基于多尺度测量数据的果树形态结构三维重建方法技术

本发明专利技术公开了一种基于多尺度测量数据的果树形态结构三维重建方法，属于计算机图形技术领域，包括以下步骤：S1、从三维扫描仪获取的果树的原始三维点云数据中提取果树枝干的骨架，并从该骨架重建果树主干的三维模型；S2、通过抽样获取果树幼枝的形态特征信息，建立若干条幼枝的三维模型；S3、采用三维扫描仪抽样获取若干个果树叶片的三维点云数据，重建若干叶片的三维模型，作为果树形态结构三维模型重建中的叶子模板库；S4、根据测量得到的果树冠层枝叶的形态特征信息，建立果树冠层不同类型枝条和叶子的空间分布模型；S5、利用步骤S1～S4的结果重建果树整体形态结构三维模型。本发明专利技术的方法简便、快速、精确。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及计算机图形
，尤其涉及一种基于多尺度测量数据的果树形态结构三维重建方法。
技术介绍
近年来，随着农学研究、游戏制作、广告宣传、景观展示等应用对植物细节和精度要求的不断提高，以及三维信息采集设备的日趋成熟和普及，特别是三维数字化仪和激光扫描仪的不断完善，测量速度和精度越来越高，因此果树越来越多地被用于植物形态信息的采集并进而实现植物形态结构的三维重建。与大田作物、花卉等其他植物相比，果树不仅外形高大，同时具有更复杂的冠层枝叶结构，这给果树形态结构的信息采集和三维重建带来了很大的挑战。文献采用3Space Fastrak三维数字化仪获取胡桃树的空间信息，包括枝条、树叶的空间位置、方向、大小等，并基于这些采集信息重建果树的三维模型，以便利用果树的三维模型进行冠层空间特征的分析，由于胡桃树高大，因此该方法需要花费大量的人力和时间进行数据采集(Sinoquet H, Rivet P, Godin C. "Assessment of the three-dimensional architecture of walnut trees using digitizing". Silva Fennica. 1997,31 :265-273.)。方法用数字化仪采集桃树冠层叶片的位置、方向和大小信息，并重建桃树冠层树叶的三维模型，在重建的三维冠层上进行果树冠层光分布特性分析，该方法忽略果树的枝干，因此不能实现果树形态结构的完整重建 (Sonohat G,Sinoquet H,Kulandaivelu V,et al. "Three-dimensional reconstruction of partially 3D digitised peach tree canopies，，·Tree Physiology 2006,26: 337-351)。文献提出了一种基于点云数据的树木三维重建方法，首先利用大型三维激光扫描仪获得树木的空间数据点(一般称为三维点云)，然后采用自相似原理从这些数据点云中重建树冠层的树枝，同时利用植物学原理估计枝干半径，该方法没有充分利用扫描数据的精确性，因此重建模型的精确度不高(Xu K, Gossett N, Chen B. "Knowledge and heuristic-based modeling of laser-scanned trees，，· ACMTransaction on Graphics 2007,26(4) 19 :2-13)。文献基于激光扫描的树木点云数据，通过计算树枝各点处的曲率及连续性进行枝条的分解，并将每个树枝在轴向上划分成小段，最后重建得到树木枝干的整体骨架，基于此骨架及对应的半径可以生成树的主要枝干结构的三维模型 (Cheng Ζ,Zhang X,Chen B. "Simple reconstruction of tree branches from a single range image，，，Journal of Computer Science and Technology，2007，22 (6) :846-858.)。 文献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三维重建方法，该方法从三维点云数据上通过尖锐特征检测算法来获取叶片顶端的位置，然后将一个平整的通用叶片模型粘贴在每个叶尖位置上，从而实现植物冠层的三维重建。由于叶片的遮挡，扫描时植物冠层中的大部分枝条被遮挡而无法获取，而且整个冠层重复使用一个平整的叶片模型，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(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(1) :134-144)。文献实现了一种从三维扫描点云数据中自动重建多棵树木的方法，该方法首先从树木的点云数据中自动提取树木主要枝干的骨架和半径，基于该骨架和半径信息重建树木枝干的三维模型，然后采用L-系统方法在树干模型上生成细枝和积 叶(Livny Y, Yan F, Olson M, et al. Automatic econstruction of tree skeletal structures from point clouds. ACM Transactions on Graphics,2010, 四⑶)。综合而言，虽然目前关于基于三维数字化测量数据的果树形态重建方面有了一些方法，但由于果树形态结构特有的复杂性，特别是枝叶之间的遮挡影响，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，具体表现如下目前的方法仅采用单一的一种三维数字化测量设备进行数据采集，因此存在数据测量工作量大或者三维模型重建精度不高等问题。在文献和中，采用三维数字化仪采集果树的空间信息，虽然能够较好地实现果树形态结构的三维重构，但由于果树的形态结构非常复杂， 果树枝干、叶子等器官的空间信息的获取是一件极耗费时间的工作，数据采集往往需要耗费几个人数天的时间；此外，由于数字化仪仅能够获取植物器官表面少量的特征点，基于这些点重建的三维模型的精度受到影响，特别是叶子的空间形态难以仅仅通过少量几个空间点进行重建，因此如何提高重建模型的精度也是一个问题。在文献、和的方法中，利用大型三维激光扫描仪获取树木的点云数据，并进而进行树木形态的三维重建。这些方法都存在一个共同的缺点由于树木冠层枝叶较多，细枝和叶子往往难以直接从扫描数据中重建，所以这些方法都是通过应用某种随机规则生成细枝和叶子，从而实现视觉上“真实”的重建，但这样的重建并没有达到真正意义上“基于测量数据的重建”，重建得到的三维树木冠层结构与真实树木还存在较大的差别，特别是树叶的密度、空间朝向、叶面积等都可能与实际存在较大的误差，难以应用于进行树木冠层光分布特性、枝叶空间分布、株型特征等的研究和分析。
技术实现思路
(一)要解决的技术问题本专利技术要解决的技术问题是如何提供一种基于多尺度测量数据的带叶状态果树形态结构的简便、快速、精确三维重建方法。(二)技术方案为解决上述技术问题，本专利技术提供了一种，包括以下步骤Si、从三维扫描仪获取的果树的原始三维点云数据中提取果树枝干的骨架，并从该骨架重建果树主干的三维模型；S2、通过抽样获取果树幼枝的形态特征信息，建立若干条幼枝的三维模型；S3、采用三维扫描仪抽样获取若干个果树叶片的三维点云数据，重建被抽样叶片的三维模型，作为果树形态结构三维模型重建中的叶子模板库；5S4、根据测量得到的果树冠层枝叶的形态特征信息，建立果树冠层不同类型枝条和叶子的空间分布模型；S5、利用步骤Sl S4的结果重建果树整体形态结构三维模型。其中，步骤Sl具体包括S11、获取带叶状态下果树的原始三维点云数据；S12、剔除Sll步骤获取的三维点云数据中的细枝和叶子信息，得到去掉细枝和叶子信息的果树枝干的点云数据；S13、得到果树枝干的骨架结构图；S14、获取冠层幼枝的位置和方向信息；S15、根据步骤S14获取的幼枝位置和方向信息，对步骤S13得到的果树枝干的骨架结构图进行修补；S16、根据图S15得到的骨架结构图生成果树主干的三维网格模型。其中，步骤S2具体包括S21、抽样获取果树若干条幼枝的形态特征本文档来自技高网...

【技术保护点】
１．一种基于多尺度测量数据的果树形态结构三维重建方法，其特征在于，包括以下步骤：Ｓ１、从三维扫描仪获取的果树的原始三维点云数据中提取果树枝干的骨架，并从该骨架重建果树主干的三维模型；Ｓ２、通过抽样获取果树幼枝的形态特征信息，建立若干条幼枝的三维模型；Ｓ３、采用三维扫描仪抽样获取若干个果树叶片的三维点云数据，重建这些被抽样的叶片的三维模型，作为果树形态结构三维模型重建中的叶子模板库；Ｓ４、根据测量得到的果树冠层枝叶的形态特征信息，建立果树冠层不同类型枝条和叶子的空间分布模型；Ｓ５、利用步骤Ｓ１～Ｓ４的结果重建果树整体形态结构三维模型。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：陆声链，郭新宇，赵春江，温维亮，魏学礼，
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：11