[發(fā)明專利]一種藤蔓類植物的三維模型建立方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201210364645.4
• 申請日: 2012-09-26
• 公開（公告）號: CN102930596A
• 公開（公告）日: 2013-02-13
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 陸聲鏈;郭新宇;肖伯祥;王傳宇;吳升
• 申請（專利權(quán)）人: 北京農(nóng)業(yè)信息技術(shù)研究中心
• 主分類號: G06T17/00
• 分類號: G06T17/00
• 代理公司: 北京路浩知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11002
• 代理人: 王瑩

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一般的三維測量數(shù)據(jù)處理或三維圖形產(chǎn)生，尤其涉及一種基于三維數(shù)字化數(shù)據(jù)的藤蔓類植物的三維模型建立方法。

背景技術(shù)

為建立植物的三維形態(tài)結(jié)構(gòu)，部分研究者提出了基于形態(tài)特征參數(shù)的三維植物建模方法，這種方法首先通過獲取植物器官和植株上的形態(tài)特征參數(shù)，基于這些參數(shù)建立植物主要器官的參數(shù)化幾何模型，基于各個器官的幾何模型，結(jié)合植物的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)特性，通過某種隨機(jī)方法或交互式設(shè)計方法組合各個器官形成植物整體結(jié)構(gòu)的三維造型。這種方法中由于植物器官具有極為復(fù)雜的外形輪廓，通過少數(shù)幾個參數(shù)描述的幾何模型很難重建與真實器官表面形態(tài)十分貼近的三維模型，同時在組合器官幾何模型的過程中，方向、角度、大小等的偏差，最終所建立的三維植物模型的精度不高，與真實植物的形態(tài)結(jié)構(gòu)存在較大的差距。

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，如器官的著生位置、方位角、傾角、長度、寬度、半徑等，并基于這些信息重建植物形態(tài)結(jié)構(gòu)的三維模型，具體地，這種方法通過采集得到的植物莖干、枝條的空間特征信息，建立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、果實等器官的三維形態(tài)可以通過從這些器官上采集得到的形態(tài)參數(shù)，結(jié)合參數(shù)曲面技術(shù)進(jìn)行重建；最后將葉子和果實器官的三維形態(tài)放置到枝干三維模型上，即可實現(xiàn)植物形態(tài)的三維重建。這種方法中由于三維數(shù)字化儀每次僅能夠獲取一個空間點，基于這些植物器官表面少量特征點重建的三維模型的精度受到影響，特別是對具有較為明顯的卷曲、褶皺等形態(tài)特征的葉子、果實等器官，其空間形態(tài)難以僅僅通過少量幾個空間特征點進(jìn)行重建。因此重建的植物三維模型中，冠層葉子的曲面網(wǎng)格的準(zhǔn)確性和精度都有待提高。

也有研究者利用三維激光掃描儀獲得植物表面的空間數(shù)據(jù)點（一般稱為點云數(shù)據(jù)），然后從這些點云數(shù)據(jù)上重構(gòu)植物器官或植株的三維模型。由于三維激光掃描儀能夠快速地植物表面的大量空間點，從而能夠更加精確地測量或重建植物的外形輪廓結(jié)構(gòu)。但由于植物冠層中器官眾多，遮擋問題嚴(yán)重，因此部分人僅用來獲取植物單個器官（如果實、葉子）的三維點云并重建器官的三維網(wǎng)格模型，此外，也有部分研究者基于大型三維激光掃描儀具有的測量范圍大、測量速度快等優(yōu)點，將其用于高大樹木的三維重建，這樣重建得到的三維植物冠層結(jié)構(gòu)與真實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。而如果使用小型激光三維掃描儀逐個獲取器官的點云數(shù)據(jù)并重建器官的三維模型，則重建整株植物的三維形態(tài)結(jié)構(gòu)需要大量的數(shù)據(jù)采集，以及繁瑣的后期曲面拼接處理工作。

部分研究者則結(jié)合三維數(shù)字化儀和三維激光掃描儀的各自優(yōu)勢，提出了綜合采用兩種設(shè)備進(jìn)行植物形態(tài)數(shù)據(jù)測量并進(jìn)行植物形態(tài)結(jié)構(gòu)的精確重構(gòu)。該方法在進(jìn)行枝干空間特征點采集時，由于只對植物主莖和葉柄進(jìn)行特征點采集，并用葉柄的朝向控制后期植株重建時放置的葉片網(wǎng)格模型的方向，但葉柄的朝向僅指定了葉子的方位角，而無法確定葉片的傾角，即葉片與地面的夾角，因此采用該方法重建的植株三維模型中，每個葉片的葉傾角都是相同的（或隨機(jī)確定），而這顯然與真實植物的葉子空間姿態(tài)不符，從而造成重建的植株模型中，冠層投影面積、葉面積指數(shù)等統(tǒng)計數(shù)據(jù)與真實植株存在較大誤差，極大降低三維重建的質(zhì)量，并影響進(jìn)一步進(jìn)行植物冠層生理指標(biāo)計算的準(zhǔn)確性。

發(fā)明內(nèi)容

（一）所要解決的技術(shù)問題

本發(fā)明通過提供一種藤蔓類植物的三維模型建立方法，提高建立三維模型的準(zhǔn)確性和精度，降低了數(shù)據(jù)采集量，減少植物三維模型建立所需要的數(shù)據(jù)獲取時間。

（二）技術(shù)方案

一種藤蔓類植物的三維模型建立方法，包括以下步驟：

S1、獲取藤蔓類植物的藤蔓、葉片和葉柄的形態(tài)特征信息；

S2、根據(jù)葉柄在藤蔓上的著生節(jié)位將葉片分為3個著生節(jié)位區(qū)間，每個著生節(jié)位區(qū)間選取若干個葉片并進(jìn)行三維掃描，用來建立所述藤蔓類植物葉片的三維模型；

S3、建立所述藤蔓類植物的藤蔓和葉柄的三維模型；

S4、根據(jù)所述藤蔓類植物的藤蔓、葉柄和葉片的三維模型建立所述藤蔓類植物的整體形態(tài)三維模型。

所述步驟S1具體包括：利用三維數(shù)字化儀分別獲取所述植物的藤蔓、葉片和葉柄的形態(tài)特征信息。