基于三维激光扫描技术的粮食储量监测系统的设计与试验

为实现仓储粮储量在线实时监测,该研究开发了一种基于三维激光扫描技术的粮食储量在线监测系统。采用自主研制的倒置式粮仓专用型三维激光扫描仪对储粮进行扫描,通过上位机通讯、采集点云数据并控制扫描仪的工作过程,应用粮食体积计算软件实时计算储粮体积和数量,从而解决了仓储粮储量快速高精度监测的问题。使用该系统在中储粮某直属库进行系统验证试验,结果表明,测量得到的粮食体积满足最大误差不超过1%的技术指标,且经过多次试验检验,系统具有较好的稳定性、测量精度高、操作简便等优点,能够满足仓储粮储量监测的要求。该研究为实现仓储粮储量的快速实时在线监测提供了有效的方法。     

植被季相变化对三维激光测量切沟地形的影响

植被对地面的遮蔽和地形的复杂性,使高精度数字高程模型(DEM)的制作难度较大.黄土高原丘陵沟壑区地形破碎,植被复杂,且植被情况在生长季和非生长季存在较大差异,本文主要分析植被季相变化和不同滤波插值方法对DEM的影响.以陕西绥德桥沟为研究区,基于2018年9月和12月的2次实地测绘的点云数据,经过植被滤波和插值,对比2次...     

基于三维激光扫描的水稻种子离散元建模及试验

在采用离散元法进行精量播种、收获、清选等关键部件的工作过程仿真分析时,需要建立与物料真实形态逼近的三维离散元颗粒模型。目前非规则形状物料常规建模方法是将其近似处理为规则体,导致仿真精度降低。该文以水稻为研究对象,提出一种基于三维激光扫描建立水稻等非规则颗粒材料的三维离散元建模方法,运用三维激光扫描技术获取其点云,利用自动化逆向工程软件Geomagic Studio和SolidWorks对种子进行点云处理和逆向建模,得到种子轮廓模型及其空间坐标信息,并基于颗粒聚合体理论建立水稻种子的三维离散元模型。通过离散元分析软件EDEM分别对三维激光扫描的水稻种子离散元建模和常规椭球体处理离散元建模条件下水稻种子的自然休止角进行仿真测定,并与实际水稻种子自然休止角测定试验结果进行对比分析,得出2种建模方法所得自然休止角与实际试验结果的误差分别为0.24%和8.83%,证明了基于三维激光扫描的水稻种子离散元建模方法的有效性和可行性。该建模方法为提高非规则物料离散元仿真精度提供了一种新手段。     

基于三维点云的植物多任务分割网络

在植物表型研究中,植物器官分割是实现无损、高通量、自动化表型测量的重要步骤。然而,现有植物器官分割方法通常需要凭借经验设置合理的阈值参数,且很少同时执行语义分割和实例分割。该研究提出了一个基于三维点云的植物多任务分割网络（a multi-task segmentation network for plant on 3D point cloud,MT-SegNet）,结合多值条件随机场（multi-value conditional random field,MV-CRF）模型,同时实现茎、叶语义分割和叶实例分割。在MT-SegNet中,为解决用最大池化或平均池化方法来聚合邻域点特征可能会导致重要信息丢失的问题,该研究提出了一种基于注意力机制的多头注意力池化模块。它能自动学习到重要的邻域点特征,从而有利于提高网络的分割性能。同时,MT-SegNet分成两个不同的分支,分别用于预测点的语义类别和将这些点嵌入到高维向量,以便将这些点聚类为实例。最后,使用MV-CRF进行多任务的联合优化。在彩叶芋点云数据集上的试验结果表明,该方法的茎、叶语义分割的交并比、准确率、召回率和F1分数的平均值分别为84.54%、93.64%、91.39%、92.48%,叶实例分割的平均准确率、平均召回率、平均实例覆盖率和平均加权实例覆盖率分别为88.10%、78.44%、76.24%、76.93%,均优于PointNet、JSNet等现有的深度学习网络。该模型也适用于类似植物的点云分割类任务。这有助于为植物自动化表型测量提供必要的技术条件。     

基于三维点云数据的花瓣形态及生长过程模拟

目前对于虚拟植物的研究多是通过图形建模来模拟植物的生长变化,计算复杂且操作不灵活。随着三维扫描和点云重建技术的发展,为复杂植物形态可视化提供了新的手段。论文基于三维扫描的植物点云数据模型,研究了植物花瓣的形变和生长过程模拟。利用三维扫描仪获取植物花瓣的生长序列,采用MATLAB根据实测点云数据拟合植物生长函数曲线,最后将传统花卉生长模拟与点云模型的自由变形相融合,提出了依据实测点云数据通过点云模型变形算法模拟花卉植物动态生长的方法。该方法不仅能够保留花卉植物复杂的形态特征,而且使形变控制简单,模拟的花瓣形态及生长真实自然。此外,该方法还与基于物理的模拟方法进行比较,并利用拟合回归分析、实测花瓣数据与重建数据间误差对该方法的准确性进行了分析。结果显示花瓣生长期内决定系数达0.75以上及平均误差控制在2mm以内,研究结果为花卉植物的生长形变模拟提供了参考。     

田间作物群体三维点云柱体空间分割方法

农田作物群体表型信息对于研究作物内部基因改变和培育优良品种具有重要意义.为实现田间作物群体点云数据中单个植株对象的完整提取与分割,以便于更高效地完成作物个体表型参数的自动测量,该研究提出一种田间作物柱体空间聚类分割方法.利用三维激光扫描仪获取田间油菜、玉米和棉花的三维点云数据,基于HSI(Hue-Saturation-...     

基于三维重构的乌鳢整皮剥离系统设计与试验

针对乌鳢脂肪层薄、皮肉分离难度大、手工剥取效率低且存在安全隐患等问题,该研究设计了基于三维重构的乌鳢整皮自动剥离系统。针对其头部、鱼身、鱼尾截面变化剧烈,表皮黏滑难以固定、臀鳍坚硬严重干扰剥皮作业等特点,采集并分析其形态特征参数,设计了装夹机构、切割机构、皮肉分离机构及剥皮终端。开发了视觉系统,对待剥皮对象进行三维重建,根据重建结果,通过算法控制、规划各执行机构路径,实现了乌鳢整皮快速、准确剥取。以单台乌鳢整皮剥离机的单尾鱼皮剥离时长、鱼皮剥取率、皮肉分离指数及鱼皮破损率为指标,对样机性能进行分析。试验结果表明：单尾鱼平均剥离时长为183 s,鱼皮剥取率均值为94.6%,皮肉分离指数均值为9.93,鱼皮破损率均值为6.25%,符合整皮剥离工艺要求。该研究结果可为鱼类整皮剥取自动化系统的研发与设计提供参考。     

基于三维点云的甜菜根表型参数提取与根型判别

为挑选产糖量高且适合机械化收获的甜菜根型,该文基于多视角图像序列,构建了207个基因型甜菜根的三维点云模型。基于三维点云提取了描述甜菜根形态特征的10个表型参数：最大直径、根长、凸包体积、顶投影面积、紧凑度、凸起率、凸起角、根头比、根尾比和根体渐细指数。与人工测定的最大直径和根长值进行校验,决定系数R2均在0.95以上。其中根长、凸包体积及顶投影面积与生产指标呈极显著(P<0.01)相关关系。采用稳定性较高的K-medoids聚类算法将甜菜根型分为4类,结合专家知识获取理想根构型的主要特征为根型中等长度、比例适中。采用线性判别、随机森林、支持向量机、决策树和朴素贝叶斯5种预测模型进行根型判别。结果表明5种根系判别模型预测准确率均在70.0%以上,随机森林判别准确率达到81.4%。研究结果将为培育高品质和适应机械化生产的甜菜品种提供依据。     

基于数字高程模型的树木三维体积测量

为了实现对树木高精度无损的三维体积测量,该文以三维激光扫描系统采集树木点云数据为依据,并运用数字化测绘成图软件对树木的点云数据建立数字高程模型,通过立体三角网的建立,利用成图软件的土方计算功能计算出树木的体积,并详细介绍了系统的计算原理。本文以试验区选定的20棵树为研究对象,采用该系统对20棵不同高度和体积的油松进行了10次重复试验,并将测量结果与人工测量结果进行了对比分析,试验结果表明与人工测量结果相一致,(标准误差δx=3.54,绝对误差限△=7.002,相对误差限E/%=3.15%,精度可达96.852%,)能够运用于树木体积的测量。     

基于三维冠层模型的玉米光合作用和光能利用模拟

光线分布和叶片光合特征在冠层内部具有极强的时空异质性,基于三维冠层模型的玉米光合模型是精确评估品种高光效的重要手段。该研究将作物三维冠层模型、光线分布模型、光合模型与光能利用模型相耦合,建立了玉米冠层光合生产模型3DMaizeCaP,设置3个不同株型的玉米品种（矮单268、京科968和郑单958）,2种不同光照条件（晴天和阴天）,通过大田试验与模型模拟研究揭示了玉米冠层光合速率和光能利用效率对品种和环境的响应。结果表明,矮单268、京科968和郑单958的叶片最大光合速率和暗呼吸速率均随节位下降呈线性降低的垂直分布规律,各品种中矮单268的最大光合速率最大,而暗呼吸速率最小;冠层净光合速率日变化趋势明显,矮单268在阴天和晴天下的冠层最大净光合速率（以CO2计）为21.6和26.2 μmol/(m2·s),均显著（P<0.05）高于京科968（20.8和24.9 μmol/(m2·s)）和郑单958（19.6和24.4 μmol/(m2·s)）;矮单268的日CO2净同化量在阴天和晴天下均显著（P<0.05）高于郑单958,增幅分别高达14.8%和12.4%,各品种间株型虽有显著差异（P<0.05）,但冠层日累积光截获并无显著差异（P>0.05）;单叶尺度上,各叶片中第16节位的单叶日净同化量达到最大;矮单268的光能利用效率最大,在阴天和晴天下分别为3.22和3.03 g/MJ,比京科968分别高4.5%和5.6%,比郑单958分别高7.7%和7.8%;初始光量子效率对玉米冠层光能利用效率的敏感性显著高于最大光合速率（P<0.05）。从提高玉米冠层光能利用效率考虑,建议设计株型紧凑、叶片光合性能强的玉米品种。研究可为定量研究玉米冠层光合速率提供估算方法,也可为高光效品种选育提供评价依据和鉴定技术。     

基于多视角自动成像系统的作物三维点云重建策略优化

为满足高通量作物表型分析需求,提升三维点云重建效率和精度,该研究针对不同作物、不同生育时期、不同植株部位(地上部和根系),基于研发的多视角自动成像系统和SFM(structure from motion)-MVS(multi-view stereo)算法,采用不同视角和不同相机数获取的图像重建作物三维点云,通过重建效率和精度(Hausdorff距离)评估,以及基于点云提取表型参数(株高、幅宽、凸包体积和总表面积)的可靠性评价,优化作物三维点云重建策略。结果显示,对于结构相对稀松、遮挡较少的盆栽植株(苗期、蕾薹期、盛花期、成熟期油菜)、结构相对紧凑、遮挡较多的植株地上部(花铃期棉花、抽穗期水稻、拔节期和灌浆期小麦)以及器官密集、遮挡严重且有较多细长结构的地上部和根系(分蘖期小麦和成熟期水稻地上部、成熟期玉米和油菜根系),分别采用3～4、6和10个相机为其最优重建策略(Hausdorff距离小于或接近0.20 cm,且重建时长和Hausdorff距离归一化值之和最小)。采用不少于4个相机获取的图像重建作物三维点云,可提取较为可靠的表型参数(决定系数R²>0.90...     

基于Cult3D的网络虚拟模型室的设计与实现

本文将Cult3D网络三维技术和网络化管理技术相结合,设计并开发出了一套网络虚拟模型室系统。该系统充分发挥了网络的资源共享性和Cult3D在动态交互、文件体积和画面质量等方面的优越性,具有较高的实用性。     

北京市西山地区栓皮栎林空间结构特征研究

以地面三维激光扫描仪作为林分资源调查的技术手段,采用"多站式"扫描方法来获取栓皮栎林标准地内林木树种、树高、胸径、胸高断面积等测树因子,利用混交度、大小比数、角尺度3个指标分析了北京市西山林区栓皮栎林样地的空间结构特征。研究结果表明:(1)栓皮栎林乔木层共包括15个树种,其中,栓皮栎种群在密度和断面积累积量方面占有明显优势,是乔木层的建群种和优势种;(2)栓皮栎林整个林分混交度较低,平均混交度0.306,各树种混交度以栓皮栎、栾树为最低,其它伴生树种以中度、强度和极强度为主;(3)栓皮栎、元宝枫、刺槐、辽东栎种群在空间结构单元中以优势木、亚优势木和中庸木为主,分别占种群总株数的64%,68%,64%和59%,其它树种优势度不明显;(4)栓皮栎林林分平均角尺度为0.528,说明该林分水平分布格局为聚集分布,但聚集程度较低。     

北京西山侧柏水源涵养林空间结构特征研究

应用地面三维激光扫描技术,采用＂多站式＂扫描方法来获取侧柏水源涵养林标准地内的林木树种、树高、胸径、胸高断面积等测树因子,利用混交度、大小比数、角尺度3个指标分析了北京西山林区侧柏水源涵养林公顷级样地的空间结构特征。结果表明：（1）侧柏林乔木层共包括21个树种,物种丰富度较高。其中,侧柏种群在密度和断面积累积量方面占有明显优势,是乔木层的建群种和优势种;（2）整个侧柏林混交度较低,平均混交度0.261,属混交不良的范畴。其中,侧柏、刺槐、火炬树以零度、弱度混交为主,分别占种群总株数的85%、58%、57%,其他伴生树种以中度、强度和极强度为主;（3）侧柏、油松、栓皮栎、元宝枫、刺槐种群在空间结构单元中以优势木、亚优势木和中庸木为主,分别占种群总株数的57%、67%、89%、66%和71%,其他树种优势度不明显;（4）侧柏林林分平均角尺度为0.542（大于0.517）,说明该林分水平分布格局为聚集分布,但聚集程度较低。     

基于轮廓分割的草莓叶片三维建模

为精确构建原位草莓植株三维空间结构,以高架栽培模式生长环境下的草莓植株为研究对象,提出了一种基于多源图像轮廓分割的草莓植株结构形态三维重建算法。通过改进的多源图像融合算法,建立多源图像映射关系,融合预处理后的多源信息得到待分割强度图;计算待分割强度图矢量场卷积的局部中心,选出多目标的初始轮廓控制点,将参数的活动轮廓模型应用于待分割强度图像进行叶片的分割;采用标记的方法将分割轮廓映射至距离点云集,设计以单个叶片为单位的平面拟合选择机制,最终完成草莓三维模型的重建及显示。为验证该算法的有效性,将三维重建后的有效叶片数,平均单叶长度及叶片距离差作为评价指标,实验结果表明,有效叶片数正确率为85.6%,平均单叶长度模型正确计算率为88.4%,叶片距离差正确计算率为82.4%,研究结果可应用于原位草莓植株的空间位置测量,可为农业机器人局部视觉场景中植株空间结构的构建提供参考。     

基于三维激光扫描的坡沟系统侵蚀产沙过程研究

为了探究野外自然坡沟系统土壤侵蚀过程,研究于黄土丘陵沟壑区典型流域辛店沟内自然坡面开展5场放水冲刷试验,利用地面三维激光扫描技术(Terrestrial laser scanning, TLS)获取高精度地形信息,并采用DEM of difference(DoD)地形变化监测方法计算产沙量,利用实测产沙量评估TLS的监测精度,并探讨了坡沟系统侵蚀/沉积的变化特征。结果表明：(1)累积场次中,DoD不确定性(即level of detection, LoD)平均值(范围)为16.5 mm(16.2～16.8 mm)。单场次中,LoD值平均值为16.4 mm(16.2～16.6 mm);(2)累积场次中,梁峁坡、沟谷坡、坡沟系统TLS扫描所得产沙量相对误差的平均值(范围)为52.63%(26.06%～106.98%),56.68%(30.26%～75.49%)和56.28%(33.37%～73.28%),与实测数据显著相关(R²>0.9,p<0.05)。单场次TLS扫描相对误差波动范围更大且平均值高于累积场次,其值分别为83.70%(4.08%～190.4...     

园林植物模型在Quest3D中的应用研究

随着计算机软硬件水平的提高和可视化技术的不断发展更新,虚拟现实技术在园林中应用的领域越来越广,对园林设计的影响也越来越大。作为主流的虚拟现实软件,Quest3D在园林表现中越来越多地被应用,而园林植物对园林设计效果的表现起着重要的作用。对园林植物模型在Quest3D中的应用提出了优化的方法,以改进和完善基于Quest3D的园林虚拟漫游系统的表现效果。