数字植物研究进展：植物形态结构三维数字化

数字植物围绕农林植物生命、生产和生态系统的多维信息高效感知和认知的理论、技术和方法，通过多学科交叉合作，研究农林植物-环境3D数字化、高通量信息获取、情景感知、信息融合、结构和功能模拟、数字化设计和精准管理决策等数字农业的关键性、基础性以及共性理论和技术问题。植物形态结构的三维数字化是数字植物研究的重要组成部分，近年来很多学者从植物组织、器官、植株和群体等不同尺度，或者从植物根系和地上部等不同视角，围绕植物形态结构的参数测量、几何结构解析、三维模型构建、结构与功能建模，以及三维植物模型真实感展现等需要，开展了更深入的研究。在组织尺度方面，随着MRI、CT、显微成像等技术产品的不断成熟，使得利用这些先进测量仪器获取和测量植物组织内部结构数据成为可能，并被越来越多的研究者采用，成为进行植物内部形态结构测量和分析的有效手段。在植物根系的三维数字化方面，由于植物的根普遍生长在土壤里，观察和测量十分困难。虽然近年来XCT、MRI等穿透射线成像技术已越来越多地用于根系的形态结构探测，但这类技术往往仅能获取范围较小的根系局部数据，且价格昂贵。因此植物根系形态结构的准确、无损（原位）、快速测量仍然是一个挑战。在群体尺度方面，基于实测数据的三维重建逐渐成为植物群体三维重建的主要途径，研究者正试图从激光三维扫描仪获取的植物群体三维点云中提取群体的形态参数并实现群体的三维重构。而在三维植物模型的真实感绘制方面，如何准确地测量各种植物器官的光学特性并建立相应的数学模型是当前的研究重点，虽然已有不少研究者提出了相应的解决方案，但这些方法在便捷性和普适性方面仍然难以令人满意，有待更多深入研究。笔者最后结合相关领域的技术进展对数字植物的进一步研究进行了展望。  

虚拟植物的研究内容及实现技术综述

本文在阐述虚拟植物研究意义的基础上，介绍并分析了几种常用的植物建模方法及其相关软件，探讨了基于数字图像处理技术的作物模型构建法。最后，提出了虚拟植物研究中存在的问题，对该领域的发展趋势进行了展望。  

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。  

基于立体视觉的郁闭林分主要测树因子的重建

为解决林木图像由于树冠相互遮挡而难于匹配的问题,将立木分为枝下高与树冠高两部分,使用枝下高图像用立体视觉方法重建枝下高不同部位的直径与倾角,以此为基础估计树冠高部分,进而得到树木高度。同时,在不增加图像处理计算量的情况下,派生材积等间接测树因子。通过与干曲线的结合,解决了由于树冠遮挡难于用视觉方法重建主要测树因子的难题。试验地包括银杏、水杉两个树种。与实际树高相比,重建树高中最大误差是4.4%,最小误差为0.7%,在此基础上计算的材积最大、最小误差分别是4.7%和2.1%。与干曲线结合的立体视觉重建策略在恢复郁闭林分中的测树因子是可行的。  

果树剪枝机械化及自动化研究进展

整枝修剪是果园生产中最为耗时耗力的作业环节,整枝修剪对水果生产具有重要意义。随着现代果园种植规模扩大,技术工短缺、成本增加等问题突出。果树枝干复杂性、剪枝技术性和不可逆性等问题导致剪枝机械发展缓慢,成为限制水果生产重要因素之一。文章阐述目前国内外果园剪枝机械分类,相关机械结构、工作原理和剪枝效果,重点介绍新兴虚拟剪枝技术,论述其发展现状和相关技术,对剪枝机械发展趋势提出展望。  

在MATLAB环境下实现膨胀土CT图像的三维重建

首先介绍国内外膨胀土三维重建的研究状况,然后通过CT-三轴试验和基于分割的Marching Cubes算法,对膨胀土CT扫描图像进行了三维重建.主要方法是通过对试验扫描得到的CT图像进行格式转换、图像增强、边缘提取等初步处理,生成三维体数据,然后应用Matlab等工具软件的三维重建程序进行建模,最终得到膨胀土的三维模型图.还通过观察重建后的实体图,对膨胀土受压变形状态进行了定性分析,得出了三轴压缩条件下的膨胀土闭合程度与应力状态有关的结论.  

混凝土裂纹结构三维重建可视化研究

依靠混凝土的CT图像信息,可以准确地展示混凝土内部裂纹结构。运用Amira 5.2.1软件,将CT原始图像信息进行了混凝土裂纹结构的三维重建研究。实验表明:所建立的混凝土三维模型骨料分布基本符合原始CT图像,裂纹空间形态较清晰,实现了裂纹的可视化,能够比较真实地展示混凝土材料的内部裂纹结构。三维重建图可看到骨料分布比较均匀,裂纹连接了部分原始孔隙,且主要出现在边部。  

基于单目视觉和激光扫描技术的油菜植株模型重建及株型参数测量

分别采用单目视觉和激光扫描技术对2个油菜品种中双6号和华油杂62号的植株进行三维重建,并在重建模型上完成了对株高、叶柄长、叶片长度和叶片面积等4个株型参数的测量。结果表明:使用单目视觉和激光扫描技术的重建结果均能真实地表现油菜植株的整体形态,叶片间无遮挡的中双6号油菜植株效果更好,测量误差在2.00%以内;形态复杂叶片间部分遮挡的华油杂62号油菜植株测量误差在3.00%以内。模型重建试验表明,利用单目视觉和激光扫描技术能够完成复杂植株的模型重建,并实现部分株型参数的测量,可以为作物的遗传育种提供数据支持。  

基于三维点云的玉米果穗几何建模

果穗是玉米产量的构成器官,为构建高精度玉米果穗几何模型,提出了一种基于三维点云数据的玉米果穗几何建模方法。针对玉米果穗形态结构特征,选取Artec Spider三维扫描仪搭建玉米果穗点云数据快速获取系统并获取果穗点云,然后通过点云配准、重采样和孔洞修补操作得到高质量果穗三维点云,最后基于Voronoi图的网格重建方法重构果穗网格模型。结果表明,所重建的玉米果穗具有较高的真实感,且与基于计算机视觉算法相比精度大幅提高。基于三维点云的玉米果穗几何建模对于玉米果穗的种质资源保存、基于三维数据的果穗考种、玉米器官三维模板资源库构建等工作具有重要的推动作用。  

鲫鱼肝组织细胞核电镜图像三维重建的研究

[目的]将电镜三维重建技术引进到水产学和水生生物学研究领域。[方法]利用连续超薄切片电子显微镜技术对正常状态下鲫鱼肝组织细胞核超微结构的进行观察和连续拍照，并利用计算机三维重建技术对连续拍照的图片进行三维重建。[结果]使用Recon—struct软件，成功地对基于连续超薄切片的鲫鱼肝细胞核电镜图像进行了三维重建。[结论]使用电镜三维重建技术进行细胞超微结构的三维重建是可行的。