CN108171745A - 一种三维植物植株投影面积计算方法 - Google Patents

一种三维植物植株投影面积计算方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种三维植物植株投影面积计算方法，该方法包括如下步骤：(1)三维网格预处理，对植物叶片进行细分；(2)生成投影网格，利用重心点作为投影重叠判断依据，准确剔除重叠网格；(3)计算投影面积。本发明的三维植物植株投影面积计算方法，在降低网格重叠剔除计算工作量的同时，明显提高了投影面积计算的准确性。

Description

一种三维植物植株投影面积计算方法
技术领域
本发明涉及农业信息技术领域，具体的说涉及一种三维植物植株投影面积计算方法。
背景技术
在农业育种、栽培、园林设计等应用中，经常需要计算植物的投影面积。投影面积是反应叶片开张角度、受光面积的重要参数，也是与产量直接相关的形态参数。准确计算植物投影面积在农业生产管理、园林绿化等领域中具有重要的指导意义。由于植物的叶片、茎干形态多样，在地面上的投影通常极不规则，同时受到器官倾斜角度的影响，投影面积计算准确性不高，且计算速度慢。这使得准确、快速测量植物的投影面积成为工程和学术研究领域的热点问题之一。
目前公认的比较准确的方法是利用图像分析软件或分析技术对三维场景中植株顶视图进行手动测量植株投影面积的方法，但是该方法需要很大的工作量。
为了减轻手工测量的工作量，有的研究利用三维结构模型来计算植物投影面积。目前现有的基于三维结构模型的植物投影面积计算方法主要包括两种，一种是基于投影面积的估算方法(例如文献【刘慧,徐慧,沈跃,等.Kinect传感器的植株冠层三维数据测量.农业现代化研究,2016,37(5):995-1000.】)。另一种是基于三维模型的面积逼近法(例如文献【侯志远；基于点云数据的小麦几何形态交互式测量方法研究，河南农业大学，硕士学位论文，2014】)。但是上述计算方法仍然存在两个缺点，一是忽略了漏光现象，使得计算结果不够准确；二是循环计算量大，计算时间长。
因此需要开发一种计算方便且准确的计算植物投影面积的方法。
发明内容
本发明目的在于提供一种三维植物植株投影面积计算方法，该方法包括如下三个步骤：
S1.三维网格预处理，对植物叶片进行合理细分：该步骤用来对需要计算投影面积的三维植物进行预处理，为后续计算植株投影面积提供基础数据，具体处理包括如下3个小步骤：
S11：查找三维最小叶片长度：循环比较三维植物上的每个叶片，找到叶片长度最小的叶片，记录下最小叶片长度为LeafLengthmin；
S12：计算最大网格边长EdgeLengthmax：令EdgeLengthmax＝LeafLengthmin/5.0；
S13：网格细分：检查三维植物的每个网格面元，若某个网格面元存在边长大于EdgeLengthmax，则对该网格边进行细分，即将该网格面元分成两个边长更小的网格；对细分后的网格面元进行同样的处理，最终使得整个三维植物的网格中，不存在边长大于EdgeLengthmax的情况；
S2.生成投影网格，利用重心点作为投影重叠判断依据，准确剔除重叠网格：该步骤用来生成三维植物在XOY平面上的投影网格，其处理过程为，先构建一个空的投影网格集Meshp，然后对经步骤(1)处理后得到的三维植物的细分网格中的每个网格面元t,进行如下处理：
S21：将面元t投影到XOY平面上，即将t的3个顶点的Z分量值均为零，记投影后的面元为tp；
S22:计算面元tp的重心点vtp；
重心点计算采用的是三角形重心点计算公式：
假定面元tp的三个顶点分别为v1(xv1,yv1,zv1)、v2(xv2,yv2,zv2)、v3(xv3,yv3,zv3)。其中xv1,yv1,zv1分别表示顶点v1的x、y、z坐标。
则，tp的重心点Vtp的x、y、z坐标计算如下：
xvtp＝(xv1+xv2+xv3)/3
yvtp＝(yv1+yv2+yv3)/3
zvtp＝(zv1+zv2+zv3)/3
S23:查看投影网格集Meshp是否为空，若为空，则跳到S25；若不为空则跳到S24；
S24：循环检查Meshp中的每个面元，若点vtp落在某个面元内，则跳到S21，处理下一个面元；若点vtp不在Meshp中的任一面元内，则跳到S25；
S25：将面元tp添加到投影网格集Meshp中；
S3.计算投影面积：根据S2的描述，循环处理完三维植物的每个网格面元后，对得到的投影网格集Meshp，计算其中每个网格面元的面积并累加，即可得到该三维植物植株的投影面积。
对上述步骤生成的三维植物细分网格和投影网格集Meshp，利用OpenGL、DirectX等三维图形API，结合C++、Java等程序设计语言，还可实现三维植物及其投影的可视化显示，即S4.显示投影网格。
本发明提供的一种三维植物植株投影面积计算方法的技术关键点如下：
(1)为了解决叶片不规则形态影响投影面积计算精度的问题，本发明通过将三维植物网格根据其叶片特征进行合理细分，并为后续计算植株投影面积提供基础。
(2)为了解决重复投影检测和剔除工作量大的问题，本发明将细分网格重心点作为网格在地面投影是否重叠的判断依据，而无需用整个网格曲面上的所有点进行重叠判断，在降低网格重叠剔除计算工作量的同时，尽可能降低投影面积的计算误差，从而提高三维植物投影面积计算的准确性和速度。
本发明的技术效果：
与现有技术相比，本发明的主要技术特征在于：(1)根据三维植物自身叶片的特征对网格进行合理细分。(2)将细分网格中心点作为网格在地面投影是否重叠的判断依据，而无需用整个网格曲面上的所有点进行重叠判断。(3)由于本发明是对整个三维植株的网格面元进行投影剔除后进行投影面积计算，因此能够较好地处理植物冠层中普遍存在的漏光现象。综合而言，本发明在降低网格重叠剔除计算工作量的同时，也提高了投影面积计算的准确性。
以图4所示的黄瓜植株三维模型进行了试验，图5中不仅输出了该三维模型在XOY平面的投影面积计算结果，同时也将其投影绘制并显示出来了。从图5中也可以看出，本发明的投影面积计算方法中，不仅较好地维持了植物冠层在地面投影的外形轮廓，同时也能够看到植物冠层的漏光情况，没有把漏光的区域面积计算在投影面积里。
本发明在今后能为基于三维模型的多种植物投影面积估算提供快速、准确的方法，尤其是如黄瓜、番茄、西瓜等植株形态变化多样、叶片形态不规则的植物投影面积计算精度将得到大幅提升。
附图说明
图1一个网格面元的细分示意图(细分前)
图2一个网格面元的细分示意图(一次细分后)
图3一个网格面元的细分示意图(2次细分后)
图4一个包含8个叶子的黄瓜植株三维模型
图5黄瓜植株三维模型投影面积计算及可视化结果
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细的描述，以下实施例仅用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
实施例一计算一株黄瓜的三维模型投影面积和可视化结果
包括如下步骤：
S1.三维网格预处理，对植物叶片进行合理细分：
S11：查找三维最小叶片长度：循环比较三维植物上的每个叶片，找到叶片长度最小的叶片，记录下最小叶片长度为LeafLengthmin；
S12：计算最大网格边长EdgeLengthmax：令EdgeLengthmax＝LeafLengthmin/5.0；
S13：网格细分：检查三维植物的每个网格面元，若某个网格面元存在边长大于EdgeLengthmax，则对该网格边进行细分，即将该网格面元分成两个边长更小的网格；对细分后的网格面元进行同样的处理，最终使得整个三维植物的网格中，不存在边长大于EdgeLengthmax的情况；
S2.生成投影网格，利用重心点作为投影重叠判断依据，准确剔除重叠网格：
S21：将面元t投影到XOY平面上，即将t的3个顶点的Z分量值均为零，记投影后的面元为tp；
S22:计算面元tp的重心点vtp；
S23:查看投影网格集Meshp是否为空，若为空，则跳到S25；若不为空则跳到S24；
S24：循环检查Meshp中的每个面元，若点vtp落在某个面元内，则跳到S21，处理下一个面元；若点vtp不在Meshp中的任一面元内，则跳到S25；
S25：将面元tp添加到投影网格集Meshp中；
S3.计算投影面积：根据步骤S2的描述，循环处理完三维植物的每个网格面元后，对得到的投影网格集Meshp，计算其中每个网格面元的面积并累加，即可得到该三维植物植株的投影面积。
S4.显示投影网格：对上述步骤生成的三维植物细分网格和投影网格集Meshp，利用OpenGL、DirectX等三维图形API，结合C++、Java等程序设计语言，即可实现三维植物及其投影的可视化显示。
选取一株黄瓜植株，进行具体的计算如下：
在植物骨架获取与三维可视化(SkeletonVisual)软件中，利用fastrak运动跟踪定位系统捕捉叶片、叶柄、节等器官的空间关键点，空间关键点可决定器官的大小、空间位置和空间姿态。软件后台会自动调用一个器官模板，还原器官三维形态。器官三维形态和位置由空间关键点决定。完成后的黄瓜植株如图4所示。以上完成三维植物植株投影面积计算的准备工作。
S1：三维网格预处理，对植物叶片进行合理细分。叶片模板在空间关键点的控制下，叶片模板的三角形面元会发生扩大或缩小，为了使参与投影面积计算的三角形面积更加合理，提高计算精度，需要利用S1对叶片的三角形面元进行合理细分，细分的示意图见图1-3。黄瓜最小叶片长度为4.07，在经过细分之后所有叶片的网格边最大长度EdgeLengthmax均小于0.814，即认为叶片的三维网格已得到合理细分。
S2：执行S2将所有叶片的网格均投影到XOY平面上，得到所有叶片的投影网格，利用S22和S23判断是否有网格重叠，剔除重叠的网格，并将最终的网格存入网格集Meshp中。
S3：执行S3，计算其中每个网格面元的面积并累加，即可得到该三维植物植株的投影面积，如图5所示，黄瓜植株的总叶面积是1485.9cm2，投影面积为875.5cm2。
S4：执行S4，利用OpenGL三维图形API，结合C++程序设计语言，即可实现三维植物及其投影的可视化显示。
从图5中也可以看出，本发明的投影面积计算方法中，不仅较好地维持了植物冠层在地面投影的外形轮廓，同时也能够看到植物冠层的漏光情况，没有把漏光的区域面积计算在投影面积里。
对比效果：
同样的上面的一株黄瓜植株，利用三维场景中顶视图的图像，在图像分析软件(Adobe Photoshop)中手动测量植株投影面积的方法，确定三维植株的实际投影面积为890.6cm2。
用实施例一的方法计算出来的黄瓜植株的投影面积875.5cm2，与手动计算出来的误差率在2％以内。

Claims (3)

1.一种三维植物植株投影面积计算方法，其特征在于该方法包括如下步骤：(1)三维网格预处理，对植物叶片进行细分；(2)生成投影网格，利用重心点作为投影重叠判断依据，准确剔除重叠网格；(3)计算投影面积。
2.根据权利要求1所述的三维植株投影面积计算方法，其特征在于该方法包括如下步骤：
S1.三维网格预处理，对植物叶片进行合理细分：
S11：查找三维最小叶片长度：循环比较三维植物上的每个叶片，找到叶片长度最小的叶片，记录下最小叶片长度为LeafLengthmin；
S12：计算最大网格边长EdgeLengthmax：令EdgeLengthmax＝LeafLengthmin/5.0；
S13：网格细分：检查三维植物的每个网格面元，若某个网格面元存在边长大于EdgeLengthmax，则对该网格边进行细分，即将该网格面元分成两个边长更小的网格；对细分后的网格面元进行同样的处理，最终使得整个三维植物的网格中，不存在边长大于EdgeLengthmax的情况；
S2.生成投影网格，利用重心点作为投影重叠判断依据，准确剔除重叠网格：
S21：将面元t投影到XOY平面上，即将t的3个顶点的Z分量值均为零，记投影后的面元为tp；
S22:计算面元tp的重心点vtp；
S23:查看投影网格集Meshp是否为空，若为空，则跳到S25；若不为空则跳到S24；
S24：循环检查Meshp中的每个面元，若点vtp落在某个面元内，则跳到S21，处理下一个面元；若点vtp不在Meshp中的任一面元内，则跳到S25；
S25：将面元tp添加到投影网格集Meshp中；
S3.计算投影面积：根据步骤S2的描述，循环处理完三维植物的每个网格面元后，对得到的投影网格集Meshp，计算其中每个网格面元的面积并累加，即可得到该三维植物植株的投影面积。
3.根据权利要求1或2所述的三维植株投影面积计算方法，其特征在于还包括如下步骤：
S4.显示投影网格：对上述步骤生成的三维植物细分网格和投影网格集Meshp，利用OpenGL或DirectX三维图形API，结合C++或Java程序设计语言，实现三维植物及其投影的可视化显示。
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