牛羊体尺非接触式高通量获取与采集

平凉红牛研究院

一、基本情况

1.单位简介

北京市农林科学院信息技术研究中心成立于2000年，是国家农业信息化工程技术研究的依托平台，中心针对我国农业和农村信息化建设的重大需求，重点围绕农业智能信息处理技术、农业遥感技术与地理信息系统、精准农业与智能装备技术、农业生物环境控制工程与自动化技术、食品质量安全与物流技术等五大方向进行源头技术创新、技术平台构建和重大产品研发工作，为我国农业现代化和新农村建设提供有力的技术支撑。中心拥有赵春江院士领衔的600余人高水平科研团队，涵盖24个学科，是全国规模最大的农业信息化专业研究团队。

2.案例背景介绍

牛、羊的体尺表型数据是育肥育种精细化管理过程中的基础要素和核心依据，完整、可靠的体尺表型数据是牛、羊养殖链条中繁育育种、育肥养殖、市场交易等核心环节的基础和必要条件，也是监测和评价其生长、健康和产肉量的关键指标，但是牛、羊体尺表型数据的获取过程存在很多障碍。一方面针对牛、羊体尺体重数据的人工测量对育肥过程造成的干扰无法被忽略，在生产中体重体尺的测量被认为是负收益工作；另一方面是人工测量容易造成动物应激，影响其生产率的同时还可能对测量人员造成伤害尤其是像牛这样的大型动物；最后是现有非接触式测量与计算技术的技术参数难以适应生产一线实际应用需求。

3.解决思路

针对这些问题，研究了基于牛、羊实际养殖模式和应用需求，设计并提出一套点云三维信息重构与处理解决方案，可以实现牛、羊点云实时采集、三维重建、目标提取、部分分割、体尺表型计算、姿态描述与计算结果校正，完成真实复杂生产环境下牛、羊体尺表型数据的非接触自动采集与处理。

解决方案主要包含一套可移动龙门架式非接触无应激高通量体尺性状获取与解析装置，部署计算机三维视觉重建与目标提取和形态学分割等技术，一站式实现牛、羊体尺的全自动获取。

解决方案将装置集成在牧场的转场或经过通道中，在牛、羊通过的瞬间无需对其产生额外压力即可完成牛体、羊体的三维重建与体尺计算，输出结果包括体高、体宽、胸宽、胸深、十字部高、体斜长、胸围、腹围、管围，计算平均误差全部在3.5%以内，采集的点云与真实值相比重建误差为0.6%，单头动物的采集计算时间在2秒内完成。

二、场景解决

1.创新亮点

基于红外光栅、高频电子耳标识别系统与TOF深度相机构建了龙门架式牛、羊多角度点云的自动触发、同步采集装置。通过改进配准算法实现点云融合与三维重建，并通过滤波算法进行目标提取与干扰滤除。同时针对牛羊场的实际养殖环境，设计了双向分布式触发逻辑，设计了一种牛、羊场环境噪点识别滤除方法，以及创制点云补全算法，确保快速、高精度的重建。以牛和羊的形态学特征为基础，实现头颈部、前部、中部、后部躯干、腿部下缘、臀尾部等区域的分割提取，并用区域进行体尺计算。体尺计算误差矫正，提出基于的微姿态体尺计算结果矫正模型，提高了计算结果的准确性。

2.核心技术

（1）数据获取，提出优化Super-4PCS算法和降维密度聚类感知盒点云提取算法实现三维点云目标提取与重建。基于区域聚焦的改进Super-4PCS分步配准方法实现多角度点云的准确融合，能够解决配准困难、采集数据质量不佳的问题。针对栏杆等的干扰，使用基于降维密度聚类的感知盒点云滤波算法，将紧贴动物的栏杆点云干扰进行稳定、快速识别与滤除，保证点云的高精度自动采集。

（2）数据解析，基于点云连续切片的典型几何形态特征提出BTSS（BidirectionalTomographic

SliceSegmentation）和LARS（LegApproximationRegionSegmentation）两个核心切割算法模块。前者具备高分割精度但应对姿态变化的能力差，而后者可以有效解决姿态变化时前者失效的问题，综合应用可以实现不同身体部位稳定、准确的自动分割。不同于现有方法，BTSS 和LARS计算模块专门针对点云形态特征开发，具有较强的可解释性，资源消耗低，可满足实际养殖中的应用要求。

（3）体尺表型提取，提出12个微姿态特征覆盖背部、腿部、头部、躯干部等不同部位，可量化描述牛和羊的不同姿态。并根据微姿态特征间的耦合关系，提出PMA（Posture-basedMeasurement

Adjustment）模型用于体尺计算误差的预测与校正，能够有效降低姿态变化对体尺计算结果的影响。相比于类似研究，该方法不需要对姿态进行归一化，从而避免由于姿态离散分类和归一化过程中导致体尺计算出现的波动。

（4）方案成熟度与可靠性，龙门式系统可集成在牧场的转场和经过通道中，设计了两种尺寸分别应用于牛和羊，在尽可能节省空间的前提下，使不同尺寸的动物通过瞬间均可自动触发点云的完整采集，设备高272cm，宽329cm，（羊用设备尺寸为高183cm，宽279cm）由一台工控机、高频耳标识读系统、一组对射光栅传感器和5个KinectDK深度相机（羊用设备有3个）组成，电气选型均为工业级或产品级，可以适应恶劣的养殖环境，同时所有线缆均部署在龙门支架内，以免对牛或羊造成干扰或遭遇电气损坏，设备具有IP66级防水及其他防护如防雷、防尘、防鼠等。设备每次测定的时间间隔在2秒之内，只需动物经过设备即可瞬时采集计算。采集点云距离精度平均误差为0.6%，单次瞬时采集时间≤0.09s，光照强度在20500Lux时仍可正常操作使用。计算可靠性与一致性方面，矫正模型可以大幅提升精确度，校正后，体高、十字部高、体斜长、胸围、腹围平均误差为1.14%、1.84%、3.47%、1.56%、2.36%。同时，设备具有较为广泛的适用性，对于不同性别、不同月龄与不同类型的如荷斯坦牛、安格斯牛、西门塔尔牛、乳肉兼用新疆褐牛等；云南黑山羊、波尔山羊、昭乌达肉羊等均可得到较为精确的计算结果。系统操作便捷简单，设备上电全部自动自启，无需特殊操作，只需要让动物逐头通过即可，计算结果本地存储且传输至云平台，对于无经验的人也相对友好，同时这套流程可直接在挤奶或驱虫经过通道的之前或之后完成，一次通过即可获取体重体尺表型数据，为数据档案与信息化数据库的建设提供了极为可行的科学方案。设备安装简易，技术生命周期较长无需定时测试更新，一次施工后即可长时使用，同时可移动的设计还支持挪至其他位置应用。

3.应用范围

该测量系统面向一线牛、羊养殖尤其育种场，如种公牛站中生长体尺高频次高精度测量需求，实现非接触高通量体尺参数采集与解析。重点解决了牛、羊生长体尺表型数据人工采集困难、对动物易造成应激，姿态变化对体尺计算结果影响大造成的测量不准确，测量耗时耗力等问题。系统操作方便简单，计算准确快速，适应高温高寒地区，可适应国内育肥养殖场、育种场和种公牛站针对体尺表型高通量采集与解析领域重点应用。

三、应用成效

1.投入产出情况

该解决方案得益于模块化设计和国产核心部件的使用，装置的生产成本较国际同类产品低20%以上。同时，国内制造链的成熟性进一步压缩了研发和生产周期，使销售价格更具竞争力，能够满足不同规模客户的预算需求。操作简单，成本较低，能适应高温和高寒地区，被同行专家评定为新技术新产品达到国内领先水平，可在我国一线养殖主产区推广应用。目前设备与技术已在首农奶牛中心、平凉红牛、铁骑力士、迅驰优牛、新疆褐牛种牛场、内蒙鄂托克旗种牛场、云南种羊场、内蒙克旗昭乌达种羊场等多家大型农牧企业开展应用，并在新疆、云南、河北、内蒙鄂尔多斯、内蒙克什克腾旗等地进行了一线生产实地使用测试，将为国内开展高效选种及精准选配研究和产业应用提供强有力体尺性状表型鉴定工具。

2.经济社会价值

提升生产效率与精准养殖：通过应用肉牛和羊类非接触式高通量表型无应激获取解决方案，相关养殖场能够实现高效的体尺和体重数据采集。这不仅显著减少了传统测量方法所需的人工成本，还避免了因应激造成的肉牛和羊群产量损失。无应激的测量过程有助于提高动物健康和生产表现，确保数据的准确性和一致性。

节省劳动力成本：该技术能够减少70%以上的体尺测量劳动力成本，这对养殖场来说是一个巨大的节省。劳动力的节省不仅使得养殖场能够更高效地运营，还能将节省下来的资源用于其他增值领域，比如更好地投入到动物饲养和健康管理中，提升整体效益。

提高动物福利：采用无应激的测量方法减少了动物在传统体尺体重测量过程中的应激反应，进而提高了动物的福利水平。随着养殖环境的优化，动物的生长和繁殖性能得到了保障，同时提升了肉品质量，满足市场对动物福利的高标准要求。

增强畜牧经济效益：通过精确的体尺和体重数据，养殖场能够更加科学地管理饲养计划，提高育肥效率，从而提升肉牛的经济产出。此外，数据分析还能帮助养殖场优化基因改良方案，选择更具生产潜力的种群，实现长期的繁育效益提升。

数据化和智能化管理：通过构建如黑山羊体尺与点云数据归档系统及昭乌达羊体尺性状数据库，养殖企业不仅提升了精准养殖的能力，还能通过数据驱动的决策支持系统进行更精细化的管理。这一智能化管理将推动中国畜牧业向更加科技化和高效化的方向发展。

助力绿色养殖和可持续发展：该解决方案的实施也有助于推动畜牧业的绿色可持续发展。减少人力资源投入、降低养殖成本并提高资源使用效率，有助于提升养殖行业的环境适应能力与可持续发展水平，同时增强企业在市场中的竞争力。

3.推广应用前景

（1）应用行业与目标客户

该解决方案主要应用于畜牧养殖行业，尤其是在规模化牛、羊养殖场、育种基地和精细化管理需求突出的领域。其目标客户包括大型养殖企业、育种场、种公牛站、畜牧业科研机构、政府监管部门以及智能农牧设备制造商。装置能够帮助客户实现牛和羊生长状况的快速监测、健康评估、精准育种和饲养优化，为现代畜牧业的智能化和标准化提供重要支持。

（2）性能优势

该装置通过结合计算机视觉和深度学习算法，实现了体尺的高精度测量，误差小于3.5%，无需接触动物，避免传统测量方式对牛只造成应激。同时，系统自动化程度高，操作简便，能够在多种复杂环境下稳定运行，支持大规模测量任务，显著提高工作效率。

（3）竞争优势与市场前景

与国内外同类产品相比，该装置在测量精度、非接触操作和数据管理能力方面具有显著优势，且成套解决方案成本相较低廉，并提供本地化技术支持和售后服务。未来3-5年，随着畜牧业数字化和智能化趋势加速，市场需求将持续增长。预期装置将带来显著的经济效益，不仅能助力养殖企业增收节支，还能开拓数据服务和设备配套领域，预计市场份额将逐步扩大。

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来源：中国畜牧业协会智能畜牧分会

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