一种果树冠层叶子和果实三维重建方法及系统技术方案

本发明专利技术提供一种果树冠层叶子和果实三维重建方法及系统，包括：提取果树冠层的三维枝干骨架，判断所述枝干骨架中的每一根枝条是否连接有子枝条，对连接有子枝条的枝条生成叶簇枝和果枝，构建叶子和果实的三维模型，根据所述叶子的三维模型在所述三维枝干骨架中的枝条上生成叶子，根据所述果实的三维模型在所述果枝上生成果实。本发明专利技术结合三维点云的果树枝干骨架提取方法，实现带叶、带果状态果树冠层形态结构的快速三维模型重建，重建的冠层模型中叶子的数量、大小和方向更加符合真实果树的形态特征，同时该模型具有很好的通用性，从而为进行果树冠层的结构分析、生理生态特性评价等应用提供高精度的基础模型支持。

【技术实现步骤摘要】
【专利摘要】本专利技术提供一种果树冠层叶子和果实三维重建方法及系统，包括：提取果树冠层的三维枝干骨架，判断所述枝干骨架中的每一根枝条是否连接有子枝条，对连接有子枝条的枝条生成叶簇枝和果枝，构建叶子和果实的三维模型，根据所述叶子的三维模型在所述三维枝干骨架中的枝条上生成叶子，根据所述果实的三维模型在所述果枝上生成果实。本专利技术结合三维点云的果树枝干骨架提取方法，实现带叶、带果状态果树冠层形态结构的快速三维模型重建，重建的冠层模型中叶子的数量、大小和方向更加符合真实果树的形态特征，同时该模型具有很好的通用性，从而为进行果树冠层的结构分析、生理生态特性评价等应用提供高精度的基础模型支持。【专利说明】一种果树冠层叶子和果实三维重建方法及系统
本专利技术涉及三维图形处理
，尤其涉及一种果树冠层叶子和果实三维重建方法及系统。
技术介绍
果树冠层的三维重建是农学研究、图形仿真等应用领域的热点问题，准确、快速的冠层三维重建对于果树冠层形态结构分析、生理功能计算等均有十分重要的意义。叶子和果实作为果树最重要的两个器官，对于果树树形的外观塑造、冠层形态特征和生理功能计算等都有十分重要的影响，因此如何实现叶子和果实器官的准确生成是果树冠层三维重建的关键技术问题。最直接、最精确的方法是利用三维数字化仪对果树冠层进行数据采集，详细获取冠层中每根枝条上每个叶子的位置、方向和大小等信息，并基于这些信息重建果树冠层的三维模型 (Sonohat G, Sinoquet H, Kulandaivelu V, etal.“Three-dimensional reconstruction of partially3D digitised peach treecanopies”.Tree Physiology2006, 26:337-351)。由于果树冠层形态结构复杂，因此该方法需要花费大量的人力和时间进行数据采集，一株成年果树一般需要花费几个人几天的时间进行数据测量；同时由于树形高大，手工测量极不方便，往往需要搭建支架等辅助设施，因此这种重建方法存在数据采集不便、工作繁琐的缺点。直接从三维点云中进行树木冠层三维重建也是一直选择。例如，(马伟,项波,查红彬等.“基于测量数据的植物建模中国科学F辑:信息科学，2009，39 (I):134-144)针对大部分植物的叶片具有尖锐特征的特点，实现了一种基于三维点云数据的小型植物冠层三维重建方法。但是，由于树木冠层枝叶繁茂，相互遮挡严重，三维扫描时冠层中大部分叶子和果实被遮挡而无法完整获取，因此该方法重建的植物模型只是视觉上的相似，准确性不高；同时该方法在重建时整个冠层重复使用同一个平整的叶片模型，导致重建的树木三维模型中叶子的空间姿态单一，严重影响叶面积、光截获能力的计算，也与自然界中“同一株树木上没有完全相同的两片叶子”的多样性不符。另一种方法是采用某种规则或树木冠层枝叶的空间分布知识进行冠层三维重建，一般称为基于规则的重建方法，而对于现有基于规则的树木冠层三维重建方法，这些方法都存在一个共同的缺点:所添加的叶子大小相同、形态相同，或仅仅通过简单的随机方法改变大小和方向，缺乏生理上的科学性，难以体现自然界植物冠层中叶子在形态、颜色上的多样性，也会引起最终重建的冠层模型中叶面积、光截获能力的计算结果存在较大的误差。综合而言，虽然目前关于果树冠层形态结构三维重建方面的有了一些方法，但由于果树形态结构特有的复杂性，这些方法在实现果树形态结构的快速、精确三维重建时仍然存在不足。此外，已有的树木冠层三维重建方法中都只是考虑了叶子器官的添加或生成，而对于果实器官均没有考虑。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是如何结合现有基于三维点云的果树枝干骨架提取方法，实现带叶、带果状态果树冠层形态结构的快速三维重建，从而为进行果树冠层的结构分析、生理生态特性评价等应用提供高精度的基础模型支持。为解决上述技术问题，本专利技术提出了一种果树冠层叶子和果实三维重建方法，包括以下步骤:提取果树冠层的三维枝干骨架；判断所述枝干骨架中的每一根枝条是否连接有子枝条；对连接有子枝条的枝条生成叶簇枝和果枝；构建叶子和果实的三维模型；根据所述叶子的三维模型在所述三维枝干骨架中的枝条上生成叶子；根据所述果实的三维模型在所述果枝上生成果实。优选地，所述方法还包括:对没有连接子枝条的枝条根据枝条长度进行枝条分类。优选地，所述对没有连接子枝条的枝条根据枝条长度进行枝条分类，具体包括:获取所述没有连接子枝条的枝条的长度信息；根据所述长度信息按照预设的枝条长度模型将所述没有连接子枝条的枝条分为长枝、中枝和短枝。优选地，所述方法还包括:为生成的叶子和果实进行颜色优化处理。优选地，所述对连接有子枝条的枝条生成叶簇枝和果枝具体包括:设置所述连接有子枝条的枝条上生成的叶簇枝的数量；根据所述叶簇枝的数量在所述连接有子枝条的枝条上选取叶簇枝的着生点；在所述叶簇枝的着生点生成叶簇枝；设置所述连接有子枝条的枝条上生成的果枝的数量；根据所述果枝的数量在所述连接有子枝条的枝条上选取果枝的着生点；在所述果枝的着生点生成果枝。优选地，所述根据所述叶子的三维模型在所述三维枝干骨架中的枝条上生成叶子，具体包括:预设所述三维枝干骨架中不同类型枝条上放置的叶子数量和叶子最大长度的第一取值规则；根据所述第一取值规则在枝条上放置叶子的三维模型，并调整所述叶子的三维模型的方向和大小。优选地，所述根据所述果实的三维模型在所述果枝上生成果实，具体包括:预设所述果枝上着生果实数量和果实最大直径的第二取值规则；根据所述第二取值规则在果枝上放置果实的三维模型，并调整所述果实的三维模型的方向和大小。此外，本专利技术还提供了一种果树冠层叶子和果实三维重建系统，该系统包括:枝干骨架提取模块，用于提取果树冠层的三维枝干骨架；判断模块，用于判断所述枝干骨架中的每一根枝条是否连接有子枝条；叶簇枝和果枝生成模块，用于对连接有子枝条的枝条生成叶簇枝和果枝；模型构建模块，用于构建叶子和果实的三维模型；叶子生成模块，用于根据所述叶子的三维模型在所述三维枝干骨架中的枝条上生成叶子；果实生成模块，用于根据所述果实的三维模型在所述果枝上生成果实。优选地，所述系统还包括枝条分类模块和优化处理模块；枝条分类模块,用于对没有连接子枝条的枝条根据枝条长度进行枝条分类。优化处理模块，用于为所述叶子生成模块和果实生成模块生成的叶子和果实进行颜色优化处理。优选地，所述叶簇枝和果枝生成模块包括:第一设置单元，用于设置所述连接有子枝条的枝条上生成的叶簇枝的数量；第一选取单元，用于根据所述叶簇枝的数量在所述连接有子枝条的枝条上选取叶簇枝的着生点；叶簇枝生成单元,用于在所述叶簇枝的着生点生成叶簇枝；第二设置单元，用于设置所述连接有子枝条的枝条上生成的果枝的数量；第二选取单元，用于根据所述果枝的数量在所述连接有子枝条的枝条上选取果枝的着生点；果枝生成单元，用于在所述果枝的着生点生成果枝。通过采用本专利技术所公开的一种果树冠层叶子和果实三维重建方法及系统，方便准确地实现了果树冠层叶子和果实的三维重建，本方法所使用的参数简单明了，重建的冠层模型中叶子的数量、大小和方向更加符合真实果树的形态特征，同时本专利技术具有很好的通用性，只需修改少量的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种果树冠层叶子和果实三维重建方法，其特征在于，包括以下步骤：提取果树冠层的三维枝干骨架；判断所述枝干骨架中的每一根枝条是否连接有子枝条；对连接有子枝条的枝条生成叶簇枝和果枝；构建叶子和果实的三维模型；根据所述叶子的三维模型在所述三维枝干骨架中的枝条上生成叶子；根据所述果实的三维模型在所述果枝上生成果实。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：陆声链，郭新宇，温维亮，杜建军，陈尤佳，
申请(专利权)人：北京农业信息技术研究中心，
类型：发明
国别省市：