油菜群體模型的構(gòu)建方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種油菜群體模型的構(gòu)建方法，包括以下步驟：S1：獲取油菜群體田間數(shù)據(jù)；S2：獲取油菜群體室內(nèi)數(shù)據(jù)；S3:構(gòu)建單株油菜模型；S4:構(gòu)建油菜群體模型。本發(fā)明具有的有益效果是，通過使用本發(fā)明所述建立油菜群體模型的構(gòu)建方法，通過轉(zhuǎn)化還原到田間原位生長狀態(tài)來建立田間還原型油菜群體模型，具有模型真實(shí)度高，誤差小，建模工作量小，方法簡單，成本低廉的優(yōu)點(diǎn)。
【專利說明】油菜群體模型的構(gòu)建方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及農(nóng)業(yè)方面的植物計(jì)算機(jī)虛擬建模領(lǐng)域，具體涉及一種油菜群體模型的構(gòu)建方法。
【背景技術(shù)】
[0002]用計(jì)算機(jī)模擬植物三維空間結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)模型被稱之為虛擬植物模型，又稱之為數(shù)字植物模型，能夠在作物育種、栽培和景觀設(shè)計(jì)中起到重要作用。在植物虛擬三維結(jié)構(gòu)模型研究中，基于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的植物群體模型構(gòu)建和研究，比較有代表性的是玉米群體模型和水稻群體模型，但是禾本科植物葉片狹長，比較簡單，只需要測(cè)量葉緣和中脈即可建立葉片模型，從而建立群體模型。而油菜花序復(fù)雜，枝、花和莢果數(shù)量多，建模難度大，油菜葉片較大、卷曲、皺褶較多，難以測(cè)量與建模，導(dǎo)致該方法不能推廣應(yīng)用到構(gòu)建油菜群體模型中。
[0003]有研究者建立了煙草的群體模型，方法如下:用三維數(shù)字化儀在田間測(cè)量葉片的輪廓，建立輪廓的群體模型，在室內(nèi)用三維掃描儀掃描空間形態(tài)，通過計(jì)算機(jī)算法把室內(nèi)掃描填充到輪廓之中。從而建立煙草的群體模型。煙草也是闊葉植物，葉片也較為復(fù)雜，該方法可以應(yīng)用于油菜群體模型構(gòu)建。但是該方法有兩大問題:首先，在田間需要另外的三維數(shù)字化儀對(duì)煙草輪廓進(jìn)行數(shù)字化，又要室內(nèi)用三維掃描儀掃描，工作量比較大，而且需要另外配置三維數(shù)字化儀，成本較高；其次，填充還原的葉片明顯失真，在計(jì)算冠層分析、評(píng)估株型方面面臨較大的誤差。而三維模型的優(yōu)勢(shì)在于精細(xì)化分析，才能給育種和栽培提供參考，因此該方法模型的失真，背離了三維模型建立的初衷。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0004]本發(fā)明第一目的在于提供一種油菜群體模型的構(gòu)建方法，解決現(xiàn)有油菜群體模型構(gòu)建方法復(fù)雜，工作量大，成本較高，模型失真明顯，誤差較大的缺點(diǎn)，更好的為農(nóng)業(yè)科研和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)服務(wù)。
[0005]為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種油菜群體模型的構(gòu)建方法，包括以下步驟:
S1:獲取油菜群體田間數(shù)據(jù)，包括上述油菜群體中同一油菜不同葉片的相對(duì)方位角，不同油菜之間的相對(duì)位置、莖桿相對(duì)方位角和不同高度的莖桿直徑；
S2:獲取油菜群體室內(nèi)數(shù)據(jù)，將上述油菜群體分別單株帶土移到室內(nèi)并固定，選取上述油菜群體中任意一株油菜為第一株油菜，測(cè)量上述第一株油菜的葉片相對(duì)方位角，并利用三維掃描儀掃描獲取第一株油菜葉片和莖桿的激光點(diǎn)云網(wǎng)格數(shù)據(jù)、生成葉片三維模型數(shù)據(jù)庫和莖桿三維模型數(shù)據(jù)庫，之后依次掃描其余油菜并編入模型數(shù)據(jù)庫中；
S3:構(gòu)建單株油菜模型，將S2步驟中在三維掃描儀中產(chǎn)生的第一株油菜的葉片模型拼接到其莖桿模型上，生成上述第一株油菜的可視化三維單株油菜模型，根據(jù)上述第一株油菜在SI和S2步驟中所測(cè)量的葉片相對(duì)方位角的差別，對(duì)上述第一株油菜在S3步驟中生成的三維模型進(jìn)行空間坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)變換，使單株油菜模型與田間真實(shí)生長方向保持一致； S4:構(gòu)建油菜群體模型，包括田間還原型油菜群體模型，上述田間還原型群體模型先利用上述S3步驟建立除第一株油菜外的其他油菜的三維模型；將上述第一株油菜作為基點(diǎn)，對(duì)于群體中其他油菜，根據(jù)SI步驟中所測(cè)的其他油菜與基點(diǎn)的相對(duì)位置數(shù)據(jù)，利用坐標(biāo)平移和復(fù)制，將其他油菜的三維模型移到相對(duì)位置處，組成與田間真實(shí)生長完全一致的群體模型。
[0006]進(jìn)一步地,步驟SI包括:
511:天氣選擇，選擇陰天或雨天在田間進(jìn)行取樣并盡快于室內(nèi)測(cè)量，或?yàn)榍缣?，則需在取樣前一天，提前對(duì)上述油菜群體進(jìn)行澆水灌溉；
512:時(shí)間選擇，選擇上午7點(diǎn)-8點(diǎn)作為上述油菜群體田間數(shù)據(jù)采集和取樣的時(shí)間節(jié)
占.513:上述油菜群體樣本選擇，選擇葉片充分伸展，無卷曲葉片面積適中的相鄰油菜植株作為油菜群體樣本，要求能夠代表大田生長狀況，并將上述油菜群體中葉片和莖桿分類編號(hào);
S14:測(cè)量并采集上述油菜群體中植株相對(duì)距離數(shù)據(jù)(即選擇植株莖桿距離地面高度2cm的中心部位作為基點(diǎn)，以直尺平行兩個(gè)基點(diǎn)放置，測(cè)量兩個(gè)植株之間的距離)；
S15:測(cè)量并采集莖桿相對(duì)方位角和不同高度的莖桿直徑數(shù)據(jù)。
[0007]進(jìn)一步地，上述S2步驟中上述葉片和莖桿三維模型數(shù)據(jù)庫，還包括將上述掃描產(chǎn)生的葉片和莖桿，通過比例縮放形成的大小不同的系列葉片和莖桿。
[0008]進(jìn)一步地，上述S4步驟還包括數(shù)據(jù)后處理過程:包括基于農(nóng)業(yè)的特性對(duì)上述群體模型添加顏色、光照、陰影效果。
[0009]進(jìn)一步地，上述S2步驟在三維掃描儀掃描中還包括:融合冗余數(shù)據(jù)，剔除錯(cuò)誤數(shù)據(jù)，簡化數(shù)據(jù)的過程。
[0010]進(jìn)一步地，上述S4步驟中油菜群體模型還包括虛擬型油菜群體模型；其構(gòu)建過程具體包括如下步驟:
541:歸納葉片面積與葉片相對(duì)方位角關(guān)系，利用所述S2步驟中葉片數(shù)據(jù)庫的葉片模型中葉片面積數(shù)據(jù)和SI步驟中同一油菜上葉片相對(duì)方位角，歸納并擬合同一油菜上葉片面積與葉片相對(duì)方位角的關(guān)系；
542:歸納葉片面積與莖桿直徑的關(guān)系，利用所述S2步驟中葉片數(shù)據(jù)庫的葉片模型中葉片面積數(shù)據(jù)和所述SI步驟中不同高度莖桿直徑數(shù)據(jù)，歸納并擬合同一油菜上葉片面積與莖桿直徑的關(guān)系；
543:構(gòu)建虛擬單株油菜模型，從S2步驟中所述葉片和莖桿三維模型數(shù)據(jù)庫中，隨機(jī)抽取葉片和莖桿，并根據(jù)S42和S41中關(guān)系，隨機(jī)組成多個(gè)虛擬單株油菜模型；
544:構(gòu)建虛擬型群體油菜模型，利用SI步驟中所采集的油菜相對(duì)位置數(shù)據(jù)，隨機(jī)組成虛擬型群體油菜模型。
[0011]本發(fā)明的有益效果是:使用本發(fā)明所述建立油菜群體模型的構(gòu)建方法，通過轉(zhuǎn)化還原到田間原位生長狀態(tài)來建立田間還原型油菜群體模型，具有模型真實(shí)度高，誤差小，建模工作量小，方法簡單，成本低廉的優(yōu)點(diǎn)。
【專利附圖】
【附圖說明】[0012]圖1，為本發(fā)明構(gòu)建田間還原型油菜群體模型的流程圖。
[0013]圖2，為本發(fā)明實(shí)施例1中油菜植株測(cè)量示意圖。
[0014]圖3，為本發(fā)明構(gòu)建虛擬型油菜群體模型的流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0015]下面通過具體實(shí)施例，并結(jié)合附圖，對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步具體說明。
[0016]實(shí)施例1
本發(fā)明提供了一種油菜群體模型的構(gòu)建方法，如圖1所示，包括以下步驟:
S1:獲取油菜群體田間數(shù)據(jù)，包括油菜群體中同一油菜不同葉片的相對(duì)方位角，不同油菜之間的相對(duì)位置、莖桿相對(duì)方位角和不同高度的莖桿直徑。在需要測(cè)量的生長時(shí)期，選擇田間有代表性的油菜小群體，一般選擇3*3共9株油菜，或者2*2共4株油菜，作為研究對(duì)象，預(yù)備在計(jì)算機(jī)上建立該小群體模型，本實(shí)施例中以4株為例。選擇適宜的天氣，如陰雨天氣，如果天氣晴朗，于取樣前一天在小群體進(jìn)行灌溉，保證水分充足，而且選擇在早晨進(jìn)行取樣。這樣植株體內(nèi)水分充分，溫度不太高，植株充分伸展，短期內(nèi)不會(huì)萎蔫，能夠保證測(cè)量的植物和地里生長的不會(huì)存在太大差異。取樣時(shí)間為早晨，對(duì)四株植株進(jìn)行標(biāo)記，根據(jù)方位，在備用紙張上畫出四株分布位置，寫上對(duì)應(yīng)編號(hào)。除去該群體周邊植株。本實(shí)施例中，對(duì)每個(gè)植株選擇三個(gè)葉片，測(cè)量并記錄這些葉片的方位角。選擇的葉片要求如下:中上部比較直挺的葉片，而且三個(gè)葉片方位角相差較大。
[0017]之后以其中一株作為基點(diǎn)，測(cè)量其余三株距離第一株的距離，和相對(duì)方位角。具體測(cè)量如圖2所示:選擇對(duì)應(yīng)基點(diǎn)為植株莖桿中心部位，距離地面高度2cm。以直尺平行兩個(gè)基點(diǎn)放置，測(cè)量兩個(gè)基點(diǎn)(即兩個(gè)植株)之間的距離。以指南針平行于直尺，對(duì)植株編號(hào)從小到大順序測(cè)量，測(cè)量直尺的方位角，即兩個(gè)植株之間的方向。在示意圖上標(biāo)注出植株之間的方位角以及距離。
[0018]S2:獲取油菜群體室內(nèi)數(shù)據(jù)，將油菜群體分別單株帶土移到室內(nèi)并固定，每一株植株都在四周數(shù)值切土，把根系周圍切成方塊土柱或圓柱形土柱，要求入土深度為20cm左右，方塊土柱長寬也約為20cm。隨之小心取出，放置于容器中，小心用三輪車等運(yùn)輸工具運(yùn)輸回實(shí)驗(yàn)室，注意在取樣與運(yùn)輸過程中，要保持植株直立，土球緊密，防止松散，根系外漏，避免植物失水萎蔫，同時(shí)防止取樣過程中對(duì)植物葉片、莖桿、枝條的碰撞，減少油菜取樣運(yùn)輸過程中的變形。實(shí)驗(yàn)室內(nèi)微光，葉片適量噴水，室內(nèi)加濕，保持較為濕潤的環(huán)境，同時(shí)降溫，溫度控制在20度以下(一般都是不進(jìn)陽光的室溫)，在每個(gè)油菜植株土面上澆水，保持植株處于鮮活挺立的狀態(tài)，同時(shí)由于微光條件，抑制油菜植株短期內(nèi)的生長變化以及向光性生長。實(shí)驗(yàn)室內(nèi)固定油菜植株。
[0019]本實(shí)施例中，選取油菜群體中任意一株油菜為第一株油菜，選擇測(cè)量標(biāo)記的三個(gè)葉片，測(cè)量標(biāo)記葉片的方位角。之后對(duì)油菜莖桿和葉片用掃描儀逐一測(cè)量，保證莖桿起點(diǎn)為地上部分2cm，測(cè)量第一株油菜的葉片相對(duì)方位角，并利用三維掃描儀掃描獲取第一株油菜葉片和莖桿的激光點(diǎn)云網(wǎng)格數(shù)據(jù)、生成葉片三維模型數(shù)據(jù)庫和莖桿三維模型數(shù)據(jù)庫，之后依次掃描其余油菜并編入模型數(shù)據(jù)庫中。
[0020]S3:構(gòu)建單株油菜模型，將S2步驟中在三維掃描儀中產(chǎn)生的第一株油菜的葉片模型拼接到其莖桿模型上，生成第一株油菜的可視化三維單株油菜模型，根據(jù)第一株油菜在SI和S2步驟中所測(cè)量的葉片相對(duì)方位角的差別，對(duì)第一株油菜在S3步驟中生成的三維模型進(jìn)行空間坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)變換，使單株油菜模型與田間真實(shí)生長方向保持一致；
S4:構(gòu)建油菜群體模型，包括田間還原型油菜群體模型，田間還原型群體模型先利用S3步驟建立除第一株油菜外的其他油菜的三維模型；將第一株油菜作為基點(diǎn)，對(duì)于群體中其他油菜，根據(jù)SI步驟中所測(cè)的其他油菜與基點(diǎn)的相對(duì)位置數(shù)據(jù)，利用坐標(biāo)平移和復(fù)制，將其他油菜的三維模型移到相對(duì)位置處，組成與田間真實(shí)生長完全一致的群體模型。
[0021]在本實(shí)施例中，作為優(yōu)選實(shí)施方式，步驟SI包括:
511:天氣選擇，選擇陰天或雨天在田間進(jìn)行取樣并盡快于室內(nèi)測(cè)量，或?yàn)榍缣?，則需在取樣前一天，提前對(duì)油菜群體進(jìn)行澆水灌溉；
512:時(shí)間選擇，選擇上午7點(diǎn)-8點(diǎn)作為油菜群體田間數(shù)據(jù)采集和取樣的時(shí)間節(jié)點(diǎn)； S13:油菜群體樣本選擇，選擇葉片充分伸展，無卷曲葉片面積適中的相鄰油菜植株作
為油菜群體樣本，要求能夠代表大田生長狀況，并將油菜群體中葉片和莖桿分類編號(hào)；
514:測(cè)量并采集油菜群體中植株相對(duì)距離數(shù)據(jù)(即選擇植株莖桿距離地面高度2cm的中心部位作為基點(diǎn)，以直尺平行兩個(gè)基點(diǎn)放置，測(cè)量兩個(gè)植株之間的距離)；
515:測(cè)量并采集莖桿相對(duì)方位角和不同高度的莖桿直徑數(shù)據(jù)；
在本實(shí)施例中，作為優(yōu)選實(shí)施方式，S2步驟中葉片和莖桿三維模型數(shù)據(jù)庫，還包括將掃描產(chǎn)生的葉片和莖桿，通過比例縮放形成的大小不同的系列葉片和莖桿；
在本實(shí)施例中，作為優(yōu)選實(shí)施方式，S4步驟還包括數(shù)據(jù)后處理過程:包括基于農(nóng)業(yè)的特性對(duì)群體模型添加顏色、光照、陰影效果。
[0022]在本實(shí)施例中，作為優(yōu)選實(shí)施方式，S2步驟在三維掃描儀掃描中還包括:融合冗余數(shù)據(jù)，剔除錯(cuò)誤數(shù)據(jù)，簡化數(shù)據(jù)的過程。
[0023]實(shí)施例2
結(jié)合實(shí)施例1，如圖3所示，S4步驟中油菜群體模型還包括虛擬型油菜群體模型，其構(gòu)建過程具體包括如下:
在本實(shí)施例中，S41:歸納葉片面積與葉片相對(duì)方位角關(guān)系，利用S2步驟中葉片數(shù)據(jù)庫的葉片模型中葉片面積數(shù)據(jù)和SI步驟中同一油菜上葉片相對(duì)方位角，歸納并擬合同一油菜上葉片面積與葉片相對(duì)方位角的關(guān)系；其中葉片面積數(shù)據(jù)可以通過三維掃描儀中測(cè)得。
[0024]在本實(shí)施例中，S42:歸納葉片面積與莖桿直徑的關(guān)系，利用S2步驟中葉片數(shù)據(jù)庫的葉片模型中葉片面積數(shù)據(jù)和Si步驟中不同高度莖桿直徑數(shù)據(jù)，歸納并擬合同一油菜上葉片面積與莖桿直徑的關(guān)系；
在本實(shí)施例中，S43:構(gòu)建虛擬單株油菜模型，從S2步驟中葉片和莖桿三維模型數(shù)據(jù)庫中，隨機(jī)抽取葉片和莖桿，并根據(jù)S42和S41中關(guān)系，隨機(jī)組成多個(gè)虛擬單株油菜模型；
在本實(shí)施例中，S44:構(gòu)建虛擬型群體油菜模型，利用SI步驟中所采集的油菜相對(duì)位置數(shù)據(jù)，隨機(jī)組成虛擬型群體油菜模型。
[0025]通過構(gòu)建虛擬型油菜群體模型，能夠提供一種符合田間生長模型的虛擬成片油菜作物，既可作為景觀數(shù)字化三維展示，也能夠模擬油菜群體的不同生長狀態(tài)。
[0026]以上所述的實(shí)施例只是本發(fā)明的一種較佳的方案，并非對(duì)本發(fā)明作任何形式上的限制，在不超出權(quán)利要求所記載的技術(shù)方案的前提下還有其它的變體及改型。
【權(quán)利要求】
1.一種油菜群體模型的構(gòu)建方法，其特征在于，包括以下步驟: S1:獲取油菜群體田間數(shù)據(jù)，包括所述油菜群體中同一油菜不同葉片的相對(duì)方位角，不同油菜之間的相對(duì)位置、莖桿相對(duì)方位角和不同高度的莖桿直徑； S2:獲取油菜群體室內(nèi)數(shù)據(jù)，包括將所述油菜群體分別單株帶土移到室內(nèi)并固定，選取所述油菜群體中任意一株油菜為第一株油菜，測(cè)量所述第一株油菜的葉片相對(duì)方位角，并利用三維掃描儀掃描獲取第一株油菜葉片和莖桿的激光點(diǎn)云網(wǎng)格數(shù)據(jù)、生成葉片三維模型數(shù)據(jù)庫和莖桿三維模型數(shù)據(jù)庫，之后依次掃描其余油菜并編入模型數(shù)據(jù)庫中； S3:構(gòu)建單株油菜模型，包括將S2步驟中在三維掃描儀中產(chǎn)生的第一株油菜的葉片模型拼接到其莖桿模型上，生成所述第一株油菜的可視化三維單株油菜模型，根據(jù)所述第一株油菜在SI和S2步驟中所測(cè)量的葉片相對(duì)方位角的差別，對(duì)所述第一株油菜在S3步驟中生成的三維模型進(jìn)行空間坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)變換，使單株油菜模型與田間真實(shí)生長方向保持一致； S4:構(gòu)建油菜群體模型，包括田間還原型油菜群體模型，所述田間還原型群體模型先利用所述S3步驟建立除第一株油菜外的其他油菜的三維模型；將所述第一株油菜作為基點(diǎn)，對(duì)于群體中其他油菜，根據(jù)SI步驟中所測(cè)的其他油菜與基點(diǎn)的相對(duì)位置數(shù)據(jù)，利用坐標(biāo)平移和復(fù)制，將其他油菜的三維模型移到相對(duì)位置處，組成與田間真實(shí)生長完全一致的群體模型。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的油菜群體模型的構(gòu)建方法，其特征在于，步驟SI包括: 511:天氣選擇，選擇陰天或雨天在田間進(jìn)行取樣并盡快于室內(nèi)測(cè)量，或?yàn)榍缣欤瑒t需在取樣前一天，提前對(duì)所述油菜群體進(jìn)行澆水灌溉； 512:時(shí)間選擇，選擇上午7點(diǎn)-8點(diǎn)作為所述油菜群體田間數(shù)據(jù)采集和取樣的時(shí)間節(jié)占.S13:所述油菜群體樣本選擇，選擇葉片充分伸展，無卷曲葉片面積適中的相鄰油菜植株作為油菜群體樣本，要求能夠代表大田生長狀況，并將所述油菜群體中葉片和莖桿分類編號(hào); S14:測(cè)量并采集所述油菜群體中植株相對(duì)距離數(shù)據(jù)(即選擇植株莖桿距離地面高度2cm的中心部位作為基點(diǎn)，以直尺平行兩個(gè)基點(diǎn)放置，測(cè)量兩個(gè)植株之間的距離)； S15:測(cè)量并采集莖桿相對(duì)方位角和不同高度的莖桿直徑數(shù)據(jù)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的油菜群體模型的構(gòu)建方法，其特征在于，所述S2步驟中所述葉片和莖桿三維模型數(shù)據(jù)庫，還包括將所述掃描產(chǎn)生的葉片和莖桿，通過比例縮放形成的大小不同的系列葉片和莖桿。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的油菜群體模型的構(gòu)建方法，其特征在于，所述S4步驟還包括數(shù)據(jù)后處理過程:包括基于農(nóng)業(yè)的特性對(duì)所述群體模型添加顏色、光照、陰影效果。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的油菜群體模型的構(gòu)建方法，其特征在于，所述S2步驟在三維掃描儀掃描中還包括:融合冗余數(shù)據(jù)，剔除錯(cuò)誤數(shù)據(jù)，簡化數(shù)據(jù)的過程。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的油菜群體模型的構(gòu)建方法，其特征在于，所述S4步驟中油菜群體模型還包括虛擬型油菜群體模型；其構(gòu)建過程具體包括如下步驟: S41:歸納葉片面積與葉片相對(duì)方位角關(guān)系，利用所述S2步驟中葉片數(shù)據(jù)庫的葉片模型中葉片面積數(shù)據(jù)和SI步驟中同一油菜上葉片相對(duì)方位角，歸納并擬合同一油菜上葉片面積與葉片相對(duì)方位角的關(guān)系；S42:歸納葉片面積與莖桿直徑的關(guān)系，利用所述S2步驟中葉片數(shù)據(jù)庫的葉片模型中葉片面積數(shù)據(jù)和所述SI步驟中不同高度莖桿直徑數(shù)據(jù)，歸納并擬合同一油菜上葉片面積與莖桿直徑的關(guān)系； S43:構(gòu)建虛擬單株油菜模型，從S2步驟中所述葉片和莖桿三維模型數(shù)據(jù)庫中，隨機(jī)抽取葉片和莖桿，并 根據(jù)S42和S41中關(guān)系，隨機(jī)組成多個(gè)虛擬單株油菜模型； S44:構(gòu)建虛擬型群體油菜模型，利用SI步驟中所采集的油菜相對(duì)位置數(shù)據(jù)，隨機(jī)組成虛擬型群體油菜模型。
【文檔編號(hào)】G06T17/00GK103942835SQ201410161080
【公開日】2014年7月23日 申請(qǐng)日期:2014年4月22日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月22日
【發(fā)明者】李冬, 徐志福, 林寶剛, 張冬青, 石曉燕, 葉宏寶 申請(qǐng)人:浙江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院