模型示意图。
[0045]
(a)表示α＝2的整体土地模型，(b)表示α＝10的整体土地模型。
[0046]
图4示出了根据本发明的一个实施例的整体土地模型。
[0047]
(a)表示α＝2的整体土地dem模型，(b)表示α＝10的整体土地dem模型，(c)表示α＝2的土地实体模型(d)表示α＝10的土地实体模型。
[0048]
图5示出了根据本发明的一个实施例的移动机器人在土地模型上的运动轨迹示意图。
[0049]
(a)表示α＝2的运动轨迹，(b)表示α＝10的运动轨迹。
具体实施方式
[0050]
下面将参照附图更详细地描述本发明的优选实施方式。虽然附图中显示了本发明的优选实施方式，然而应该理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施方式所限制。
[0051]
本发明提供一种面向果园环境的可控土地模型生成方法，该方法包括以下步骤：
[0052]
s1、定义土地模型尺寸，包括整体土地尺寸、单位土地尺寸、扩充土地尺寸和空矩阵尺寸；具体为：基于仿真需求将整体土地尺寸定义为a
×
a；定义单位土地尺寸为零矩阵定义扩充土地尺寸为矩阵定义空矩阵a为n3《n2，其中，n1、n2、n3均为系数；以n1等于10，n2等于5，n3等于4为例；
[0053]
a以10000为例，将整体土地尺寸定义为10000
×
10000；依据1：10的关系定义局部土地模型，单位土地尺寸为零矩阵t＝1000
×
1000，整体土地模型由100个局部土地模型拼接而成。
[0054]
s2、基于二维正态分布函数，构建单位土地尺寸的具有起伏特征的局部土地模型；具体为：
[0055]
s2-1、创建大小为1000
×
1000的零矩阵t，表征无起伏特征的局部土地模型；
[0056]
s2-2、将该矩阵向四周扩充至大小为5000
×
5000的矩阵t
′
；
[0057]
s2-3、在矩阵t范围内随机生成α个绝对距离大于200的坐标3、在矩阵t范围内随机生成α个绝对距离大于200的坐标
[0058]
s2-4、建立地形控制函数h(x)：将生成的坐标μ作为地形控制函数中心点，通过m倍的服从n(μ,∑)分布的二维正态分布函数p(x)表示：
[0059]
h(x)＝m
×
p(x)
[0060][0061]
其中，为x的协方差矩阵，矩阵内元素随机生成；m为随机变量；
[0062]
s2-5、将地形控制函数h(x)叠加到矩阵t
′
中，构建单位大小的具有起伏特征的局部土地模型；将该函数叠加到矩阵t
′
中具体为：分别在生成的α个坐标处计算地形控制函数的值，并将其叠加到矩阵t
′
中，形成核心区域尺寸为1000
×
1000，整体尺寸为5000
×
5000的矩阵t
′
。
[0063]
s3、按一定规律拼接生成的单位大小的局部土地模型，生成能够表征果园整体土地起伏变化趋势的整体土地模型；具体为：
[0064]
s3-1、创建大小为14000
×
14000的空矩阵a及大小为10000
×
10000的空矩阵a
′
；
[0065]
s3-2、生成100个尺寸为5000
×
5000的矩阵按如图1所示方式，以每个局部土地模型的核心区域为边界，将100个局部土地模型矩阵进行拼接；
[0066]
s3-3、提取矩阵a中位于中心的10000
×
10000个元素并存放到矩阵a
′
中作为整体土地模型。
[0067]
s4、将具有起伏特征的果园土地模型转换为能够被仿真软件调用的三维实体模型；具体为：
[0068]
s4-1、遍历矩阵a
′
中的元素，寻找其中最大值vol
max
与最小值vol
min
；
[0069]
s4-2、通过映射函数，将矩阵a
′
的值映射到[0,255]范围之内，映射函数定义为：
[0070][0071]
s4-3、将果园土地dem模型通过.png格式文件进行保存；
[0072]
s4-4、使用blender读取.png格式文件，并将其转换为3d模型文件.obj格式。
[0073]
具体实施时：
[0074]
实验平台采用windows环境下的matlab 2019b进行。定义当α＝2时土地模型的起伏程度较为平缓，当α＝10时土地模型的起伏程度较为陡峭。将这些坐标点作为地形控制函数的作用中心，对零矩阵进行变换。图2(a)(b)为局部土地模型中，在核心区域内随机生成的α个坐标点分布示意图，图2(c)(d)为叠加地形控制函数后的局部土地模型。
[0075]
图2(a)α＝2时的坐标点分布(b)α＝10时的坐标点分布(c)α＝2时的局部土地模型(d)α＝10时的局部土地模型。
[0076]
分别生成100个α＝2及α＝10的局部土地模型，通过以核心区域为基准的拼接方法，将100个模型拼接成整体土地模型，而后提取该模型中心10000
×
10000的区域作为最终整体土地模型，图3(a)(b)反映了通过该方法拼接得到的土地模型。通过扩充核心区域并进行拼接模型的方法，能够提高模型生成效率、使得起伏分布均匀。
[0077]
图3(a)α＝2时的整体土地模型(b)α＝10时的整体土地模型。
[0078]
分别寻找对应模型的最高点与最低点，通过映射的方式将上述两个模型的高程信息存储到.png文件中，图4(a)(b)分为α＝2及α＝10的整体土地dem模型。而后通过blender将该模型转换为3d实体模型，并通过.obj格式文件保存，图4(c)(d)分别为α＝2及α＝10时blender中的土地实体模型。
[0079]
图4中(a)α＝2时的整体土地dem模型(b)α＝10时的整体土地dem模型(c)blender中α＝2时的土地实体模型(d)blender中α＝10时的土地实体模型。
[0080]
将实体模型加载到仿真软件gazebo中，并部署机器人在该土地模型上沿直线运动，导出机器人在仿真环境中的实际坐标，如图5(a)(b)所示，以测试该模型是否能够模拟出移动机器人在具有起伏特征的土地上进行三维运动。图5(a)α＝2时移动机器人在土地模型上的运动轨迹(b)α＝10时移动机器人在土地模型上的运动轨迹。
[0081]
以上已经描述了本发明的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。

技术特征：
1.一种面向果园环境的可控土地模型生成方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：s1、定义土地模型尺寸，包括整体土地尺寸、单位土地尺寸、扩充土地尺寸和空矩阵尺寸；s2、基于二维正态分布函数，构建单位土地尺寸的具有起伏特征的局部土地模型；s3、将单位土地尺寸的局部土地模型按一定规律拼接，生成能够表征果园整体土地起伏变化趋势的整体土地模型；s4、将整体土地模型转换为能够被仿真软件调用的三维实体模型。2.根据权利要求1所述的面向果园环境的可控土地模型生成方法，其特征在于，所述的s1具体为：基于仿真需求将整体土地尺寸定义为a
×
a；定义单位土地尺寸为零矩阵定义扩充土地尺寸为矩阵定义空矩阵a为n3<n2，其中，n1、n2、n3均为系数。3.根据权利要求2所述的面向果园环境的可控土地模型生成方法，其特征在于，所述n1为10，整体土地模型由n12个单位土地模型拼接而成；n2为4-6，n3为3-5。4.根据权利要求1所述的面向果园环境的可控土地模型生成方法，其特征在于，所述的s2具体为：s2-1、创建大小为单位土地尺寸的零矩阵t，用于表征无起伏特征的局部土地模型；s2-2、将该零矩阵t向四周扩充，获得矩阵t
′
；s2-3、在零矩阵t范围内随机生成α个坐标i表示坐标的编号；s2-4、建立地形控制函数h(x)：将生成的坐标μ作为地形控制函数中心点，通过m倍的服从n(μ,∑)分布的二维正态分布函数p(x)表示：h(x)＝m
×
p(x)其中，为x的协方差矩阵，矩阵内元素随机生成；m为随机变量；s2-5、将地形控制函数h(x)叠加到矩阵t
′
中，构建单位大小的具有起伏特征的局部土地模型。5.根据权利要求4所述的面向果园环境的可控土地模型生成方法，其特征在于，s2-3中，坐标μ
i
的绝对距离大于200。6.根据权利要求4所述的面向果园环境的可控土地模型生成方法，其特征在于，s2-5具体为：在α个坐标处计算地形控制函数的值，并将其叠加到矩阵t
′
中，叠加后的矩阵t
′
核心区域尺寸为t，整体尺寸为t
×
n2。7.根据权利要求2所述的面向果园环境的可控土地模型生成方法，其特征在于，所述的s3具体为：s3-1、创建空矩阵a及大小为整体土地尺寸的空矩阵a
′
；
s3-2、生成n12个扩充土地矩阵以每个局部土地模型的核心区域为边界，将n12个局部土地模型矩阵进行拼接；s3-3、提取空矩阵a中位于中心的a
×
a个元素并存放到空矩阵a
′
中作为整体土地模型，表征果园整体土地起伏变化趋势。8.根据权利要求7所述的面向果园环境的可控土地模型生成方法，其特征在于，所述的s4具体为：s4-1、遍历整体土地模型即矩阵a
′
中的元素，寻找其中最大值vol
max
与最小值vol
min
；s4-2、将矩阵a
′
的值映射到[0,255]范围之内，获得果园土地dem模型；s4-3、将果园土地dem模型通过.png格式文件进行保存；s4-4、使用blender读取.png格式文件，并将其转换为3d模型文件.obj格式。9.根据权利要求8所述的面向果园环境的可控土地模型生成方法，其特征在于，所述的映射函数为：

技术总结
本发明提供一种面向果园环境的可控土地模型生成方法，该方法包括以下步骤：定义土地模型尺寸，基于二维正态分布函数，构建单位土地尺寸的具有起伏特征的局部土地模型；将单位土地尺寸的局部土地模型按一定规律拼接，生成能够表征果园整体土地起伏变化趋势的整体土地模型；将整体土地模型转换为能够被仿真软件调用的三维实体模型。本发明的方法能够生成具有起伏特征的果园土地模型，同时，通过控制作用在单位面积内的二维正态分布函数，使得土地模型的起伏程度能够自由控制，通过利用该模型，能够极大降低农业移动平台的算法开发时间。间。间。


技术研发人员：朱泓逸 李秋洁
受保护的技术使用者：南京林业大学
技术研发日：2023.06.13
技术公布日：2023/9/20