一种藤蔓类植物的三维模型建立方法技术

本发明专利技术提供一种藤蔓类植物的三维模型建立方法，具体步骤为获取藤蔓类植物的藤蔓、叶柄和叶片的形态特征信息；根据叶柄在藤蔓上的着生节位将叶片分为3个着生节位区间，每个着生节位区间选取若干个叶片并进行三维扫描，用来建立所述藤蔓类植物叶片的三维模型；建立所述藤蔓类植物的藤蔓和叶柄的三维模型；建立所述藤蔓类植物的整体形态三维模型。本发明专利技术在使最终建立的植物三维模型具有更高的准确性和精度的同时，最大限度降低数据采集的工作量，为开展作物株型分析、植物冠层生理生态指标计算等农学研究提供简单实用的基础数据制备方法。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一般的三维测量数据处理或三维图形产生，尤其涉及一种基于三维数字化数据的藤蔓类植物的三维模型建立方法。
技术介绍
为建立植物的三维形态结构，部分研究者提出了基于形态特征参数的三维植物建模方法，这种方法首先通过获取植物器官和植株上的形态特征参数，基于这些参数建立植物主要器官的参数化几何模型，基于各个器官的几何模型，结合植物的拓扑结构特性，通过某种随机方法或交互式设计方法组合各个器官形成植物整体结构的三维造型。这种方法中由于植物器官具有极为复杂的外形轮廓，通过少数几个参数描述的几何模型很难重建与真实器官表面形态十分贴近的三维模型，同时在组合器官几何模型的过程中，方向、角度、大小等的偏差，最终所建立的三维植物模型的精度不高，与真实植物的形态结构存在较大的差距。随着三维数字化技术的不断成熟，数字化仪和三维扫描仪等设备被广泛应用，近年来也逐渐被越来越多的研究者用于植物三维形态的测量和重建中。部分研究者采用三维数字化仪采集植物的空间形态信息，如器官的着生位置、方位角、倾角、长度、宽度、半径等，并基于这些信息重建植物形态结构的三维模型，具体地，这种方法通过采集得到的植物茎干、枝条的空间特征信息，建立植物主要枝干的骨架结构，并结合各枝条的半径信息生成枝干的三维模型；而植物叶片、果实等器官的三维形态可以通过从这些器官上采集得到的形态参数，结合参数曲面技术进行重建；最后将叶子和果实器官的三维形态放置到枝干三维模型上，即可实现植物形态的三维重建。这种方法中由于三维数字化仪每次仅能够获取一个空间点，基于这些植物器官表面少量特征点重建的三维模型的精度受到影响，特别是对具有较为明显的卷曲、褶皱等形态特征的叶子、果实等器官，其空间形态难以仅仅通过少量几个空间特征点进行重建。因此重建的植物三维模型中，冠层叶子的曲面网格的准确性和精度都有待提高。也有研究者利用三维激光扫描仪获得植物表面的空间数据点(一般称为点云数据)，然后从这些点云数据上重构植物器官或植株的三维模型。由于三维激光扫描仪能够快速地植物表面的大量空间点，从而能够更加精确地测量或重建植物的外形轮廓结构。但由于植物冠层中器官众多，遮挡问题严重，因此部分人仅用来获取植物单个器官(如果实、叶子)的三维点云并重建器官的三维网格模型，此外，也有部分研究者基于大型三维激光扫描仪具有的测量范围大、测量速度快等优点，将其用于高大树木的三维重建，这样重建得到的三维植物冠层结构与真实植物还存在较大的差别，特别是叶子的密度、空间朝向、叶面积等都可能与实际存在较大的误差，难以应用于进行冠层光分布特性、株型特征等的研究和分析。而如果使用小型激光三维扫描仪逐个获取器官的点云数据并重建器官的三维模型，则重建整株植物的三维形态结构需要大量的数据采集，以及繁琐的后期曲面拼接处理工作。部分研究者则结合三维数字化仪和三维激光扫描仪的各自优势，提出了综合采用两种设备进行植物形态数据测量并进行植物形态结构的精确重构。该方法在进行枝干空间特征点采集时，由于只对植物主茎和叶柄进行特征点采集，并用叶柄的朝向控制后期植株重建时放置的叶片网格模型的方向，但叶柄的朝向仅指定了叶子的方位角，而无法确定叶片的倾角，即叶片与地面的夹角，因此采用该方法重建的植株三维模型中，每个叶片的叶倾角都是相同的(或随机确定)，而这显然与真实植物的叶子空间姿态不符，从而造成重建的植株模型中，冠层投影面积、叶面积指数等统计数据与真实植株存在较大误差，极大降低三维重建的质量，并影响进一步进行植物冠层生理指标计算的准确性。
技术实现思路
(一)所要解决的技术问题本专利技术通过提供，提高建立三维模型的准确性和精度，降低了数据采集量，减少植物三维模型建立所需要的数据获取时间。(二)技术方案，包括以下步骤SI、获取藤蔓类植物的藤蔓、叶片和叶柄的形态特征信息；S2、根据叶柄在藤蔓上的着生节位将叶片分为3个着生节位区间，每个着生节位区间选取若干个叶片并进行三维扫描，用来建立所述藤蔓类植物叶片的三维模型；S3、建立所述藤蔓类植物的藤蔓和叶柄的三维模型；S4、根据所述藤蔓类植物的藤蔓、叶柄和叶片的三维模型建立所述藤蔓类植物的整体形态三维模型。所述步骤SI具体包括利用三维数字化仪分别获取所述植物的藤蔓、叶片和叶柄的形态特征信息。优选的，所述藤蔓类植物以节间为单位，所述步骤S I具体包括每个节间用三维数字化仪获取预设数目个特征点，其中一个点位于叶柄在藤蔓上的着生点；其余点分别位于叶片与叶柄的交叉点、叶尖处、叶片左右两边的最宽处。优选的，所述预设数目为5。优选的，步骤S2具体包括S21、从所述藤蔓类植物中选取第一预定数目棵植株，测量植株的叶片总数量，然后计算植株的叶片平均数；S22、基于所述叶片平均数，根据叶柄在藤蔓上的着生节位的位置，将叶片分为3个着生节位区间，每个着生节位区间选取第二预定数目个叶片；S23、采用三维扫描仪从正面获取所述叶片的三维点云数据，并采用Delaunay三角剖分法从三维点云中生成每个叶片的三维模型。优选的，所述叶片的3个着生节位区间为着生节位区间A:0 <着生节位<「0.25X叶片平均数I;着生节位区间B:「0.25x叶子平均数I<着生节位< Γ0.75Χ叶片平均数I;着生节位区间C:「0.75x叶片平均数I <着生节位。优选的，步骤S3具体包括S31、将叶柄在藤蔓上的着生点作为控制点，用B样条曲线表示每条藤蔓；S32、在所述叶柄与叶片交叉点和该叶柄在藤蔓上的着生点之间生成一个新特征点，并将这三个点作为叶柄的特征点，用B样条曲线表示每条叶柄，从而利用B样条曲线表示的藤蔓和叶柄建立每株植物的藤蔓和叶柄的骨架结构；S33、基于所述每株植物的藤蔓和叶柄的骨架结构，生成每条曲线的三维网格曲面,从而建立植物藤蔓和叶柄的三维网格模型。优选的,所述步骤S4具体包括S41、基于步骤S3所述的三维网格模型中的每根叶柄，根据该叶柄的着生节位，随机选取一个对应着生节位区间类型的叶片的三维模型放置到该叶柄的顶端；S42、调整所放置的叶片三维模型的方向和大小，从而完成植株的整体形态结构三维模型的建立。优选的,所述步骤S2之后,进一步包括对所述植物的叶片的三维模型进行归一化处理,并建立所述植物的叶片三维模型模板库的步骤；所述步骤S41具体包括基于步骤S3所述的三维网格模型中的每根叶柄，根据该叶柄的着生节位，从叶片三维模型模板库中对应着生节位区间类型的叶片三维模型中，随机选取一个叶片三维模型放置到该叶柄的顶端。优选的，所述对所述植物的叶片的三维模型进行归一化处理，并建立所述植物的叶片三维模型模板库具体包括通过三维模型的顶点平衡和顶点缩放对所述植物的叶片的三维模型进行归一化处理；并记录每个叶片三维模型的四个关键顶点，建立所述植物的叶片三维模型模板库。(三)有益效果本专利技术通过三维数字化仪获取植物藤蔓和叶子上的少数几个主要形态特征点，同时通过小型高精度三维扫描仪抽样获取叶片的三维网格模型，能够满足在农田和设施环境下对植物进行原位、无损测量的要求，不仅使最终重建的植物三维模型具有更高的准确性和精度，同时更充分考虑了降低数据采集工作量的需要，在数据采集时只需要获取少数几个形态特征点和最多扫描24个叶子的叶片三维点云数据，因此也十分适合进行植物本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种藤蔓类植物的三维模型建立方法，其特征在于包括以下步骤：S1、获取藤蔓类植物的藤蔓、叶片和叶柄的形态特征信息；S2、根据叶柄在藤蔓上的着生节位将叶片分为3个着生节位区间，每个着生节位区间选取若干个叶片并进行三维扫描，用来建立所述藤蔓类植物叶片的三维模型；S3、建立所述藤蔓类植物的藤蔓和叶柄的三维模型；S4、根据所述藤蔓类植物的藤蔓、叶柄和叶片的三维模型建立所述藤蔓类植物的整体形态三维模型。

【技术特征摘要】
1.一种藤蔓类植物的三维模型建立方法，其特征在于包括以下步骤 51、获取藤蔓类植物的藤蔓、叶片和叶柄的形态特征信息； 52、根据叶柄在藤蔓上的着生节位将叶片分为3个着生节位区间，每个着生节位区间选取若干个叶片并进行三维扫描，用来建立所述藤蔓类植物叶片的三维模型； 53、建立所述藤蔓类植物的藤蔓和叶柄的三维模型； 54、根据所述藤蔓类植物的藤蔓、叶柄和叶片的三维模型建立所述藤蔓类植物的整体形态三维模型。2.如权利要求I所述方法，其特征在于，所述步骤SI具体包括利用三维数字化仪分别获取所述植物的藤蔓、叶片和叶柄的形态特征信息。3.如权利要求2所述方法，其特征在于，所述藤蔓类植物以节间为单位，所述步骤SI具体包括每个节间用三维数字化仪获取预设数目个特征点，其中一个点位于叶柄在藤蔓上的着生点；其余点分别位于叶片与叶柄的交叉点、叶尖处、叶片左右两边的最宽处。4.如权利要求3所述方法，其特征在于，所述预设数目为5。5.如权利要求I所述方法，其特征在于，步骤S2具体包括 521、从所述藤蔓类植物中选取第一预定数目棵植株，测量植株的叶片总数量，然后计算植株的叶片平均数； 522、基于所述叶片平均数，根据叶柄在藤蔓上的着生节位的位置，将叶片分为3个着生节位区间，每个着生节位区间选取第二预定数目个叶片； 523、采用三维扫描仪从正面获取所述叶片的三维点云数据，并采用Delaunay三角剖分法从三维点云中生成每个叶片的三维模型。6.如权利要求5所述方法，其特征在于，所述叶片的3个着生节位区间为 着生节位区间A :0 <着生节位< f0.25x叶片平均数I; 着生节位区间B :「0.25x叶子平均数I <着生节位<『0.75X...

【专利技术属性】
技术研发人员：陆声链，郭新宇，肖伯祥，王传宇，吴升，
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：