基于FastSCAN玉米整株三維重構(gòu)及參數(shù)計(jì)算方法

李抒昊，關(guān)海鷗，于　崧，馬曉丹，李偉凱，鄭雯璐

(黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué) a.信息技術(shù)學(xué)院；b.農(nóng)學(xué)院，黑龍江 大慶　163319)

0　引言

早在20世紀(jì)70年代，隨著計(jì)算機(jī)軟硬件及性能的不斷提升，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)得以實(shí)現(xiàn)，從而建立了虛擬植物模型，在計(jì)算機(jī)上展現(xiàn)植物生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程的三維立體圖像初步進(jìn)入大眾的視野[1]。如今，隨著現(xiàn)代信息技術(shù)的不斷研究及發(fā)展，信息技術(shù)與農(nóng)業(yè)相結(jié)合成為了國(guó)內(nèi)外未來(lái)研究農(nóng)業(yè)方向的重要組成部分之一[2]。農(nóng)業(yè)加以信息技術(shù)結(jié)合分析產(chǎn)生了諸多科研成果，依托信息技術(shù)對(duì)植物進(jìn)行三維可視化研究成為國(guó)內(nèi)外研究農(nóng)業(yè)信息化的熱點(diǎn)[3]。

玉米作為世界范圍內(nèi)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)種植的重要谷類(lèi)作物之一，有極高的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值、食療價(jià)值、工業(yè)價(jià)值及藥用價(jià)值等等。然而，在生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程中會(huì)受到環(huán)境因素、傳因子和噪聲變量等影響[1,3]，從而影響長(zhǎng)勢(shì)，因此對(duì)玉米三維重建至關(guān)重要。在國(guó)內(nèi)，郭焱最早對(duì)虛擬植物進(jìn)行研究[4]，應(yīng)用了三位數(shù)字化儀，對(duì)玉米不同生產(chǎn)期的冠層形態(tài)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了精準(zhǔn)的測(cè)量，并建立了玉米的虛擬結(jié)構(gòu)。李輝、王傳宇等人[5]采用平面模板法、基于雙目立體視系統(tǒng)立體拼接重建出的部分葉片三維曲面，并獲得葉片參數(shù)。楊亮等人[6]等基于立體視覺(jué)通過(guò)對(duì)玉米葉片邊緣恢復(fù)進(jìn)行三維重建。牛曉靜[7]開(kāi)發(fā)了點(diǎn)云精簡(jiǎn)、去噪平滑和重構(gòu)系統(tǒng)。對(duì)玉米的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行精簡(jiǎn)，然后采用分步處理策略對(duì)點(diǎn)云模型進(jìn)行去噪和平滑,最后使用Delaunay三角剖分方法對(duì)三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行三維重構(gòu)。傳統(tǒng)方法對(duì)玉米進(jìn)行的三維重建大多都是研究玉米的根莖及葉片，很好地反映了玉米部分器官的生理構(gòu)造特征，但對(duì)整株玉米鮮有報(bào)道且應(yīng)用范圍比較窄。本文應(yīng)用FastSCAN三維掃描儀對(duì)玉米整株在三葉期至撥節(jié)期進(jìn)行三維重構(gòu)，在靜態(tài)虛擬玉米的基礎(chǔ)上動(dòng)態(tài)重建玉米，能夠精準(zhǔn)地構(gòu)造玉米的三維形態(tài)，反映玉米整株的中前期的生長(zhǎng)規(guī)律，為預(yù)測(cè)玉米未來(lái)的生長(zhǎng)發(fā)育提供了良好的基礎(chǔ)。

1　實(shí)驗(yàn)材料及方法

1.1田間實(shí)驗(yàn)

田間實(shí)驗(yàn)于2016年6-8月在黑龍江省大慶市薩爾圖區(qū)黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)大田進(jìn)行。該實(shí)驗(yàn)田屬北溫帶大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，生長(zhǎng)期降水量在350～480mm之間。育苗的健壯與籽粒的大小與播種深淺有極大的關(guān)系。實(shí)驗(yàn)地墑情較好，土壤濕度、松粘適中，在距地面深度5cm處種植5株玉米，每株間距為0.5m。對(duì)玉米定期進(jìn)行人工除草及水肥處理，確保實(shí)驗(yàn)無(wú)人為干擾與強(qiáng)風(fēng)影響玉米冠層結(jié)構(gòu)[8]。供試儀器采用美國(guó)pollemus公司生產(chǎn)的FastSCAN三維掃描儀。玉米在生長(zhǎng)中主要經(jīng)歷以下4個(gè)時(shí)期：①出苗期；②三葉期至撥節(jié)期；③穗期；④開(kāi)粒期[9]。實(shí)驗(yàn)起始日期于2016年6月1日。本實(shí)驗(yàn)選擇第2時(shí)期對(duì)玉米進(jìn)行動(dòng)態(tài)三維重構(gòu)。

1.2玉米整株三維重構(gòu)與數(shù)據(jù)獲取

在玉米整株三維重建與數(shù)據(jù)獲取中采用的實(shí)驗(yàn)儀器為FastSCAN三維掃描儀，其特點(diǎn)是準(zhǔn)確、快捷、方便[10]，能夠清晰地捕捉到玉米葉片的細(xì)節(jié)特點(diǎn)，并呈現(xiàn)出三維立體模型結(jié)構(gòu)。然而，其最大掃描距離為750mm，隨著玉米整株長(zhǎng)度超出最大掃描距離，超出部分捕捉不到。因此，本實(shí)驗(yàn)選擇重點(diǎn)掃描記錄時(shí)期為玉米整株的出苗期、三葉期至拔苗期。種植5組實(shí)驗(yàn)組，從出苗期起每隔約7天長(zhǎng)出1片葉片，掃描1次，直至拔苗期部分玉米葉片邊緣三維無(wú)法重構(gòu)，完成動(dòng)態(tài)虛擬。通過(guò)FastSCAN自帶修復(fù)功能重建的整株玉米如圖1所示。

圖1　三維掃描儀重構(gòu)不同時(shí)期整株玉米

在用FastSCAN三維掃描儀重構(gòu)玉米整株三維模型需注意電磁參照體(Transmitter)與掃面對(duì)象處于相對(duì)靜止?fàn)顟B(tài)，且掃描過(guò)程中物體不能發(fā)生任何偏移。為了提高掃描質(zhì)量，在掃描過(guò)程中將手持設(shè)備(Wand)與被掃描對(duì)象保持垂直，且最佳距離為10～15cm，小于8cm或大于22cm則會(huì)影響數(shù)據(jù)的精度。通常情況下,FastSCAN三維掃描儀正常工作時(shí)的數(shù)據(jù)捕獲精度是0.5mm，隨著手柄滑過(guò)物體表面的速度不同精度也發(fā)生變化[11]?；瑒?dòng)的速度與精度成反比，因此勻速緩慢掃描整株玉米。最后，掃描植株的準(zhǔn)確性受外界環(huán)境的影響，如有外界有磁場(chǎng)及光照過(guò)強(qiáng)，會(huì)干擾掃描，因此要避免在金屬物體附近及強(qiáng)光照射下采集三維模型。FastSCAN三維掃描儀可調(diào)節(jié)自身靈敏度，因此根據(jù)環(huán)境中光線的強(qiáng)弱選擇激光的強(qiáng)度。本實(shí)驗(yàn)將靈敏度調(diào)制5重構(gòu)玉米整株三維模型。

2　玉米特征模型建立及特征參數(shù)計(jì)算方法

2.1玉米特征模型建立

為獲取玉米整株株高、株寬、莖粗等特征參數(shù)，實(shí)驗(yàn)通過(guò)Geomagic Spark建立玉米整株特征模型，如圖4所示。以y坐標(biāo)為軸，選取不同時(shí)期玉米整株最高點(diǎn)為定點(diǎn)，擬合球與地面相切，獲取擬合球半徑距離為玉米高度特征參數(shù)。以x坐標(biāo)與y坐標(biāo)建立的平面，選取玉米在該平面最大距離的兩點(diǎn)，獲取擬合球半徑距離為玉米的寬度特征參數(shù)。以玉米莖部一端為軸向玉米莖部另一端擬合圓柱，分別擬合玉米莖的上部、中部、基部，擬合圓柱半徑距離為玉米的莖粗特征參數(shù)。

圖 2　玉米整株高度寬度測(cè)量方法

2.2玉米特征模型建立

為計(jì)算擬合球與擬合圓柱的半徑，進(jìn)而獲取玉米目標(biāo)特征參數(shù)，本文采用最小二乘方法[12]對(duì)玉米的株高、株寬、株莖的幾何特征做出計(jì)算。

擬合球面任意點(diǎn)Pi到球心的距離函數(shù)為

d(s,Pi)=‖c-Pi‖

(1)

其中，c=(s1,s2,s3)T表示球心坐標(biāo)。

根據(jù)上述特征計(jì)算方法，計(jì)算球表面任意點(diǎn)到球心距離即為擬合球半徑，獲取玉米在三葉期至撥節(jié)期高度寬度的特征參數(shù)，如表1所示。

表1玉米整株三葉期至撥節(jié)期高度寬度平均值

Table 1Whole plant corn trilobites period to dial the feast average height width

玉米整株時(shí)期平均高度/m平均寬度/m三葉期0．07000．0936四葉期0．12210．1690五葉期0．18360．2492六葉期0．24650．3379七葉期0．30280．3926八葉期0．47240．5711最終期0．71640．6033

最后一次掃描時(shí)期稱(chēng)最終期。

可見(jiàn)，玉米在三葉期至撥節(jié)期平均株高比平均株寬漲幅較高，且平均株高范圍0.070 0～0.716 4m，平均株寬范圍0.093 6～0.603 3m。

擬合圓柱體上表面任意一點(diǎn)Pi到圓心的距離方程為

(2)

其中，q0=(s1,s2,s3)T表示圓心坐標(biāo)；a0=(s1,s2,s3)為圓柱面軸線的單位方向向量。

根據(jù)上述特征計(jì)算方法，計(jì)算擬合圓柱體上表面任意點(diǎn)到圓心的距離，即為玉米莖粗。獲取玉米在三葉期至撥節(jié)期莖粗的特征參數(shù)，如表2所示。

表2玉米整株三葉期至撥節(jié)期高度莖粗平均值

Table 2Whole plant corn trilobites period to dial the feast average height stem diameter

玉米整株時(shí)期莖粗/cm上部中部基部三葉期0．30270．39470．4392四葉期0．66100．70440．8512五葉期0．76350．84691．0544六葉期0．80890．89881．1993七葉期1．02921．12791．2281

續(xù)表2

最后一次掃描時(shí)期稱(chēng)最終期。

由表2可見(jiàn)：玉米在三葉期至撥節(jié)期平均莖粗基處漲幅最高，中部其次，上部最低；平均株高范圍0.070 0～0.716 4m，平均株寬范圍0.093 6～0.603 3m，平均莖粗范圍0.302 7～2.441 3cm。

2.3直接測(cè)量和掃描測(cè)量精度比較

圖3為玉米整株的直接測(cè)量和間接測(cè)量回歸分析。結(jié)果顯示：實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和3D掃描測(cè)量的平均高度(R2=0.96，P<0.01)、平均寬度(R2=0.97,P<0.01)和平均莖粗(R2=0.96，P<0.01)呈現(xiàn)良好的直線回歸關(guān)系；株高、株寬和莖粗實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和掃描測(cè)量數(shù)據(jù)的直線斜率分別為0.962 4、0.978 6和0.965 9，接近于1，截距分別為0.018 1、0.151 8和0.109 5，接近于0，是一條近似通過(guò)原點(diǎn)的直線。精度分析結(jié)果表明，三維掃描測(cè)量值與實(shí)測(cè)值擬合度很高。

圖3　玉米整株的直接測(cè)量和三維測(cè)量回歸分析

3　結(jié)論

FastSCAN三維掃描儀能夠快速、準(zhǔn)確、方便地掃描整株玉米，無(wú)論是室內(nèi)或是室外都有很強(qiáng)的適用性，對(duì)于復(fù)雜植株的葉片紋理及其果實(shí)等三維重構(gòu)的獲取應(yīng)用價(jià)值極大。在應(yīng)用FastSCAN三維掃描儀掃描時(shí)也發(fā)現(xiàn)一些問(wèn)題。FastSCAN三維掃描儀獲取植株時(shí)對(duì)植株有一定的條件限制，應(yīng)選擇葉片與葉片之間無(wú)遮擋且各器官之間結(jié)構(gòu)較為明顯的植株進(jìn)行三維重構(gòu)，以避免由于植物自身器官或群體植物之間相互遮擋，從而影響手柄發(fā)出的激光掃面。其次，由于植株反射激光有限，光照過(guò)強(qiáng)或植物自身顏色干擾，可能會(huì)造成掃描有缺陷或落點(diǎn)，因此可以將泥土與水混合噴灑植株表面，人為進(jìn)行處理，以便植物的三維重建。本文重構(gòu)了在三葉期至撥節(jié)期玉米整株的動(dòng)態(tài)三維模型，無(wú)需破壞實(shí)驗(yàn)對(duì)象，保護(hù)了玉米生長(zhǎng)的連續(xù)性，并通過(guò)擬合曲面的方法計(jì)算了玉米的高度、寬度、莖粗等特征參數(shù)，為測(cè)量玉米其他特征參數(shù)及預(yù)測(cè)玉米未來(lái)長(zhǎng)勢(shì)提供了新思路。

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