基于可视化类库的植株三维形态配准方法及点云可视化

精确的植物三维静态形态结构模型有助于植物空间结构相关的各种研究,是虚拟植物、植物建模等问题研究的一个重要方面。研究植物生长过程中的三维信息的获取可以获得作物生长过程中各参数的动态数据,可为精细农业植物生长模型建立等提供依据。该文以植物为研究对象,介绍了虚拟植物及植物三维可视化的研究现状,讨论了植物叶片三维可视化的可行性及必要性。针对植物三维点云的采集与处理上,讨论了三维扫描仪的精度测定方法,并针对基于基准体的植株点云配准问题,提出采用基准体点云平均法向量计算的方法,去除了部分基准体表面的噪声点,提高了植株体的配准精度;采用迭代最近点（iterative closest point,ICP）算法,对植株叶片进行进一步的高精度配准。最后采用基于可视化类库VTK(visualization toolkit)实现了植物点云配准与三维可视化。     

植物三维建模ICP点云配准优化

构建精确三维模型无损获取植物表型特征信息,对研究农作物的精准化种植、可视化管理和智能化操控具有实际意义.针对当前植物三维建模过程点云数据量大、配准精度不高的问题,该研究提出基于轻量化处理的迭代最近点算法(Iterative Closest Point,ICP)点云配准优化方法.首先以人机交互算法对获取的植株点云图像进行...     

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。     

基于点云配准的果树快速三维重建

旨在为果园生产管理提供果树三维可视化基础数据,该文提出了一种基于点云配准的自然光照环境下的果树三维重构方法。首先,利用RGB-D相机采集不同视角下的果树彩色图像和深度图像,并通过信息融合获取相应视角下果树的三维点云数据;第二,对果树原始点云进行去背景和滤波等预处理,利用归一化对齐径向特征NARF(Normal Aligned Radial Feature)算法计算每片点云中的关键点,并在关键点初运用快速点特征直方图FPFH(Fast Point Feature Histograms)描述子得到关键点的特征向量。通过计算比较两片点云的FPFH特征,寻找两片相邻点云之间的空间映射关系,利用随机抽样一致性RANSAC(RANdomSAmple Consensus)算法提纯映射关系并完成相邻两片点云的初始配准;第三,在初始配准的基础上,利用迭代最近点ICP(Iterative Closest Point)算法完成点云的精确配准;最后,利用上述点云初始配准和精确配准方法对果树多片点云进行全局配准并完整重构果树的三维点云图像。针对配准过程中时间消耗过大的问题,该文提出了基于OpenMP技术对配准进行加速的方法。结果表明,该文所提出的果树三维重构方法具有较高的准确性,配准的平均距离误差为0.0068 m;同时,在不影响配准精度和稳定性的前提下大幅提高了果树三维重建的效率。     

基于点云数据的植物叶片曲面重构方法

叶子是植物最重要的器官之一,建立植物叶片的高精度曲面模型对于开展植物叶片形态特征分析和冠层光分布计算等研究具有重要意义。该文提出了一种基于点云数据的植物叶片曲面重构方法,该方法首先对原始点云数据进行噪声点剔除和数据精简,然后采用Delaunay三角剖分方法生成初始网格曲面,再对网格曲面进行优化处理。结果表明该方法能够基于激光扫描三维点云数据快速重构出植物叶片的高精度网格曲面,包括萎蔫和枯萎等复杂形态。该研究可为植物建模与可视化相关研究提供参考。     

基于点云配准的果树快速三维重建（英文）

旨在为果园生产管理提供果树三维可视化基础数据,该文提出了一种基于点云配准的自然光照环境下的果树三维重构方法。首先,利用RGB-D相机采集不同视角下的果树彩色图像和深度图像,并通过信息融合获取相应视角下果树的三维点云数据;第二,对果树原始点云进行去背景和滤波等预处理,利用归一化对齐径向特征NARF(Normal Aligned Radial Feature)算法计算每片点云中的关键点,并在关键点初运用快速点特征直方图FPFH(Fast Point Feature Histograms)描述子得到关键点的特征向量。通过计算比较两片点云的FPFH特征,寻找两片相邻点云之间的空间映射关系,利用随机抽样一致性RANSAC(RANdom SAmple Consensus)算法提纯映射关系并完成相邻两片点云的初始配准;第三,在初始配准的基础上,利用迭代最近点ICP(Iterative Closest Point)算法完成点云的精确配准;最后,利用上述点云初始配准和精确配准方法对果树多片点云进行全局配准并完整重构果树的三维点云图像。针对配准过程中时间消耗过大的问题,该文提出了基于OpenMP技术对配准进行加速的方法。结果表明,该文所提出的果树三维重构方法具有较高的准确性,配准的平均距离误差为0.0068 m;同时,在不影响配准精度和稳定性的前提下大幅提高了果树三维重建的效率。     

基于Kinect V3深度传感器的田间植株点云配准方法

准确建立植物的三维点云是以点云方式高通量获取植株各部位物理参数的前提。为实现田间复杂环境下的植株三维点云配准,该研究提出了一种基于多标定球的田间植株点云自动配准方法,并分别在室内简单场景及大田复杂场景下从不同角度对多种作物采集的点云数据进行验证。该方法采用随机抽样一致性算法（Random Sample Consensus, RANSAC）结合点云减法的概念从下采样后的点云中实现多标定球的自动提取,弥补了RANSAC一次只能提取单个物体的缺点。然后基于各标定球的球心距离信息实现三维点集的自动匹配。最后使用奇异值分解算法解算旋转平移矩阵,实现点云的自动配准。不同场景下各作物的配准结果表明,各植株的水平90°、180°、270°以及垂直方向上的点云配准到水平0°点云下的平均轴向误差在6～17 mm之间,平均点位误差在13～30 mm之间,与手动配准的商用同类软件LiDAR360的配准结果相当,但配准过程的自动化程度明显提高,效率提高了67%。该文所提出的方法可在田间复杂环境下对低成本深度相机获取的植株点云实现高精度的自动配准,为田间植物表型参数的提取提供了低成本的可行方案。     

基于球B样条函数的烟草叶片虚拟实现

植物三维形态的可视化模拟是数字植物研究的基础。该文综合应用球B样条曲线和插值B样条曲面实现了以脉序作为结构骨架的烟草叶片几何建模。首先利用三维数字化仪等数据获取装置获取烟草叶片脉序主要形态特征点的三维坐标和厚度,然后利用球B样条曲线对脉序进行三维建模,生成叶片的形态骨架,与由插值样条生成的叶片曲面合成,实现了烟草叶片的三维重建和真实感显示。结果表明,该方法得到的烟草叶片几何模型与传统方法相比具有较高的真实感,为植物叶片叶脉尺度的高真实感几何建模提供了新的手段。     

葡萄树地上部形态结构数据获取方法

葡萄树为多年蔓生植物,其形态结构复杂且受人工修剪及架势的影响。获取葡萄树地上部植株及器官的形态结构及纹理数据,有助于建立3D可视化模型以表征该植株的品种遗传特征、受环境、架式和人工修剪等因素的影响。该文针对葡萄树形态结构数据获取工作量大、效率低、依靠单一手段所获取数据缺乏完整性等特点,提出一种高效的葡萄树地上部形态结构数据获取方法,首先对葡萄树进行拓扑结构解析和数字化表达实现复杂结构的显示表达;然后针对目标植株进行葡萄树三维形态数据采集,包括植株拓扑结构三维数字化数据采集、品种一致性与差异性分析的DUS(植物新品种特异性(distinctness)、一致性(uniformity)和稳定性(stability)的栽培鉴定试验或室内分析测试)数据采集,器官的形态参数测量,三维扫描与纹理数据采集,目标植株的栽培环境及人工管理措施等信息的采集。结果表明,基于所获取形态结构数据结合植物参数化建模方法重建的葡萄树器官与植株几何模型具有较高的真实感。在葡萄树形态结构数据获取方法的基础上,对植物地上部形态结构数据获取标准化流程进行探讨,以期为其他植物主要器官与植株的形态结构数据获取提供方法参考。     

基于三维点云数据的苹果树冠层几何参数获取

针对果园环境下苹果树冠层参数获取精度较低的问题,提出了基于地面三维激光扫描仪高精度获取苹果树冠层参数的方法.选用Trimble TX8地面三维激光扫描仪作为苹果树冠层三维点云数据采集设备,提出了基于标靶球的KD-trees-ICP算法,用于高精度配准苹果树冠层三维点云数据.研究了平均风速小于4.5 m/s时,距离地面三维激光扫描仪不同远近条件下的标靶球配准残差和拟合误差的变化规律,分析结果表明,标靶球平均配准残差为1.3mm,平均拟合误差为0.95 mm,低于大场景测量配准误差要求(5mm).为了提高有风环境下提取苹果树冠层参数的精度,研究了0.9～4.5 m/s区间平均风速影响下的苹果树冠层枝干、果实、叶片的三维点云质量,建立了风速与叶片侧面厚度的曲线拟合模型,分析结果表明,在果园平均风速小于1.6 m/s时可以从苹果树冠层三维点云数据中提取高精度冠层参数.利用地面激光三维扫描仪获取距离苹果树12 000 mm以内冠层参数,测量精度高于人工测量,相对误差小于4％,为果树高通量信息获取提供了技术支持.     

基于TOF深度传感的植物三维点云数据获取与去噪方法

为提高植物三维重建的精度,更好地实现植物数字化研究,提出了基于TOF(time of flight)深度传感的植物三维点云数据获取与去噪方法。首先通过TOF深度传感来获取植物点云数据,采用直通滤波器对点云数据进行预处理,减少背景噪声;其次采用改进密度分析的离群点去噪算法,该算法通过结合邻近点平均距离和邻域点数数量2个特征参数,对点云数据中的离群点噪声进行检测和去除;最后采用双边滤波算法对点云内部的小尺寸噪声进行检测和去除。以番茄植株进行相关试验,试验结果表明:与传统双边滤波算法比较,该文算法最大误差降低了11.2%,平均误差降低了23.2%;与拉普拉斯滤波算法比较,最大误差降低了20.6%,平均误差降低了39.2%,表明该文提出的算法在保持点云特征的情况下,能简单高效地去除植物三维点云数据中的不同尺度噪声。     

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。     

无人机遥感在农田信息监测中的应用进展

快速实时地掌握农田信息是实施精准农作的基础。以无人机为平台的低空遥感探测技术,具有空间分辨率高、时效性强和成本低等特点,可填补地面监测和高空遥感间的测量尺度空缺,因此在农田信息精准监测领域具有广泛的应用前景。近年来,随着无人机飞行平台稳定性增强、操作难度降低,机载遥感设备的轻量化和多样化,以及遥感数据处理技术的进步,无人机遥感在农田信息监测领域得到了快速发展。本文对国内外相关研究成果进行了总结,对常用遥感技术类型和数据处理方法以及具体应用方向和实施效果进行了综述,并提出了当前存在的突出问题和未来的发展方向,以期为推动无人机遥感在农田信息监测和精准农业中更广泛的应用提供依据。     

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-Intensity,色调、饱和度、亮度)颜色模型进行作物群体目标提取,采用直通滤波方法获取作物茎秆点云,基于茎秆点云数据使用欧氏距离聚类分割算法提取每个植株的聚类中心点,并以聚类中心点建立柱体空间模型,使用该模型分割得到田间作物每个单体植株的点云数据。试验结果表明,该研究的方法对油菜、玉米和棉花3种作物的分割准确率分别为90.12%、96.63%和100%,与欧氏距离聚类分割结果相比,准确率分别提高了36.42,61.80和82.69个百分点,算法耗时分别缩短为后者的9.98%,16.40%和9.04%,与区域增长算法分割结果相比,该研究的方法可用于不同类型农作物,适用性更强,能够实现农田中较稠密作物植株的分割。该研究的方法能够实现农田尺度下单个植株的完整提取与分割,具有较高的适用性,可为精确测量作物个体表型信息提供参考。     

基于多尺度几何感知Transformer的植物点云补全网络

对植物幼苗进行三维重建,常存在叶片间的遮挡、摄像头视野限制等因素导致植物幼苗点云出现缺失的情况,影响了植物表型分析的准确度.为了能获得完整的植物点云,提出了基于多尺度几何感知Transformer(Multi-Scale Geometry-Aware Point Transformer,MGA-PT)的植物点云补全网络...     

基于相位相关的温室番茄植株多模态三维重建方法

为实现温室番茄植株多模态三维重建,解决多光谱反射率配准和多视角点云三维重建问题,基于相位相关原理将多光谱反射率配准至RGB-D图像坐标系中,建立了基于Kinect传感器测量位姿自主标定的多视角RGB-D图像三维重建方法,实现植株RGB三维点云模型和多光谱反射率点云模型重建,通过归一化灰度相似系数、配准区域光谱重叠率、互信息值3个指标客观评价二维多光谱图像配准质量,采用豪斯多夫距离客观评价植株三维点云重建精度。结果表明:30株温室番茄,每株4个重建视角,视角间隔为90°,配准区域光谱重叠率和归一化灰度相似系数的平均值分别为0.920 6和0.908 5,异源图像配准后互信息值比配准前互信息值平均提升了9.81%,植株冠层多光谱图像能够准确配准至深度坐标系,番茄植株三维重建点云距离集小于0.6 cm的比例为78.39%,小于1.0 cm的比例为91.13%,番茄距离集均值的平均值为0.37 cm,表明植株三维点云模型重建精度较高,能够应用于温室番茄植株多模态三维重建。植株多模态三维模型是实现三维形态测量与生理诊断的关键要素,为高通量植株表型测量提供高效精准的测量方法,对植物表型组学等研究领域的发展具有重要的意义。     

基于多视角立体视觉的植株三维重建与精度评估

基于图像序列的植株三维结构重建是植物无损测量的重要方法之一。而对重建模型的精度评估方法大多基于视觉逼真程度和常规测量数据。该研究以精确的激光扫描三维模型为参照,采用豪斯多夫距离,从三维尺度上对基于图像序列的植株三维重建模型进行精度评估。同时,从植株表型参数(叶片长、宽、叶面积)方面,对植株三维重建模型进行精度评估。结果表明,基于图像序列的三维重建模型精度较高,豪斯多夫距离在0~10 mm之间,各试验植株豪斯多夫距离大多小于4.0 mm,各植株表型参数与其对照值的R2均大于0.95,且两者的无显著性差异(P0.05)。此植株三维结构重建方法能够应用于植物表型、基因育种、植物表型与环境互作等研究领域。     

基于机载三维激光扫描的大豆冠层几何参数提取

为了实现大田大豆单株植株几何参数(高度、体积)准确获取,该文构建了基于机载激光雷达(LiDAR)的农作物表型探测系统,并开展了大田标定和探测试验。针对大田大豆垄上种植模式下地面平整度差异大、植株枝叶交接难以区分的问题,提出了一种LiDAR表型探测系统下的基于局部邻域特征分割与均值漂移算法的提取方法。在获取的点云中,首先使用基于局部邻域特征的语义分割方法提取一垄植株行,然后采用均值漂移算法提取单株植株,最后进行植株表面重建和植株几何参数统计。LiDAR表型探测系统在沿探测系统前进运动方向、垂直运动方向、垂直地面方向最大误差分别为0.58%(5.8 cm)、-1.75%(-7.0 cm)、-1.74%(-3.4 cm)。该文采用的基于局部邻域特征的分割方法,植株与地面分类的效果良好,人工统计植株数量相比,检测植株数量的平均相对误差为11.83%。相对于常用的RANSAC(random sampleconsensus)方法,使用该文提出的高度计算方法,大豆植株高度平均相对误差从9.05%下降到5.14%,利用alpha-shape算法重建后的冠层体积平均值为48.5 dm3。该文工作可为作物植株分割和体积统计提供借鉴。