苹果树冠层三维重建及可视化计算方法研究

发布时间：2020-08-18 09:55

【摘要】：苹果树是我国栽培面积和产量最大的果树树种,苹果树种植是农业生产的重要组成部分,也是农村经济收入的重要来源。适宜的树形结构、合理的冠层光分布对提高果树光合利用效率,提升果树的产量和果品质量以及有效防治病虫害有重要的促进作用。选择合理的树形和改善树冠分布一直是果树学研究的核心问题之一,然而却面临着相关树形冠层的定量化计算分析方法技术和软硬件工具匮乏的问题。近年来随着信息技术的发展,由植物学、数学、计算机图形学等多学科交叉的虚拟植物技术迅速发展起来,利用三维数字化技术,基于实测数据构建果树冠层三维结构模型并进行可视化计算,从而作出精准的分析和评价,是有效提升果树科研和生产定量化水平的途径,是当前果树研究的热点和难点之一,具有重要的理论研究价值和生产实践指导意义,同时,在果园自动化管理、品种培育、农技虚拟培训等领域,展现出广阔的应用前景。为解决基于三维冠层模型的苹果树定量化计算分析的问题,本文主要开展苹果树冠层三维重建、语义特征表达、可视化计算方法研究,并集成研发虚拟修剪培训软件系统,具体内容如下:(1)综合利用三维数字化、三维激光扫描等技术手段和设备,并结合人工测量等方式,系统获取苹果树一个生长周年的冠层三维结构化数据,建立了基于多尺度信息融合的果树形态结构获取方法和流程,实现对苹果树三维冠层结构生长周年的连续观测和数据获取,为三维冠层重建提供精确的数据基础。(2)提出一种基于点云的果树冠层精确三维重建方法。首先,基于致密点云的拓扑结构来解决具有复杂分枝结构的果树冠层点云中的连通拼接错误闭环、细小枝条缺失以及枝条半径精确求解问题,从而实现落叶期果树冠层精确重建;然后,根据叶冠点云的局部和全局特征,提出椭球分层的点云密度收缩算法实现器官点云分离,从而实现冠层叶片的快速自动重建;最后,构建基于物理的模型实现点云的变形与编辑。结果表明该方法能够正确识别出的叶片数占冠层总叶片数的90%以上,叶面积指数的正确率大于95%,叶片倾角偏离5°以内的叶片数占总叶片数的90%以上。提出一种基于物理的植物三维扫描点云模型变形算法,对一株果树点云模拟风吹的变形模拟,变形动画比较平滑,为果树风吹落果虚拟仿真研究提供技术支撑。(3)提出一种基于四层域图的果树冠层结构语义模型及重建方法,解析不同树形苹果树冠层分层语义特征,利用图域理论,构建苹果树树冠分层、分形、分域及有向树连通的语义关系模型,基于统计理论,构建枝干分布数学模型及叶片分布模型,从而实现冠层三维结构快速重建。由模型构建的不同树形冠层三维模型和人工测量数据对比,构建的模型总枝量误差率小于8%,长枝比和短枝比误差率均小于5%,总叶片数误差率小于6%,表明本文方法具有较好的适应性,能够为树形分析、整形修剪及虚拟仿真实验研究提供有效的参考。(4)利用果树三维冠层模型,构建基于Z-buffer算法的冠层太阳直射光和有效辐射(PAR)传输模型,构建基于Turtle的天空散射光和有效辐射传输模型,实现一种基于三维的果树冠层光分布计算方法,和实测数据进行算法验证,在a=0.05水平下P值为0.948。对苹果树不同树形冠层结构光分布三维可视化计算模拟,对比分析我国广泛种植的三种树形的苹果树冠层结构,结果表明,冠层叶片接收的光合有效辐射空间分布差异较大,同比叶面积占有率,所有树形PAR的占有率均由上至下依次递减,开心形苹果树树冠PAR分布主要集中在中间部位,而疏散分层形和自由仿锤形根据其主枝分布规律,其冠层PAR在冠层中上部基本平均分布,且上部的叶面积的比率明显增大。(5)基于Agent软件架构思想和技术,整合果树冠层建模方法和光分布计算方法,开发苹果树建模及可视化计算服务原型软件系统(Apple_vcss),集成苹果树冠层三维重建、语义特征表达、可视化计算分析等功能模块,面向虚拟修剪技术培训等典型应用提供交互式软件工具。从系统运行效果来看,本文研发的苹果树三维建模和三维可视化计算技术算法能够有效地应用于虚拟辅助修剪系统中,为虚拟修剪过程提供修剪操作的实时交互、修剪效果可视化展示、修剪决策的定量化计算分析,从而为果园管理、品种培育、农技虚拟培训等领域的研究和应用提供软件工具。
【学位授予单位】：北京林业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：S661.1;TP391.41
【图文】：

技术路线图,冠层,点云,相关软件工具

贯穿本文研究过程，模型参数获取和计算效率尽量节省人力成本，所建模型逡逑精度满足农业研究需要，利用构建的模型开发相关软件工具，具有实用、可移植逡逑性和较强的应用前景。本文采用技术路线如图１－１所示。逡逑使用三维数字化仪、三维扫描仪等设备，并结合人工测量等手段，系统获取逡逑苹果树一个生长周年的冠层三维结构化数据，总结出多尺度的果树冠层形态结构逡逑获取方法及器官模板库的构建方法。分析冠层点云数据特征，利用Ｌａｐｌａｃｉａｎ算法逡逑及点云密度收缩算法，研宄基于点云的果树冠层精确重建方法。分析冠层层域语逡逑义特征，研究基于图域的冠层参数化建模方法，构建基于统计的枝干分布数学模逡逑型及叶片分布数据模型，实现基于域图语义的果树冠层快速重建。构建基于质点－逡逑弹簧系统的物理约束模型用于控制果树冠层点云物理变形，为果树风吹落果虚拟逡逑仿真研宄以及果树树形整形、拉枝仿真模拟提供技术支撑。逡逑结合重建的果树三维冠层模型

照片,果园,照片

从而提高果树冠层结构三维重建的精度和效率，具有很大的研宄价值和广逡逑泛的现实意义。本章首先依据树冠构成、生长特点，分析几款常用的三维数据获逡逑取设备的技术指标及在开展果树数据获取时的技术方法细节，并综述了相关数据逡逑处理方法，然后结合苹果树物候生长特点，提出一种基于多尺度信息融合的果树逡逑形态结构获取方法，该方法能够对苹果树进行连续数据获取，实现一个生长周年逡逑的三维冠层重建，为冠层光分布计算分析研究提供系统的数据支撑，最后分析果逡逑树三维数据获取方法的优势和局限。逡逑２．１试验果园简介逡逑本文试验地点为北京昌平中日友好观光果园（北纬４０．２４，东经１１６．３１），该逡逑果园主要种植苹果树，占地５００余亩，是基于北京市昌平区政府与日本国青森县逡逑板柳町政府签订的苹果技术交流友好协议为基础建立的标准果园。果园自然环境逡逑属温带季风气候，夏季高温多雨，冬季寒冷干燥，土壤为褐土，灌溉条件较好，逡逑生长良好，管理水平较好。本文选取的试材为６－１５年生的红富士苹果树（Ｆｕｊｉ），逡逑南北行向，株行距为３ｍ＊５ｍ。逡逑

三维数字化仪,发射器,定位装置,探针

（ａ）逦（ｂ＞逡逑图２－２三维数字化仪ＭｉｃｒｏＳｃｒｉｂｅ，邋（ａ）设备结构，（ｂ）设备原件组成逡逑Ｆｉｇ．邋２－２邋Ｔｈｒｅｅ邋ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ邋ｄｉｇｉｔｉｚｅｒ邋ＭｉｃｒｏＳｃｒｉｂｅ，（ａ）ｔｈｅ邋ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ邋ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ，（ｂ）ｔｈｅ邋ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ逡逑ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ逡逑本文研宄过程中使用的两款三维数字化仪是ＭｉｃｒｏＳｃｒｉｂｅ和３Ｓｐａｃｅ邋Ｆａｓｔｒａｋ。逡逑其中，ＭｉｃｒｏＳｃｒｉｂｅ俗称“威力手”，是由美国ｉｍｍｅｒｓｉｏｎ公司研发的小型三维数逡逑字化仪设备，其由三段炭纤维臂构成，其工作球面直径为１．２７ｍ，精度０．３８ｍｍ。逡逑设备的主要构成包括探针和脚踏板，如图２－２所示。３ＳｐａｃｅＦａｓｔｒａｋ是美国Ｐｏｌｈｅ逡逑ｒｎｕｎｓ公司生产的三维运动跟踪仪，该设备采用的是电磁原理，使用时要避免金属逡逑等电磁干扰物体，另外，在设备使用时要避免设备电缆线相互交错缠绕（Ｐｏｌｈｅｍｕｓ逡逑ｅｔａｌ．，２０００）。其使用扩展发射器后，测量范围可达４ｍ的球形半径距离，精度为０．逡逑０８ｃｍ

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