專利名稱：植物群體形態(tài)結(jié)構(gòu)三維重建方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及三維圖形生成技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種植物群體形態(tài)結(jié)構(gòu)三維重建方法。
背景技術(shù)：
為建立植物群體的三維形態(tài)結(jié)構(gòu)，部分研究者提出了基于過程模型的植物形態(tài)結(jié)構(gòu)模擬方法。典型的植物形態(tài)結(jié)構(gòu)變化過程模擬模型包括L-system、GreenLab等，上述方法主要通過觀察和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，建立描述植物生長過程中形態(tài)結(jié)構(gòu)變化過程的數(shù)學(xué)模型，包括形態(tài)結(jié)構(gòu)變化與環(huán)境因素之間的關(guān)系，在此基礎(chǔ)上，輸入一組環(huán)境條件參數(shù)，即可模擬特定環(huán)境條件的植物形態(tài)的變化過程及結(jié)果。但是，在基于過程模型的植物形態(tài)結(jié)構(gòu)
模擬方法中，由于目前用來描述植物形態(tài)變化過程的數(shù)學(xué)模型都做了部分假設(shè)和簡化，這使得最終模擬得到的植物形態(tài)結(jié)構(gòu)與真實(shí)栽培條件下生長起來的植物形態(tài)結(jié)構(gòu)還存在較大的差異，尤其是在植物群體的三維建模方面，模型的精度和準(zhǔn)確性都需要提高。隨著三維數(shù)字化技術(shù)的不斷成熟，數(shù)字化儀和三維掃描儀等設(shè)備被廣泛應(yīng)用，近年來也逐漸被越來越多的研究者用于植物三維形態(tài)的測量和重建中。部分研究者采用三維數(shù)字化儀采集植物的空間形態(tài)信息，如枝條、葉子等器官上的少量空間特征點(diǎn)，并基于這些信息重建植物群體的三維模型。具體地，通過采集得到的植物莖干、枝條的空間特征信息，建立植物群體中每株植物主要枝干的骨架結(jié)構(gòu)，并結(jié)合各枝條的半徑信息生成枝干的三維模型；而植物葉片、果實(shí)等器官的三維形態(tài)可以通過從這些器官上采集得到的少數(shù)幾個(gè)形態(tài)特征點(diǎn)，結(jié)合參數(shù)曲面技術(shù)進(jìn)行重建；最后將葉子和果實(shí)器官的三維形態(tài)放置到植株主要枝干三維模型上，即可實(shí)現(xiàn)植物群體形態(tài)的三維重建。由于三維數(shù)字化儀每次僅能夠獲取一個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，要對植物群體進(jìn)行數(shù)據(jù)采集往往需要耗費(fèi)幾個(gè)小時(shí)甚至幾天的時(shí)間，同時(shí)由于植物冠層枝葉繁茂，數(shù)據(jù)獲取操作不方便、繁瑣，因此該方法不適合用來進(jìn)行植物群體的三維重建。還存在一種利用三維激光掃描儀獲得植物表面的空間數(shù)據(jù)點(diǎn)(一般稱為點(diǎn)云數(shù)據(jù))，然后從這些點(diǎn)云數(shù)據(jù)上重構(gòu)植物器官或植株的三維模型的方法。由于三維激光掃描儀能夠快速、精確地獲得植物表面的大量空間點(diǎn)，從而能夠避免繁瑣的手工測量工作，并精確重建植物的外形輪廓結(jié)構(gòu)。該方法存在的主要問題是(I)由于植物冠層枝葉較多，細(xì)枝和葉子往往難以直接從掃描數(shù)據(jù)中重建，所以這種方法都是通過應(yīng)用某種隨機(jī)規(guī)則或植物形態(tài)學(xué)知識生成細(xì)枝和葉子，從而實(shí)現(xiàn)視覺上“真實(shí)”的重建，但這樣重建得到的三維植物冠層結(jié)構(gòu)與真實(shí)植物還存在較大的差別，特別是葉子的密度、空間朝向、葉面積等都可能與實(shí)際存在較大的誤差，難以應(yīng)用于進(jìn)行冠層光分布特性、株型特征等的研究和分析；(2)三維激光掃描儀獲取的植物三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)量一般都非常大，往往一棵植物的點(diǎn)云數(shù)據(jù)就達(dá)到上百萬的規(guī)模，要從這些大量無序的點(diǎn)云數(shù)據(jù)中識別植物的每個(gè)器官并恢復(fù)植物的原有形態(tài)結(jié)構(gòu)是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)，同時(shí)由于植物冠層中器官眾多，遮擋問題嚴(yán)重，造成掃描儀獲取的三維點(diǎn)云中部分器官數(shù)據(jù)缺失。
基于圖像的重建方法的主要思想是先對一個(gè)真實(shí)的植物從不同的角度拍攝一系列的圖像，然后從這些圖像序列中重構(gòu)出植物的三維形態(tài)。對于單個(gè)器官，這種方法較容易獲得器官的造型，但對于整棵植物，要從植物的圖像序列中自動(dòng)地恢復(fù)植物的幾何形態(tài)，尚有很多問題需要解決。如圖像中器官的分割和自動(dòng)識別、被遮擋器官的恢復(fù)等都是復(fù)雜的問題，目前尚未有令人滿意的解決方案。即該方法難以解決圖像中被遮擋器官的恢復(fù)問題，由于植物群體冠層中器官繁多，相互之間的遮擋十分普遍，采用基于圖像的重建方法獲得的三維模型的準(zhǔn)確性難以保證。

發(fā)明內(nèi)容
(一)要解決的技術(shù)問題本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種能夠精確簡單地進(jìn)行植物群體的三維重建的植物群體形態(tài)結(jié)構(gòu)三維重建方法。(二)技術(shù)方案 為解決上述問題，本發(fā)明提供了一種植物群體形態(tài)結(jié)構(gòu)三維重建方法，該方法包括步驟SI.測量待重建植物群體的冠層形態(tài)特征參數(shù)數(shù)據(jù)；S2.根據(jù)所述形態(tài)特征參數(shù)數(shù)據(jù)，構(gòu)建植物群體冠層形態(tài)特征統(tǒng)計(jì)模型；S3.獲取待重建植物群體的每株植物的位置與節(jié)間數(shù)量信息；S4.根據(jù)步驟S3獲取的節(jié)間數(shù)量信息和步驟S2構(gòu)建的冠層形態(tài)特征統(tǒng)計(jì)模型重建待重建植物群體中的每株植物的三維模型；S5.根據(jù)所述位置信息，將每株植物的所述三維模型移動(dòng)到三維場景的相應(yīng)位置，完成所述待重建植物群體的三維重建。優(yōu)選地，在步驟SI中，在植物群體中選取20 30株相鄰的植物測量，所述冠層形態(tài)特征參數(shù)數(shù)據(jù)，所述冠層形態(tài)特征參數(shù)包括每個(gè)節(jié)間的節(jié)間長度、節(jié)間與垂直方向的夾角，以及每個(gè)葉子的葉柄長度、葉片長度、莖葉夾角、葉傾角。優(yōu)選地，在步驟SI中，還包括記錄每個(gè)節(jié)間和葉子的年齡的步驟。優(yōu)選地，所述植物最頂部的節(jié)間、葉柄、以及葉片的年齡為I，從所述植物頂部往根部，每個(gè)節(jié)間、葉柄、以及葉片的年齡遞增I年。優(yōu)選地，在步驟S2中，在構(gòu)建的植物群體冠層形態(tài)特征統(tǒng)計(jì)模型中所述節(jié)間長度的統(tǒng)計(jì)模型為Linternode-Bil X λ +IDilX λ +Cil X λ +(Iil所述葉柄長度的統(tǒng)計(jì)模型為LPetiole-apl X λ +bpl X λ +cpl X λ +dpl ；所述葉片長度的統(tǒng)計(jì)模型為Lleaf=B11 X λ 3+bu X λ 2+cu X λ +du其中，Lintmwte為節(jié)間長度，Lpetiole為節(jié)間長度，Lleaf為葉片長度，入為所述植物的器官的年齡，ca> L、apl、bpl、cpl、dpl、an、bu、cn、dn均為常數(shù)因子,通過最小二乘法從所述數(shù)據(jù)中擬合得到；所述節(jié)間與垂直方向的夾角、莖葉夾角以及葉傾角三個(gè)特征參數(shù)的取值分別為O 360之間的隨機(jī)值。優(yōu)選地，在步驟S3中，利用三維數(shù)字化儀獲取所述待重建植物群體中每株植物地上部根節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)位置，并測量每株植物的節(jié)間個(gè)數(shù)。優(yōu)選地,步驟S4進(jìn)一步包括S4. I根據(jù)所述節(jié)間個(gè)數(shù)，建立每株植物主莖和葉柄的初始骨架模型；S4. 2根據(jù)所述植物群體冠層形態(tài)特征統(tǒng)計(jì)模型調(diào)整所述主莖和葉柄的初始骨架模型，重建每株植物主莖和葉柄的三維網(wǎng)絡(luò)模型；S4. 3根據(jù)葉片三維模型模板庫，對每株植物的所述主莖和葉柄的三維網(wǎng)絡(luò)模型進(jìn)行葉片曲面模型的放置和長度調(diào)整。優(yōu)選地，在步驟S4. 2中，根據(jù)所述節(jié)間長度的統(tǒng)計(jì)模型計(jì)算初始骨架模型中每個(gè)節(jié)間的長度L·
internode ·L，Internode=Bil X λ 3+bnX λ 2+cnX λ +(Iil+ η X IL根據(jù)所述節(jié)間長度的統(tǒng)計(jì)模型計(jì)算初始骨架模型中每個(gè)葉柄的長度L’ petiole L，petiole = aplX λ 3+bplX λ 2+cplX λ +dpl+ η XPL ；其中，η為-O. 3 O. 3之間的隨機(jī)數(shù)，IL為所述植物群體的平均節(jié)間長度，通過所述形態(tài)特征參數(shù)數(shù)據(jù)中的節(jié)間長度計(jì)算平均值得到；且對每個(gè)節(jié)間，節(jié)間與垂直方向的夾角設(shè)置為一個(gè)O 360之間隨機(jī)數(shù)，每個(gè)葉柄與其著生節(jié)間的夾角設(shè)置為一個(gè)O 360之間隨機(jī)數(shù)設(shè)置。優(yōu)選地,步驟S4. 3進(jìn)一步包括S4. 31根據(jù)每株植物的所述主莖和葉柄三維網(wǎng)格模型，對模型中的每個(gè)葉柄，根據(jù)所述葉柄的年齡從葉片三維模型模板庫中選取一個(gè)相應(yīng)類型的葉片三維模型；S4. 32根據(jù)所述葉柄的節(jié)位以及所述葉片長度的統(tǒng)計(jì)模型，計(jì)算葉片長度L’ leaf L，leaf=a11 X λ 3+bnX λ 2+cnX λ +dn+ θ X LL其中，Θ為-O. 2 O. 2之間的隨機(jī)數(shù)，LL為所述待重建植物群體的平均葉片長度，通過所述形態(tài)特征參數(shù)數(shù)據(jù)中的葉片長度計(jì)算平均值得到；S4. 33根據(jù)步驟S4. 32計(jì)算得到的葉片長度對選取出來的葉片三維模型進(jìn)行縮放，使縮放后的葉片三維模型中，葉根到葉尖的直線距離等于計(jì)算得到的葉片長度；S4. 34將步驟S4. 33縮放后的葉片三維模型放置到葉柄的頂端，然后根據(jù)葉柄的方位角調(diào)整葉片三維模型的方位角，使葉片三位模型的方位角與葉柄的方位角一致；S4. 35調(diào)整步驟S4. 34放置后的葉片三維模型的傾角，將所述葉片三維模型與地面的夾角設(shè)置為一個(gè)O 360之間的隨機(jī)數(shù)。優(yōu)選地，所述葉片三維模型模板庫通過以下方法構(gòu)建隨機(jī)選取設(shè)定數(shù)量的植物，測量每株植物的葉子數(shù)量，然后計(jì)算每株植物的葉子平均數(shù)Ln，按葉子年齡將所述植物的植物群體的葉子分為5種類型，每種類型的葉子的年齡區(qū)間分別為葉子類型I : O <葉子年齡<
葉子類型2
< 葉子年齡 <
葉子類型 3
葉子類型4 『0.60 X Ln] <葉子年齡<
葉子類型5
<葉子年齡;在所述植物的植物群體中，對以上5種類型的葉子，每種類型選取5-8個(gè)葉子，采用三維掃描儀從向陽面獲取葉片的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，并根據(jù)所述點(diǎn)云數(shù)據(jù)生成每個(gè)葉片的三維模型；對每個(gè)所述葉片三維模型進(jìn)行調(diào)整，使每個(gè)所述葉片模型的葉根都處于原點(diǎn)位置，同時(shí)葉尖都處于相同的方向，并通過縮放三維模型網(wǎng)格頂點(diǎn)的方法使每個(gè)葉片模型中，葉根到葉尖的長度均為IOcm ；處理后的所述葉片三維模型作為葉片三維模型模板庫。(三)有益效果 本發(fā)明的方法通過測量植物群體中少數(shù)幾個(gè)形態(tài)特征參數(shù)然后建立每個(gè)形態(tài)特征參數(shù)的統(tǒng)計(jì)模型，同時(shí)通過小型高精度三維掃描儀抽樣獲取葉片的三維網(wǎng)格模型，能夠滿足在農(nóng)田和設(shè)施環(huán)境下對植物群體進(jìn)行原位、無損測量的要求，不僅使得進(jìn)行園藝植物群體的三維重建變得簡單、可行，同時(shí)最終重建的植物群體三維模型具有較高的準(zhǔn)確性和精度，特別是對大規(guī)模植物群體的三維重建尤其有效，簡單可行，達(dá)到了應(yīng)用的要求。


圖I為依照本發(fā)明一種實(shí)施方式的植物群體形態(tài)結(jié)構(gòu)三維重建方法流程圖；圖2為植物主莖和葉柄的初始骨架模型示意圖；圖3為植物主莖和葉柄的三維模型示意圖；圖4為重建后的植物群體三維模型示意圖。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明提出的植物群體形態(tài)結(jié)構(gòu)三維重建方法，結(jié)合附圖及實(shí)施例詳細(xì)說明如下。本發(fā)明主要針對黃瓜、西瓜、甜瓜等以節(jié)間為單位的園藝植物，基于在溫室、田間無損數(shù)據(jù)采集的基礎(chǔ)上進(jìn)行植物群體三維模型快速、精確重建的實(shí)際需求，根據(jù)這類植物的形態(tài)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，并充分考慮植物群體重建在準(zhǔn)確性和數(shù)據(jù)采集工作量兩方面的平衡關(guān)系，在保證重建模型的準(zhǔn)確性的前提下充分考慮降低數(shù)據(jù)采集的工作量，從而為開展不同作物種植方案分析、植物冠層生理生態(tài)指標(biāo)計(jì)算等農(nóng)學(xué)研究提供簡單實(shí)用的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)制備方法。如圖I所示，依照本發(fā)明一種實(shí)施方式的植物群體形態(tài)結(jié)構(gòu)三維重建方法包括步驟SI.測量待重建植物群體的冠層形態(tài)特征參數(shù)數(shù)據(jù)。對待重建的植物群體，選取相鄰的20-30棵植物，(優(yōu)選地直接在田間或溫室利用直尺、數(shù)顯角度儀、游標(biāo)卡尺等工具手工)獲取每棵植物的冠層形態(tài)特征參數(shù)數(shù)據(jù)，冠層形態(tài)特征參數(shù)包括每個(gè)節(jié)間的節(jié)間長度、節(jié)間與垂直方向的夾角，每個(gè)葉子的葉柄長度、葉片長度、莖葉夾角、葉傾角(葉片與地面的夾角)。同時(shí)在該步驟中記錄下每個(gè)節(jié)間和葉子的年齡(最頂部的節(jié)間、葉柄、以及葉片的年齡為1，從植物頂部往根部，每個(gè)節(jié)間、葉柄、以及葉片的年齡遞增I年)，也可以理解為器官在植物主莖上的著生節(jié)位。S2.根據(jù)步驟SI測量的形態(tài)特征參數(shù)數(shù)據(jù)，構(gòu)建植物群體冠層形態(tài)特征統(tǒng)計(jì)模型。針對步驟SI獲取的形態(tài)特征參數(shù)數(shù)據(jù)，分析每個(gè)參數(shù)值與器官年齡的關(guān)系。具體地，采用最小二乘法對步驟Si測量獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，發(fā)現(xiàn)植物群體中節(jié)間長度與節(jié)間的年齡用如下公式表示時(shí)，具有較小的擬合誤差(均方根誤差，RMSE)Linternode=BilX λ 3+baX λ 2+CilX λ +Clil(I)其中Lint_de為節(jié)間長度，λ為器官的年齡，為四個(gè)常數(shù)因子，通過最小二乘法從測量數(shù)據(jù)中擬合。同理，葉柄長度和葉片長度這兩個(gè)形態(tài)特征與其年齡也可以分別用如下公式表示Lpetiole — apl X λ +bpl X λ +cpl X λ +dpi(2)Lleaf = an X λ 3+bu X λ 2+cu X λ +(I11(3)其中Lpetiau 為節(jié)間長度，Lleaf 為葉片長度；apl、bpl、cpl、dpl、an> bn> C11、dn 均為常數(shù)因子，均通過最小二乘法從步驟SI測量獲取的數(shù)據(jù)中擬合得到。而對于其它三個(gè)形態(tài)特征參數(shù)，包括節(jié)間與垂直方向的夾角、莖葉夾角和葉傾角，通過數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，這些參數(shù)值與器官的年齡的關(guān)系難以用某種曲線或函數(shù)描述，因此認(rèn)為這幾個(gè)形態(tài)特征在植物和植物群體中屬于隨機(jī)分布，即可以認(rèn)為同一株植物上，不同年齡(著生節(jié)位)上器官的以上三個(gè)特征參數(shù)的取值為O 360之間的隨機(jī)值。S3.獲取待重建植物群體的每株植物的位置與節(jié)間數(shù)量信息。對待重建的植物群體，利用三維數(shù)字化儀獲取每株植物地上部根節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)位置，同時(shí)可優(yōu)選地通過人工數(shù)數(shù)的方式獲得每棵植物的節(jié)間個(gè)數(shù)。 S4.根據(jù)步驟S3獲取的節(jié)間數(shù)量信息和步驟S2構(gòu)建的冠層形態(tài)特征統(tǒng)計(jì)模型重建待重建植物群體中的每株植物的三維模型。以步驟S3從真實(shí)植物群體中測量得到的每株植物的節(jié)間數(shù)量作為輸入，重建待重建植物群體中每株植物的三維模型，具體操作包括如下3個(gè)處理S4. I建立植株主莖和葉柄的初始骨架模型。采用特定的節(jié)間和葉柄骨架表示方法，生成一個(gè)與測量獲得的節(jié)間個(gè)數(shù)相同的初始植物主莖和葉柄骨架模型，如圖2所示，其中每個(gè)節(jié)間和葉柄的樣條曲線的特征點(diǎn)個(gè)數(shù)均為3個(gè)，每條曲線上的特征點(diǎn)均在同一條直線上，根據(jù)植物形態(tài)結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，各個(gè)節(jié)間從小往上直線排列，垂直于地面(即節(jié)間與垂直方向的夾角均為0° )，葉柄與節(jié)間的夾角(莖葉夾角)相同(在本例子中為30° )，葉子的方位角均為0°，每個(gè)節(jié)間和葉柄的長度均為2. Ocm0上述采用特定的節(jié)間和葉柄骨架表示方法，生成一個(gè)與測量獲得的節(jié)間個(gè)數(shù)相同的初始植物主莖和葉柄骨架模型具體為用B樣條曲線表示植物器官的骨架中的軸線和邊緣線。要建立某個(gè)特定器官的骨架模型實(shí)際上就是確定骨架模型上每條B樣條曲線的特征點(diǎn)。這些特征點(diǎn)可以通過三維數(shù)字化儀從田間或溫室生長的植物器官上獲取(在步驟SI中獲得)或者利用輸入?yún)?shù)自動(dòng)生成。S4. 2根據(jù)該植物群體冠層形態(tài)特征統(tǒng)計(jì)模型調(diào)整主莖和葉柄的初始骨架模型，重建每株植物主莖和葉柄的三維網(wǎng)絡(luò)模型。具體地，結(jié)合公式(1)，計(jì)算初始骨架模型中每個(gè)節(jié)間的長度L’ internode,同時(shí)在計(jì)算中加入一定的隨機(jī)數(shù)，修改后的不同節(jié)位(年齡)的節(jié)間的長度計(jì)算公式如下L，Jnternode=Bil X λ 3+bn X λ 2+ Cil X λ +Clil+ η X IL (4)其中η為-O. 3 O. 3之間的隨機(jī)數(shù)，IL為植物群體的平均節(jié)間長度，通過步驟Si中測量得到的節(jié)間長度計(jì)算平均值得到。同理，結(jié)合公式(2)，計(jì)算初始骨架模型中每個(gè)葉柄的長度L’ Petiole,同時(shí)在計(jì)算中加入一定的隨機(jī)數(shù)，修改后的不同節(jié)位(年齡)的葉柄的長度計(jì)算公式如下L，petiole = aplX λ 3+bplX λ 2+cplX λ +dpl+ η X PL (5)其中η為-O. 3 O. 3之間的隨機(jī)數(shù)，PL為植物群體的平均葉柄長度，通過步驟Si中測量得到的葉柄長度計(jì)算平均值得到。對節(jié)間和葉柄的長度進(jìn)行調(diào)整后，對每個(gè)節(jié)間，用一個(gè)O 360之間隨機(jī)數(shù)設(shè)置節(jié)間與垂直方向的夾角，然后再用一個(gè)O 360之間隨機(jī)數(shù)設(shè)置每個(gè)葉柄與其著生節(jié)間的夾角。對調(diào)整后的主莖和葉柄初始骨架模型，生成每條曲線的三維網(wǎng)格曲面，這樣即可重建植株主莖和葉柄的三維網(wǎng)格模型，如圖3所示。生成每條曲線的三維網(wǎng)格曲面的方法優(yōu)選為以節(jié)間為單位，多個(gè)節(jié)間拼接起來即可形成每條曲線。節(jié)間可以看成一個(gè)具有不規(guī)則彎曲形狀的圓柱，用一條B樣條曲線表示節(jié)間的軸線。衛(wèi)生成節(jié)間幾何體的曲面，首先從軸線上按等分抽取多個(gè)點(diǎn)，即將軸線分成多個(gè)線段，然后定義一個(gè)節(jié)間半徑，在每個(gè)等分點(diǎn)處，使節(jié)間半徑繞軸線垂直旋轉(zhuǎn)，獲得一些列的數(shù)據(jù)點(diǎn)，這些數(shù)據(jù)點(diǎn)組成一個(gè)圓圈。多所有的等分點(diǎn)進(jìn)行上述操作后，連接相鄰兩個(gè)等分點(diǎn)生成的數(shù)據(jù)點(diǎn)，構(gòu)成三角形或四邊形網(wǎng)格，即可獲得節(jié)間造型的曲面。S4. 3根據(jù)葉片三維模型模板庫，對每株植物的主莖和葉柄的三維網(wǎng)絡(luò)模型進(jìn)行葉片曲面模型的放置和長度調(diào)整。其中對模型中的每個(gè)葉柄，首先根據(jù)該葉柄的節(jié)位(年齡)從葉片三維模型模板庫中選取一個(gè)相應(yīng)類型的葉片三維模型，然后根據(jù)葉柄的節(jié)位，結(jié)合公式(3)并加入一些隨機(jī)因子計(jì)算葉片長度，修改后的葉片長度L’ leaf計(jì)算公式分別如下L，leaf=an X λ 3+bn X λ 2+cn X λ +dn+ θ XLL (6)其中θ為-O. 2 O. 2之間的隨機(jī)數(shù)，LL為植物群體的平均葉片長度，通過步驟Si中測量得到的葉片長度計(jì)算平均值得到。S4. 33計(jì)算葉片的長度L’ leaf后，用計(jì)算得到的葉片長度L’ leaf對選取出來的葉片三維模型進(jìn)行縮放，使縮放后的葉片三維模型中，葉根到葉尖的直線距離等于計(jì)算得到的葉片長度。S4. 34將步驟S4. 33縮放后的葉片三維模型放置到葉柄的頂端，然后根據(jù)葉柄的方位角調(diào)整葉片三維模型的方位角，使葉片模型的方位角與葉柄的方位角一致(即葉片三維模型中葉根和葉尖之間的直線與葉柄具有同樣的朝向)。S4. 35調(diào)整步驟S4. 34放置后的葉片三維模型的傾角，即將葉片三維模型與地面的夾角設(shè)置為一個(gè)O 360之間隨機(jī)數(shù)。通過上述步驟的處理，即可完成一株植物三維模型的重建。S6.根據(jù)步驟S3獲得的位置信息，將每株植物的三維模型移動(dòng)到三維場景的相應(yīng)的位置中，即可完成待重建植物群體的三維重建，如圖4所示。需要說明的是，上述的葉片三維模型模板庫可通過以下方法構(gòu)建從田間(或溫室)植物群體中隨機(jī)選取10棵植物，優(yōu)選地手工測量每株植物的葉子數(shù)量，然后計(jì)算每株植物的葉子平均數(shù)Ln，按葉子年齡將該種植物群體的葉子分為5種類型，每種類型的葉子的年齡區(qū)間為葉子類型I : O <葉子年齡 <『O. 15 X /,/ ]
葉子類型2
< 葉子年齡 <
葉子類型3
< 葉子年齡 < | .60 x Ln]葉子類型4
< 葉子年齡 <
葉子類型5
<葉子年齡從田間(或溫室)植物群體中，對以上5種類型的葉子，每種類型選取5-8個(gè)葉子，采用高精度三維掃描儀從正面(向陽面)獲取葉片的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，并采用Delaunay三角剖分法從三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)中生成每個(gè)葉片的三維模型。對每個(gè)葉片三維模型，利用3DSmax等三維數(shù)據(jù)處理軟件進(jìn)行調(diào)整，使每個(gè)葉片模型的葉根(葉片和葉柄的交叉點(diǎn))都處于原點(diǎn)位置，同時(shí)葉尖都處于相同的方向，并通過縮放三維模型網(wǎng)格頂點(diǎn)的方法使每個(gè)葉片模型中，葉根到葉尖的長度均為10cm。以處理后的這些葉片三維模型作為模塊庫，供植物整體三維模型構(gòu)建使用。本發(fā)明的上述方法針對以節(jié)間為單位的園藝植物群體進(jìn)行精確、快速地三維重建，通過抽樣從部分植物上測量獲取幾個(gè)植物冠層形態(tài)特征參數(shù)的數(shù)據(jù)，然后采用數(shù)學(xué)方法分析并建立每個(gè)形態(tài)特征參數(shù)與器官年齡(著生節(jié)位)的統(tǒng)計(jì)模型，通過所建立統(tǒng)計(jì)模型構(gòu)建植物群體中每個(gè)植株的三維模型，即用從真實(shí)植物群體獲得的冠層形態(tài)特征指導(dǎo)植物群體三維模型的重建。同時(shí)，為了使重建的三維模型中冠層葉子具有更高的精確度，利用高精度三維掃描儀從植物群體中抽樣獲取葉片的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)以建立葉片的三維曲面模型。以上兩個(gè)處理不僅使得對植物群體重建時(shí)無需對群體中的每個(gè)植株進(jìn)行詳細(xì)的數(shù)據(jù)測量(如圖像拍照、三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)獲取、形態(tài)特征點(diǎn)獲取等)，從而極大較少了數(shù)據(jù)采集時(shí)間，使得重建具有上百、上千棵植物的群體變得簡單、可行；同時(shí)，本發(fā)明的方法中所建立的統(tǒng)計(jì)模型和激光掃描儀獲取的葉片三維模型模板庫都可以重復(fù)利用，一旦建立，下次再重建該品種植物的群體三維模型時(shí)，只需要進(jìn)行如步驟S3所描述的數(shù)據(jù)測量工作，即只需獲取真實(shí)植物群體中每個(gè)植株的位置與節(jié)間個(gè)數(shù)信息，即可進(jìn)行群體的三維重建。以上實(shí)施方式僅用于說明本發(fā)明，而并非對本發(fā)明的限制，有關(guān)技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍的情況下，還可以做出各種變化和變型，因此所有等同的技術(shù)方案也屬于本發(fā)明的范疇，本發(fā)明的專利保護(hù)范圍應(yīng)由權(quán)利要求限定。
權(quán)利要求
1.一種植物群體形態(tài)結(jié)構(gòu)三維重建方法，其特征在于，該方法包括步驟 51.測量待重建植物群體的冠層形態(tài)特征參數(shù)數(shù)據(jù)； 52.根據(jù)所述形態(tài)特征參數(shù)數(shù)據(jù)，構(gòu)建植物群體冠層形態(tài)特征統(tǒng)計(jì)模型； 53.獲取待重建植物群體的每株植物的位置與節(jié)間數(shù)量信息； 54.根據(jù)步驟S3獲取的節(jié)間數(shù)量信息和步驟S2構(gòu)建的冠層形態(tài)特征統(tǒng)計(jì)模型重建待重建植物群體中的每株植物的三維模型； 55.根據(jù)所述位置信息，將每株植物的所述三維模型移動(dòng)到三維場景的相應(yīng)位置，完成所述待重建植物群體的三維重建。
2.如權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于，在步驟SI中，在植物群體中選取20 30株相鄰的植物測量，所述冠層形態(tài)特征參數(shù)數(shù)據(jù)，所述冠層形態(tài)特征參數(shù)包括每株植物中每個(gè)節(jié)間的節(jié)間長度、節(jié)間與垂直方向的夾角，以及每個(gè)葉子的葉柄長度、葉片長度、莖葉夾角、葉傾角。
3.如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，在步驟SI中，還包括記錄每個(gè)節(jié)間和葉子的年齡的步驟。
4.如權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，所述植物最頂部的節(jié)間、葉柄、以及葉片的年齡為1，從所述植物頂部往根部，每個(gè)節(jié)間、葉柄、以及葉片的年齡遞增I年。
5.如權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，在步驟S2中，在構(gòu)建的植物群體冠層形態(tài)特征統(tǒng)計(jì)模型中 所述節(jié)間長度的統(tǒng)計(jì)模型為 Lintemode_ail X 入 +bil X 入 +Cil X 入 +屯1 所述葉柄長度的統(tǒng)計(jì)模型為 Lpetiole_apl X 入 +bpl X 入 +Cpl X 入 +dpi ； 所述葉片長度的統(tǒng)計(jì)模型為Lleaf=all Χ λ 3+bnX λ 2+CnX λ +dn 其中，Lintemmle為節(jié)間長度，Lpetitjle為節(jié)間長度，Lleaf為葉片長度，λ為所述植物器官的年齡，ca> dm apl、bpl、cpl、dpl、an、bu、cn、dn均為常數(shù)因子,通過最小二乘法從所述步驟SI獲取的數(shù)據(jù)中擬合得到； 所述節(jié)間與垂直方向的夾角、莖葉夾角以及葉傾角三個(gè)特征參數(shù)的取值分別為O 360之間的隨機(jī)值。
6.如權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，在步驟S3中，利用三維數(shù)字化儀獲取所述待重建植物群體中每株植物地上部根節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)位置，并測量每株植物的節(jié)間個(gè)數(shù)。
7.如權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，步驟S4進(jìn)一步包括 S4. I根據(jù)所述節(jié)間個(gè)數(shù)，建立每株植物主莖和葉柄的初始骨架模型； S4. 2根據(jù)所述植物群體冠層形態(tài)特征統(tǒng)計(jì)模型調(diào)整所述主莖和葉柄的初始骨架模型，重建每株植物主莖和葉柄的三維網(wǎng)絡(luò)模型； S4. 3根據(jù)葉片三維模型模板庫，對每株植物的所述主莖和葉柄的三維網(wǎng)絡(luò)模型進(jìn)行葉片曲面模型的放置和長度調(diào)整。
8.如權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，在步驟S4.2中，根據(jù)所述節(jié)間長度的統(tǒng)計(jì)模型計(jì)算初始骨架模型中每個(gè)節(jié)間的長度L’ internode L internode_ail X 入 +bil X 入 +Cil X 入 +(Iil+ Π XIL 根據(jù)所述節(jié)間長度的統(tǒng)計(jì)模型計(jì)算初始骨架模型中每個(gè)葉柄的長度L’ Petiole L Petiole — apl X 入 +bpl X 入 +Cpl X 入 +dpi+ rI X PL ； 其中，η為-O. 3 O. 3之間的隨機(jī)數(shù)，IL為所述植物群體的平均節(jié)間長度，通過所述形態(tài)特征參數(shù)數(shù)據(jù)中的節(jié)間長度計(jì)算平均值得到； 且對每個(gè)節(jié)間，節(jié)間與垂直方向的夾角設(shè)置為一個(gè)O 360之間隨機(jī)數(shù)，每個(gè)葉柄與其著生節(jié)間的夾角設(shè)置為一個(gè)O 360之間隨機(jī)數(shù)設(shè)置。
9.如權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于，步驟S4.3進(jìn)一步包括 S4. 31根據(jù)每株植物的所述主莖和葉柄三維網(wǎng)格模型，對模型中的每個(gè)葉柄，根據(jù)所述葉柄的年齡從葉片三維模型模板庫中選取一個(gè)相應(yīng)類型的葉片三維模型； S4. 32根據(jù)所述葉柄的節(jié)位以及所述葉片長度的統(tǒng)計(jì)模型，計(jì)算葉片長度L’ leaf L，leaf = an X λ 3+b1:l X λ 2+。11 X 入 +dn+ X LL 其中，Θ為-O. 2 O. 2之間的隨機(jī)數(shù)，LL為所述待重建植物群體的平均葉片長度，通過所述形態(tài)特征參數(shù)數(shù)據(jù)中的葉片長度計(jì)算平均值得到； S4. 33根據(jù)步驟S4. 32計(jì)算得到的葉片長度對選取出來的葉片三維模型進(jìn)行縮放，使縮放后的葉片三維模型中，葉根到葉尖的直線距離等于計(jì)算得到的葉片長度； S4. 34將步驟S4. 33縮放后的葉片三維模型放置到葉柄的頂端，然后根據(jù)葉柄的方位角調(diào)整葉片三維模型的方位角，使葉片三位模型的方位角與葉柄的方位角一致； S4.35調(diào)整步驟S4. 34放置后的葉片三維模型的傾角，將所述葉片三維模型與地面的夾角設(shè)置為一個(gè)O 360之間的隨機(jī)數(shù)。
10.如權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于，所述葉片三維模型模板庫通過以下方法構(gòu)建 從田間或溫室真實(shí)植物群體中隨機(jī)選取設(shè)定數(shù)量的植物，測量每株植物的葉子數(shù)量，然后計(jì)算每株植物的葉子平均數(shù)Ln，按葉子年齡將所述植物的植物群體的葉子分為5種類型，每種類型的葉子的年齡區(qū)間分別為 葉子類型I : O <葉子年齡<
葉子類型 2
< t 予年齡 <
葉子類型3
<葉子年齡<
葉子類型4 :丨 .60 χ Ln] <葉予年齡<
葉子類型5
<葉子年齡； 在所述植物的植物群體中，對以上5種類型的葉子，每種類型選取5-8個(gè)葉子，采用三維掃描儀從向陽面獲取葉片的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，并根據(jù)所述點(diǎn)云數(shù)據(jù)生成每個(gè)葉片的三維模型； 對每個(gè)所述葉片三維模型進(jìn)行調(diào)整，使每個(gè)所述葉片模型的葉根都處于原點(diǎn)位置，同時(shí)葉尖都處于相同的方向，并通過縮放三維模型網(wǎng)格頂點(diǎn)的方法使每個(gè)葉片模型中，葉根到葉尖的長度均為IOcm ； 處理后的所述葉片三維模型作為葉片三維模型模板庫。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種植物群體形態(tài)結(jié)構(gòu)三維重建方法，涉及三維圖形生成技術(shù)領(lǐng)域。包括步驟S1.測量待重建植物群體的冠層形態(tài)特征參數(shù)數(shù)據(jù)；S2.根據(jù)所述形態(tài)特征參數(shù)數(shù)據(jù)，構(gòu)建植物群體冠層形態(tài)特征統(tǒng)計(jì)模型；S3.獲取待重建植物群體的每株植物的位置與節(jié)間數(shù)量信息；S4.根據(jù)步驟S3獲取的節(jié)間數(shù)量信息和步驟S2構(gòu)建的冠層形態(tài)特征統(tǒng)計(jì)模型重建待重建植物群體中的每株植物的三維模型；S5.根據(jù)所述位置信息，將每株植物的所述三維模型移動(dòng)到三維場景的相應(yīng)位置，完成所述待重建植物群體的三維重建。本發(fā)明的方法能夠精確簡單地進(jìn)行植物群體的三維重建。
文檔編號G06T17/00GK102903145SQ20121031973
公開日2013年1月30日 申請日期2012年8月31日 優(yōu)先權(quán)日2012年8月31日
發(fā)明者陸聲鏈, 趙春江, 郭新宇, 杜建軍, 溫維亮 申請人:北京農(nóng)業(yè)信息技術(shù)研究中心