玉米株型冠层三维数字化与结构解析技术研究

玉米株型冠层三维数字化与结构解析技术研究作物群体是履行光合作用和物质生产职能的组织体系,其形态结构对光截获能力、冠层光合效率以及作物产量均具有重要影响,作物群体形态特征一直是人类认识、分析和评价作物的最基本方式。然而,作物群体形态结构复杂,空间分布规律性差、各器官表面结构变异性强,群体间存在大量器官的遮挡、交叉与相互作用,其形态结构不是简单单株复制的物理过程。传统农业对于作物群体形态结构的研究以经验型人工测量实验为主,其难以精确刻画作物群体因品种、种植密度和人工管理措施因素带来的形态结构差异。因此,综合运用计算机图形学、统计学、农学的技术和方法,以数字化、可视化的方式对作物群体形态结构进行快速、准确的解析研究具有重要的现实意义。

玉米是我国最重要的粮食作物之一,增产潜力巨大;同时玉米植株高大,群体形态结构相对简单,易于描述和研究。针对玉米株型冠层三维数字化和结构解析研究中存在的问题,借助三维信息获取手段,重点开展玉米表型参数提取、玉米器官三维资源库构建、玉米群体三维建模、玉米器官网格简化和作物冠层冠隙分数计算方法研究,并应用这些方法对玉米株型和冠层结构进行评价。论文主要工作和创新点如下:1.基于三维数据的玉米表型参数提取。针对玉米株型参数手工测量标准不一致、误差大,基于图像和三维点云提取的株型参数无法满足玉米三维建模精度的问题。

利用三维数字化仪获取玉米植株三维骨架结构数据,整合农学中对株型参数的定义,提取玉米主要株型参数,包括株高、叶倾角、方位角、叶长等。通过求解距离植株各叶片方位角角度差之和最小的平面角得到精确的玉米植株方位平面,并提出描述方位角偏离程度的dev值作为评价植株紧凑性指标。基于三维数字化提取的玉米株型参数可精确反映玉米品种和因栽培处理等因素产生的形态差异,并可用于玉米形态结构的三维模型构建。通过计算玉米果穗三维点云的法向信息,对点云进行收缩变换和欧式聚类,实现了玉米果穗点云的籽粒级分割,为基于三维数据的果穗考种提供了技术支持。

2.玉米器官三维模板资源库构建。针对玉米植株及群体三维建模缺乏高精度器官三维模板支持的问题,提出基于实测数据的玉米器官三维模板资源库构建方法。对玉米植株进行结构单元划分,从三维数据获取方式角度制定玉米主要器官

三维数据获取规范以保证资源库的准入规则。按该规范开展玉米主要器官三维数据获取,并基于实测数据,结合基于点云的三维重建和植物参数化几何建模方法构建各器官几何模型,最后,以所构建的玉米器官几何模型为内容,按可视化属性和农学属性两类关键字构建玉米器官三维模板资源库。

3.提出基于t分布的玉米群体三维模型构建方法。为利用少量实测数据构建能够反映玉米群体因品种、环境条件、管理栽培措施等因素产生形态结构差异的几何模型,通过实测数据构建植株尺度和器官尺度株型参数的t分布函数,在其约束下生成群体内各植株株型参数,通过构造株型参数相似性度量函数从玉米器官三维模板库中调用对应器官几何模板,并结合人工交互或图像提取的各植株生长位置与植株方位平面角两组群体结构信息生成玉米群体几何模型。提出了基于二次误差测度边折叠和基于Laplacian光顺算子的玉米器官网格简化与优化方法,为进一步的玉米群体可视化计算分析提供了高质量的网格模型。

4.提出基于多分辨率细分半球的作物冠层冠隙分数计算方法。

针对作物冠层冠隙分数计算中因半球划分面积不均匀导致计算误差大的问题,利用(?)细分和Butterfly细分方法构造多分辨率细分半球,面元最大最小面积比最大为1.215,且面元多接近于正三角形、具有极高的相似性,结合Turtle 模型原理实现了玉米冠层冠隙分数的计算,方法利用各分辨率细分半球间的树形结构关系实现了面元遮挡的逐级快速检测。最后分别从几何角度和散射光分布计算角度对方法进行了验证。作物冠层冠隙分数计算方法为作物群体结构分析、散射光分布计算和光截获总量模拟提供了关键技术支持。5.基于作物冠层光分布的玉米株型评价。

整合玉米群体三维模型构建方法、作物群体冠隙分数计算方法,结合作物冠层直射光分布和散射光分布计算方法,提出了作物冠层瞬时光分布和光截获总量计算方法。在此基础上对多个玉米品种的株型和光截获能力进行精准化、数字化评价。该研究致力于玉米株型冠层形态结构数字化解析框架的构建,为玉米品种生产力评价、玉米高产机理解析、玉米品种耐密性鉴定等研究提供数字化、可视化的技术手段。