油菜地上部形态结构模型动态模拟研究

发布时间：2020-04-30 07:33

【摘要】：虚拟作物是对作物生长过程中形态结构以及影响因子与其相关关系进行模拟,并且采用计算机中的动态展示技术对其生长过程中的变化规律进行可视化表达。虚拟作物的一个重要研究方向是作物形态特征的分析与提取,目前油菜形态模型模拟包括油菜地上部形态结构研究与根系形态结构研究,本文主要利用三维扫描手段获取油菜的点云数据,并对其形态特征进行分析和测量,通过生长参数的提取分析,为油菜栽培管理、株型控制等相关研究提供依据。三维激光扫描仪的快速发展为高精度点云数据的获取提供了新的手段,本文利用三维扫描仪获取油菜植株点云数据,并建立油菜叶片曲面重构模型和油菜叶曲线模型,从两种模型可以提取油菜生长参数:叶片面积、叶长、叶倾角等完成了油菜生长形态参数的无损化测量以及生长过程的动态模拟。本文主要研究内容包括:(1)油菜叶片三维重建,本文采用以下步骤进行油菜叶片三维重建。首先对油菜叶片点云数据建立KD树并构建空间拓扑关系,并采用K-近邻算法和人机交互的方式对油菜的点云数据进行降噪处理。其次,对比分析了基于随机采样算法、基于点间距均匀分布精简算法以及基于曲率的精简算法三种方法对叶片点云进行简化处理结果,表明基于曲率的点云简化算法显著提高计算机运行效率,可以大量保留油菜叶脉和叶轮廓特征点。最后,本文基于Delaunay三角化算法对油菜叶片点云进行网格化,并提出基于点间距网格优化算法对油菜网格化结果进行优化处理,去除多余冗余边。(2)油菜叶片叶曲线拟合研究,本文采用一般二次方程、一般三次方程、Fourier函数和正弦和函数四种方程对油菜叶中脉进行拟合研究,通过验证参数对比检验,四种曲线模型拟合的判定系数(~2)都保持在0.9700以上,改进Hausdorff距离(LTS-HD)都稳定在2.0mm以内,拟合模型效果优度良好。基于拟合函数运用弧长公式,计算得到油菜叶片长度,通过对叶片模拟值与实测值的统计检验,四种函数对叶长都有很好的拟合效果,与实测值相差不大,相关系数都在0.9以上,对油菜叶长的模拟效果很好,其中正弦和函数拟合效果最好,为精准测量油菜叶长提供了较好的方法。(3)本文基于油菜三维模型和叶曲线模型,提取油菜生长形态参数:油菜叶面积、油菜叶片长度、叶倾角等,分析和比对不同时期的油菜生长参数变化,完成了油菜生长参数的动态模拟。
【图文】：

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图 1-1 技术路线图Fig.1-1 Technology Roadmap1.5 章节安排本文一共由六章组成，其具体章节安排如下：第一章，绪论部分，描述了论文的研究背景和意义、作物生长模型和形态模型研究现状、油菜生长模型和形态模型研究现状、论文的研究内容和章节安排五个方面。第二章，，研究思路和方法，内容包括研究技术路线图，试验材料和研究对象，对三维激光扫描技术和油菜试验进行介绍。第三章，油菜叶片三维重建技术研究，介绍了油菜叶片三维重建技术的关键步骤，包括油菜点云去噪，点云简化、Delaunay 三角化以及网格优化，具体研究

三维激光扫描

图 2-1 机载三维激光扫描系统图 2-2 车载三维激光扫描系统Fig.2-1 Light Detection and Ranger(LiDAR) Fig.2-2 car 3D laser scanning system图 2-3 地面三维激光扫描仪图 2-4 手持式三维激光仪Fig.2-3 Ground 3D laser scanner Fig.2-4 Handheld 3D laser scanner基于三维激光扫描仪的特点，国内外一些公司分别研发了不同的激光扫描系统，表 2-1 为几种常见的三维激光扫描系统及其参数介绍。
【学位授予单位】：华中农业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TP391.9;S565.4

【参考文献】