园艺植物可视化研究进展

园艺植物是农林植物的重要组成部分, 其可视化研究可应用于园林设计、作物疾病的监管以及产量预测等方面。综述了近年来园艺植物可视化的研究进展,首先探讨了园艺植物拓扑结构模拟现状,然后从参数化建模、基于图像的三维重建和基于测量数据的三维重建和交互式设计四个方面介绍了园艺植物形态建模的研究进展,阐述了应用于园艺植物真实感绘制方面的技术,并对园艺植物可视化的发展趋势进行了展望,对研究者开展相关领域的研究具有一定的参考和指导意义。     

基于多视角图像的植物三维重建研究进展

快速重建植株三维结构并以三维可视的方式分析研究农作物的形态结构和生长过程、进行表型测量是数字植物及作物育种研究的热点和难点。概述了植物三维重建的研究现状和主流植物三维重建技术,并对各种技术的方法原理和技术优势进行了分类和对比;重点介绍了基于多视角图像三维重建方法 SFM和MVS的研究进展、技术原理以及相关软硬件系统平台;分析了近几年基于多视角图像三维重建方法在植物三维重建中的应用进展,基于多视角图像三维重建方法具有数据获取成本低、获取点云精度高、植物三维重建质量高等技术优势,同时指出了该技术方法的不足之处和未来技术发展趋势,以期为植物三维重建技术的发展、植物表型组学的研究以及低成本高通量设备的研制提供有益参考。     

植物三维形态交互式设计软件需求分析探讨

数字植物是当前植物学研究的热点问题之一,植物三维形态结构建模是数字植物研究面临的首要问题,三维形态交互式设计是实现数字植物形态结构建模的重要技术手段之一。而面向科学研究、高校教学、品种推广、技术培训、虚拟仿真不同应用领域,对植物三维形态交互式设计软件产生不同的需求。本文对植物三维形态交互式设计任务和目标进行分析,并结合现有研究成果和应用实例,对相应的植物三维形态设计系统软件的系统设置、形态设计、动态模拟、可视化展示与计算等方面的需求进行探讨,以期为植物三维形态设计乃至植物虚拟仿真技术提供技术参考。     

曲面建模方法在数字植物中的应用与展望

利用曲面建模方法实现植物形态结构的三维重构和真实感显示是数字植物研究的基础工作.本文对近年来曲面造型理论和技术的发展进行了介绍,着重阐述了参数曲面建模和隐式曲面建模技术在植物形态建模中的应用,分析了相关技术的各自优势,并对基于多边形网格的几何建模方法中一些新曲面造型技术在数字植物几何建模中的应用趋势进行了讨论,最后对曲面建模方法与数字植物研究的结合进行了展望.     

作物根系构型三维探测与重建方法研究进展

根系是作物获取水分和养分的重要器官,由于土壤的观测阻碍,根系三维形态的认知与表达成为作物根系深入研究的瓶颈。三维数字化、可视化是研究和认知作物形态结构的重要方法,研究具有表征根系长相长势及土壤中水分、养分等物质对作物根系构型的影响具有重要意义。本文从三维角度,综述了近年来作物根系构型探测手段、三维重构与可视化方面的研究进展。首先从破坏性探测与原位探测两方面介绍了近年来根系构型三维探测的方法。破坏性探测主要包括直接挖掘法、土块保护挖掘清洗法和平板扫描图像分析法,破坏性探测方法在获取全局或局部根系拓扑结构与平面几何构型参数方面具有较大优势;原位探测方法主要包括土壤中安置观察装置法、地面穿透雷达法、特殊培养环境法、CCD相机法、三维数字化方法及穿透射线成像法等,作物根系的原位探测保持了根系构型的空间分布信息,但大部分方法仅能针对作物生长初期或可控生长环境下的作物根系开展数据获取。由于作物根系探测数据大多以局部二维图像形式存在,文章综述了基于二维图像的作物根系平面几何构型解析的相关内容,包括基于二维图像的根系识别与参数提取的算法与相关软件。分析表明,目前作物根系数据获取仍存在:(1)数据获取费时费力;(2)方法局限性大;(3)数据完整性低;(4)各种方法所获取数据融合应用度低等问题。在根系探测的基础上,从三维建模与生长建模两方面介绍了作物根系三维建模与可视化方面的相关工作。其中,根系三维建模包括了基于模拟算法的几何建模和基于原位探测的三维重建两部分,基于模拟算法的几何建模是在人们对作物根系认识的基础上,结合计算机模拟算法,构建与实际根系具有形态相似性的根系三维几何模型;与之相比,基于原位探测的三维重建更能真实地反映作物根系的实际形态,其主要包括XCT、三维数字化等方法。最后,文章展望了数据缺失条件下的作物根系三维重建研究,认为在目前技术手段前提下,已可实现根系拓扑结构三维解析,但根系的空间分布重建难度较大,尤其是在大田环境下作物根系原位测量的前提下;此外,目前作物根系三维数据主要存在着数据缺失、各种数据各为己用等问题,认为有必要将小子样理论与数据融合相关方法引入到作物根系三维重建研究,实现缺失数据条件下有效利用多种数据获取手段的作物根系三维重建。     

作物生长实现数字化分析

本项目研究人员经努力实现了玉米、水稻实株型结构数字化设计，为超高产育种、资源高效利用提供了先进的高新技术研究手段。提出了一种植物拓扑结构建模方法和基于结构一功能模型的虚拟植物生长的体系架构，建立了基于数字化技术的植物形态结构信息采集系统与植物器官形态描述模型，对玉米、水稻等主要农作物形态进行了三维数字化测定，构建了器官形态描述模型与参数库，实现了叶片生长过程中的3维空间取向规律与冠层空间光分布的3维模拟的定量分析，并基于双尺度自动机和马尔可夫过程原理，构建了根系生长的模拟模型。     

植物三维形态数字化设计评价指标体系探讨

 针对植物可视化建模与数字化设计技术及软件工具研发中存在的目标不明确、流程不统一、技术不规范、难以量化评价等问题,结合植物三维形态结构、形态建成过程特点和软件工程技术标准,探讨了当前植物三维形态数字化设计目标以及应用需求,提出了植物三维形态数字化设计的功能评价指标和技术评价指标,并以模糊综合评价模型为实例阐述了评价体系的应用。     

基于点云数据的植物叶片三维重建

叶片是植物最重要的器官之一,为构建植物叶片的高精度几何模型,提出了一种基于三维点云数据的植物叶片几何建模方法。针对植物叶片形态特征,选定最适三维扫描仪进行叶片点云数据获取,通过点云的配准、简化及去噪等操作得到高质量叶片点云数据,在此基础上进行叶片网格生成与网格优化,最终得到高精度植物叶片网格模型。利用该方法分别对黄瓜、玉米和两个品种的葡萄叶片进行几何建模,结果表明,所构建的叶片模型能够较好地保持叶片形态特征,且较以前的方法在精确度和真实感方面有了较大的提高。该研究对于推动数字植物几何建模及进一步基于几何模型的可视化计算具有重要意义。     

苹果花序几何造型及可视化研究

重构出植物的三维形态是数字植物研究的重要内容之一.为了实现对苹果花及花序三维形态结构的交互设计、几何建模和真实感显示,提出了精确描述苹果花序三维形态结构的数学模型及可视化方法.通过对苹果花及花序形态结构的观测分析,分别提出了描述花柄、花托、花萼、花瓣、雄蕊和雌蕊三维形态结构的数学模型,并提取了模型的控制参数;进一步整合苹果花及花序的拓扑结构信息,实现了苹果花及花序的三维重建.为了增强花的真实感,提出了花柄、花托和花萼上绒毛的生成方法.结果表明,该方法可控性强,易于操作,可以精确重构出苹果花和花序的三维形态,并可实现开花过程的可视化模拟、具有较强的真实感.     

虚拟植物研究现状与建模方法分析

虚拟植物是现代数字化农业和精准农业核心部分之一,在计算机、农业、林业、教学等领域应用前景广阔。根据研究策略和研究难点不同将研究对象分为地表上植物模型和根系模型2个部分。针对地表上植物(茎叶系统)模型,在阅读大量国内外文献的基础上,按研究尺度不同将各学者研究成果分为植物整体形态模拟、植物器官三维建模、植物生长过程模拟、植物结构-功能并行模拟四大类,并分别综述其研究现状;针对根系模型,从农业角度出发,综述常见农作物根系生理生态模型的研究进展。综合以上植物模型的研究方法,对虚拟植物建模方法进行总结分析。最后简述了虚拟植物研究重点与难点并对其发展趋势进行展望。     

基于参数L-系统的温室番茄植株的三维重建

研究利用参数L-系统对温室番茄植株的生长过程进行快速高效的三维可视化仿真的方法。首先根据番茄植株的生长特点从图像中提取植株骨架,分析其拓扑结构,总结出番茄植株生长的参数L-系统公式集,然后利用图像与计算机图形学相结合的方法,对公式集进行图形符号解释,模拟再现番茄植株的生长过程。为了保证真实性,重建的虚拟番茄植株的茎干骨架利用来自Kinect数字化结果的真实番茄植株的茎干样本进行绘制;叶片采用了基于图像与图形相结合的方法重建,花和果实用纯图形学方法进行模拟。在VC++平台上,结合OpenGL图形库实现了可视化仿真过程。研究中所提出的方法能够较好地模拟温室番茄植株动态生长的过程,同时具备快速性与真实性。     

烟草地上部植株三维重构与可视化

【目的】实现烟草的数字化与可视化。【方法】本文采用模板技术对烟草植株进行三维重构,首先通过三维数字化仪对烟草器官进行测量和形态特征提取,然后基于形态结构特征分别建立了烟草叶片、花朵、果实和茎节等器官的参数化几何模型,保存为模板文件,最后调用相应的模板文件,结合图形变换方法拼接成完整植株几何模型。【结果】利用本文方法可方便构造烟草各主要时期的三维模型。【结论】所建立的烟草植株几何模型具有较高的真实感,为其三维形态交互设计和可视化模拟提供了技术支撑。     

植株自旋转多视角重建技术在小麦植株三维表型获取中的应用评估

基于多视角重建技术的作物三维表型高通量获取系统成本低、获取效率高，引起越来越多的关注。植物自旋转式拍摄平台易于搭建，但植物旋转过程中产生的抖动对点云三维重建和表型解析精度有一定影响。为评估旋转式多视角成像在小麦植株三维表型解析中的适用性，基于植物旋转设计了便携式小麦植株三维表型高通量采集系统，选取穗期不同品种的小麦植株作为实验样本进行点云重建，基于Hausdorff距离评价了重建点云的精度误差；并基于人工测量数据，对所提取的表型指标精度进行评价。结果表明，植物旋转式重建的点云与相机旋转式重建的点云有较高的一致性，点云精度差距基本控制在0.4 cm以下；获取的叶长、叶宽和株高的均根方误差分别为0.79、0.13和0.53 cm，平均绝对百分比误差分别为3.26%、7.63%和0.74%，表明该方式适合穗期的小麦植株表型重建，具有较高的点云重建和表型提取精度，并为小麦植株表型评价提供了一种低成本的解决方案。     

植物三维可视化研究进展

植物三维建模及其可视化系统基于植物的生理生态特性和形态特征进行研究,对于植物生长过程研究和自然景观再现均有重要意义。从基于模型的三维建模、基于图像的三维建模和基于扫描数据集的三维建模三个方面阐述了植物的三维建模研究进展,介绍了几何模型以及多个植物可视化系统软件的研究成果,总结了植物三维建模方式及其可视化系统存在的优势与不足,尤其是植物生理生态模型与形态模型可视化的耦合研究还有待完善,并对植物三维建模方式及其可视化系统的趋势进行了展望。     

基于三维数字化的玉米株型参数提取方法研究

【目的】玉米株型参数获取是玉米精确化育种和栽培研究的重要环节,研究解决玉米株型参数获取中存在的测量标准不一致、测量精度低、数据难以可视化、算法提取参数精度低等问题具有重要意义。【方法】本文利用三维数字化仪获取玉米植株骨架结构,提出玉米茎、叶、雄穗和雌穗器官三维数字化获取标准规程。通过将植株三维数字化数据旋转至与Z轴正方向平行并平移至坐标系原点进行数据标准化,进一步根据三维数字化数据位置关系,结合各株型参数的定义实现了株高、叶片着生高度、叶片最高点高度、叶长、叶宽、叶展、叶倾角及叶方位角等主要株型参数的提取,同时提出一种新的玉米植株方位平面计算方法,通过构建植株方位平面与各叶方位角角度差绝对值之和作为目标优化函数,进一步对该L1优化问题进行迭代求解得到植株方位平面,当叶数量是偶数时,方法可以给出精确的方位平面区间,在此基础上,引入dev值作为评价植株叶相对植株方位平面偏离度的指标。【结果】利用6个品种吐丝期玉米植株三维数字化数据和人工测量参数数据进行株型参数提取方法验证。结果表明,方法提取的叶长、叶倾角、方位角误差较小,RMSE分别为3.44 cm、3.41°和8.23°,叶长和叶倾角的MAPE分别为4.06%和4.72%,叶宽因叶片在叶脉垂直平面上的曲线形态不一致导致误差相对较大,RMSE和MAPE分别为0.80 cm和7.21%。与传统负方向能量均值法相比,所提出新的玉米植株方位平面计算方法给出了玉米植株方位平面更确切的定量化描述,对于玉米株型的定量评价具有一定价值。【结论】基于三维数字化的玉米株型参数提取方法为玉米株型参数的提取与分析提供了一种精确、便捷、可视的技术手段,对于玉米株型表型组学、玉米功能结构模型及玉米株型优化研究具有重要作用。     

基于功能-结构互反馈的虚拟植物建模研究

[目的]研究基于功能-结构互反馈的虚拟植物建模方法。[方法]在分析当前虚拟植物建模方法缺点的基础上,提出了基于功能-结构互反馈思想的建模方法,详细阐述了该方式建模的各个步骤,包括形态结构模型的确定、生物量生产模型的确定、生物量分配模型的确定、器官重建模型的确定以及形态结构模型与功能模型的融合方法。[结果]基于功能-结构互反馈的机制突破了生理生态模型与形态结构模型的界限,可以解决2类模型之间数据传输的困难,建立融合2者于一体的模型,能够有效的反映植物形态与功能之间内在的关联关系,更加符合植物的生长机理。该建模方式在动态模拟植物生长方面具有显著的优越性。[结论]基于功能-结构互反馈的虚拟植物建模方法为下一阶段植物生长状态的模拟提供了基础,对动态准确的模拟植物的生长过程有着重要意义。     

基于功能-结构互反馈的虚拟植物建模研究

[目的]研究基于功能-结构互反馈的虚拟植物建模方法。[方法]在分析当前虚拟植物建模方法缺点的基础上,提出了基于功能-结构互反馈思想的建模方法,详细阐述了该方式建模的各个步骤,包括形态结构模型的确定、生物量生产模型的确定、生物量分配模型的确定、器官重建模型的确定以及形态结构模型与功能模型的融合方法。[结果]基于功能-结构互反馈的机制突破了生理生态模型与形态结构模型的界限,可以解决2类模型之间数据传输的困难,建立融合2者于一体的模型,能够有效的反映植物形态与功能之间内在的关联关系,更加符合植物的生长机理。该建模方式在动态模拟植物生长方面具有显著的优越性。[结论]基于功能-结构互反馈的虚拟植物建模方法为下一阶段植物生长状态的模拟提供了基础,对动态准确的模拟植物的生长过程有着重要意义。