數(shù)據(jù)和規(guī)則綜合驅(qū)動的三維樹木精細(xì)建模方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及農(nóng)業(yè)信息化和現(xiàn)代農(nóng)業(yè)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種數(shù)據(jù)和規(guī)則綜合驅(qū)動 的三維樹木精細(xì)建模方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 虛擬植物是指利用計算機(jī)、結(jié)合可視化等技術(shù)對植物在三維空間生長發(fā)育進(jìn)行模 擬，是農(nóng)林業(yè)信息化、智慧農(nóng)林業(yè)和虛擬現(xiàn)實(shí)等交叉學(xué)科的研究熱點(diǎn)。不同的應(yīng)用領(lǐng)域，對 虛擬植物的具體需求不同，如影視、游戲等領(lǐng)域，要求植物模型形象、逼真，視覺上具有很強(qiáng) 的真實(shí)感;而農(nóng)林業(yè)領(lǐng)域，要求模型盡可能地逼近實(shí)際植物形態(tài)結(jié)構(gòu)，即模型精度要高、可 信。利用虛擬植物模擬植物生長發(fā)育過程能夠幫助人類更好地認(rèn)識和了解植物的生長發(fā)育 規(guī)律，可以為植物經(jīng)營管理、生理生態(tài)影響評價、作物產(chǎn)量評估等提供有效的方法。特別在 微觀尺度上，更能顯示其優(yōu)勢。植物形態(tài)結(jié)構(gòu)的精細(xì)建模是進(jìn)行植物生長發(fā)育過程模擬、植 物與生態(tài)環(huán)境的交互行為模擬(如光環(huán)境與光合作用關(guān)系）、遙感反演等方面的基礎(chǔ)。因此， 如何實(shí)現(xiàn)虛擬植物的高可信度仿真顯得至關(guān)重要。
[0003] 目前，虛擬植物的建模方法大致有四種:第一種是基于規(guī)則的植物建模方法，該方 法可以逼真的模擬植物的三維形態(tài)及生長過程，重點(diǎn)是植物枝干系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，但當(dāng)所 描述植物的形態(tài)結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜時，提取植物的生長規(guī)則較為繁瑣，而且對于植物器官的模 擬方面，大部分采用參數(shù)曲面近似表示，與現(xiàn)實(shí)具體的樹木難以定量比較，模擬結(jié)果難以實(shí) 地驗(yàn)證;第二種是基于圖像的植物建模方法，該建模方法能夠體現(xiàn)作物的一些具體細(xì)節(jié)情 況，生成的靜態(tài)模型比較逼真。這種方法要從圖像序列中自動地恢復(fù)植物幾何形態(tài)，器官間 的遮擋部分恢復(fù)重建比較困難，而且針對高大植物很難從復(fù)雜的背景中剝離出來，獲取整 株完整的植物圖像;第三種是交互式參數(shù)化建模方法，該方法直觀易用，克服了基于規(guī)則建 模方法的復(fù)雜性、理解困難、交互性差等不足;該模型與真實(shí)模型一致性較差，適合應(yīng)用于 城市綠地規(guī)劃、動畫、游戲等對植物模型精度要求不高的領(lǐng)域;第四種是基于實(shí)測數(shù)據(jù)的植 物結(jié)構(gòu)重建。這種方法包括基于數(shù)字化儀測量的數(shù)據(jù)的重建和基于三維激光掃描儀獲取的 點(diǎn)云數(shù)據(jù)的重建，所形成的模型幾何精度高。在植物單個器官上，往往能夠重構(gòu)出與實(shí)際植 物非常相似的模型，然而對復(fù)雜個體的植物，遮蔽現(xiàn)象嚴(yán)重，要從掃描得到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，重 構(gòu)出與實(shí)際植物比較一致的整株模型還沒有成熟的算法，具有一定的挑戰(zhàn)性。上述四種方 法在進(jìn)行植物三維模型的構(gòu)建時都各有優(yōu)缺點(diǎn)和局限性，前三種方法形成的模型從視覺上 能滿足要求，但是難以滿足虛擬植物模型與實(shí)際模型進(jìn)行量化評估的要求。因此對不同的 樹木建模方法進(jìn)行綜合應(yīng)用可以充分發(fā)揮不同方法的優(yōu)勢，能夠更好更快地對植物進(jìn)行三 維形態(tài)的重建。本發(fā)明將綜合利用規(guī)則建模方法的便于描述植物拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的優(yōu)勢和基于測 量數(shù)據(jù)建模方法獲取的植物形態(tài)機(jī)構(gòu)參數(shù)建模精度高的優(yōu)勢，提出了數(shù)據(jù)和規(guī)則綜合驅(qū)動 的樹木建模方法。
[0004] 隨著虛擬植物研究的不斷深入及計算機(jī)硬件技術(shù)的發(fā)展，如何實(shí)現(xiàn)虛擬植物的高 可信度仿真成為可能。冠層局部組分(樹葉、果實(shí)、一年生枝梢和兩年生枝梢等)形態(tài)結(jié)構(gòu)的 復(fù)雜性決定了其形態(tài)結(jié)構(gòu)建模和可視化在真實(shí)感模擬中的困難。
[0005] 三維激光掃描技術(shù)是一種新興的數(shù)據(jù)獲取方式，又稱為實(shí)景復(fù)制技術(shù)。因?yàn)樗?準(zhǔn)確快速地重建三維對象的表面形態(tài)，并且具有精度高、速度快、立體掃描等特點(diǎn)，已經(jīng)被 廣泛應(yīng)用。三維激光掃描技術(shù)在其他領(lǐng)域的成功應(yīng)用顯示了其在復(fù)雜三維形態(tài)獲取方面的 突出技術(shù)優(yōu)勢，這也促進(jìn)了三維激光掃描技術(shù)在植物建模領(lǐng)域的應(yīng)用。申請專利中所使用 的三維激光掃描儀是Artec Eva，其工作原理是基于白色結(jié)構(gòu)光和數(shù)學(xué)算法而獲取三維形 狀信息，分辨率為〇.5mm，有效掃描距離40~100cm。
[0006] Artec Studio是和Artec Eva掃描儀配合使用的一款三維軟件，Artec Eva通過 Artec Studio完成模型掃描，并基于該軟件進(jìn)行后期處理，包括:孔洞填補(bǔ)、網(wǎng)格優(yōu)化、平滑 模型及模型紋理的粘貼，其中平滑模型有Smooth Fusion和Sharp Fusion。前者適合部分?jǐn)?shù) 據(jù)缺失的模型，該方法能夠創(chuàng)建網(wǎng)格填充模型數(shù)據(jù)中的孔洞，通常處理結(jié)果具有平整和噪 音少的特點(diǎn)；后者適合重建模型的細(xì)節(jié)，例如包含鋒利邊緣的模型，當(dāng)處理的數(shù)據(jù)噪聲較大 時，這種方法會將噪聲擴(kuò)大，在計算速度方面，這種方法要優(yōu)于Smooth Fusion。該軟件可以 導(dǎo)出多種3D數(shù)據(jù)格式，包括VRML，OBJ，STL，PLY等多種主流的三維數(shù)據(jù)格式。
[0007] Geomagic Studio是Geomagic公司產(chǎn)品的一款逆向軟件，能夠?qū)呙璜@得的點(diǎn)云 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成精確的三維數(shù)字模型，并可以輸出各種行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)格式，包括STL、IGES等眾多文 件格式，該軟件是目前行業(yè)中對點(diǎn)云及曲面構(gòu)建最成熟的軟件之一。
[0008] L-系統(tǒng)實(shí)質(zhì)上就是一個并行重寫系統(tǒng)。其核心概念是重寫(rewriting)，重寫的基 本思想是根據(jù)預(yù)先定義的重寫規(guī)則(產(chǎn)生式)集不斷地生成復(fù)合形狀并用它來替代初始簡 單物體的某些部分以定義復(fù)雜物體。L-系統(tǒng)規(guī)則包括公理和產(chǎn)生式規(guī)則。"龜形解譯"是對 L-系統(tǒng)進(jìn)行圖形說明，其基本思想是將龜?shù)臓顟B(tài)定義為三元組（x，y，a)，其中笛卡爾坐標(biāo) (x，y)表示龜?shù)奈恢?，方向角a指定為龜?shù)倪\(yùn)動方向，給定步長d和角度增量δ。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009] 本發(fā)明的目的在于提供一種數(shù)據(jù)和規(guī)則綜合驅(qū)動的三維樹木精細(xì)建模方法，該方 法可形成與實(shí)際形態(tài)結(jié)構(gòu)高度相似的精細(xì)的、可靠的三維模型，為中小株型的樹木生理生 態(tài)模擬結(jié)果的評價分析提供基礎(chǔ)、使虛擬植物模擬結(jié)果具有可驗(yàn)證性。
[0010] 為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是：一種數(shù)據(jù)和規(guī)則綜合驅(qū)動的三維樹木精 細(xì)建模方法，包括如下步驟， 步驟S10:獲取樹木枝干系統(tǒng)的形態(tài)結(jié)構(gòu)特征的幾何參數(shù)、拓?fù)鋮?shù)及相應(yīng)器官的紋理 圖片； 步驟S11:根據(jù)樹木枝干系統(tǒng)的形態(tài)結(jié)構(gòu)特征參數(shù)，基于L-系統(tǒng)文法規(guī)則，提取枝干系 統(tǒng)的約束規(guī)則，采用龜形解譯算法，建立枝干系統(tǒng)的三維幾何模型并映射上紋理； 步驟S12:利用手持激光掃描儀獲取樹木冠層局部組分的點(diǎn)云數(shù)據(jù)及相應(yīng)器官的紋理 圖片； 步驟S13:運(yùn)用Artec Studio和Geomagic Studio軟件處理點(diǎn)云數(shù)據(jù)，建立樹木冠層局 部組分的精細(xì)三維模型； 步驟S14:根據(jù)樹木冠層的局部組分與整株在空間上的幾何聯(lián)接關(guān)系，運(yùn)用L-系統(tǒng)文法 規(guī)則定義拓?fù)潢P(guān)系的約束規(guī)則，將樹木冠層局部組分的精細(xì)三維模型與枝干系統(tǒng)的三維幾 何模型進(jìn)行集成，形成整株樹木的三維模型。
[0011] 在本發(fā)明一實(shí)施例中，所述步驟S10的具體實(shí)現(xiàn)步驟如下： 步驟S101:利用鋼卷尺、皮尺及測角儀進(jìn)行樹木形態(tài)結(jié)構(gòu)特征參數(shù)的量測，其參數(shù)包括 樹木高度、葉幕層厚度、冠幅、干高、干周、一級枝條長度、一級枝條節(jié)間長度、一級枝條枝干 周長、一級枝條與主干的夾角、一級枝條生長方位角、二級枝條長度、二級枝條節(jié)間長度、二 級枝條枝干周長、二級枝條與一級枝條間夾角;對于三級及以上枝條采取隨機(jī)取樣測量的 方式獲取枝干形態(tài)參數(shù)； 步驟S102:獲取樹木枝干部分紋理圖像并進(jìn)行處理，生成相應(yīng)的紋理，對粗糙不平特征 的樹皮生成相應(yīng)的法向紋理。
[0012] 在本發(fā)明一實(shí)施例中，所述步驟S11的具體實(shí)現(xiàn)步驟如下： 步驟S111:基于L-系統(tǒng)文法的公理語法規(guī)則，根據(jù)獲取的干高、干周、一級枝條的節(jié)間 長度及樹木的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)信息，定義公理； 步驟S112:基于L-系統(tǒng)產(chǎn)生式