面向成熟期油菜表型參數(shù)自動測量的點云數(shù)據(jù)處理方法研究.pdf

1、目前，油菜主要用于動物飼料、可食用植物油以及生物柴油的加工，其主要生產(chǎn)區(qū)包括歐盟、加拿大、中國、印度以及澳大利亞。2000年，油菜油成為繼大豆、棕櫚油后的第三大可食用植物油，同時，也是飼用蛋白質(zhì)的第二大來源。但近年來由于其他油料作物的大量進口、勞動力減少、油菜種植機械化程度低以及種植效益低等原因?qū)е潞笔∧酥寥珖挠筒朔N植面積不斷減少。因而，油菜栽培以及育種的主要目標就是最大限度的提高油菜產(chǎn)量以及解決機械化生產(chǎn)的問題，而對作物表型的研究

2、當仁不讓成了解決以上問題的關(guān)鍵。目前有關(guān)作物表型參數(shù)自動測量的方法雖然取得了較為豐碩的研究成果，但針對油菜表型參數(shù)的自動測量研究，仍然存在諸多問題有待解決，主要體現(xiàn)在以下三點:①基于現(xiàn)代光學(xué)技術(shù)的油菜株型表型參數(shù)研究較少;②無法完成相關(guān)表型參數(shù)的自動測量;③一般基于可見光圖像表型參數(shù)自動測量的方法大都在二維空間中實現(xiàn)，不適用于存在大量遮擋的成熟期油菜表型參數(shù)（如角果數(shù)量統(tǒng)計等）測量。故，成熟期油菜植株表型參數(shù)的無損自動測量是油菜育種中亟

3、待解決的問題，同時也為數(shù)字農(nóng)業(yè)研究和發(fā)展指明了新方向。
　　三維激光掃描技術(shù)（3D Laser Scanning Techonlogy）作為近年來出現(xiàn)的新興技術(shù)，是一種先進的全自動、高精度的立體掃描技術(shù)，通過激光測距原理能夠更加快速、實時以及精準的采集物體表面三維信息。目前，該技術(shù)已經(jīng)在越來越多領(lǐng)域得到了應(yīng)用。因此，本文將使用激光測距技術(shù)獲取成熟期油菜植株的點云數(shù)據(jù)，完成油菜角果和枝干的自動分割，實現(xiàn)關(guān)鍵表型參數(shù)的自動測量。主要研

4、究內(nèi)容及成果如下所示:(1)點云數(shù)據(jù)獲取:搭建了基于激光掃描技術(shù)的三維點云數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，并在此基礎(chǔ)上完成了成熟期油菜植株三維點云數(shù)據(jù)的獲取;(2)點云數(shù)據(jù)預(yù)處理:針對采集到的原始點云數(shù)據(jù)具有無序、冗余及數(shù)據(jù)量極大等特點，本試驗通過數(shù)據(jù)一致性保證、點云數(shù)據(jù)的組織存儲、點云簡化以及點云濾波四個步驟對原始數(shù)據(jù)進行預(yù)處理，為后期的分割奠定了良好的數(shù)據(jù)基礎(chǔ);(3)作物器官分割:首先提出了基于法向量特征的角果器官分割算法，利用該算法對單分枝點云進行

5、角果分割，正確分割率可達95.16％;但利用該算法進行整株油菜角果器官分割，正確分割率僅為89.63％，且分割結(jié)果評定階段需過多的人工參與。為改善以上問題，本文又提出了基于特征統(tǒng)計的角果器官分割算法，該算法不僅減少了人工參與的工作量，還取得了令人滿意的分割效果，單分枝點云的角果正確分割率達100％，整株油菜植株角果器官的正確分割率也可達97.04％;同時，還能實現(xiàn)植株骨架的提取。鑒于植株主干生長特性，本文采用基于隨機抽樣一致性的主干提取

6、算法，實現(xiàn)了主干器官的完整提取。(4)表型參數(shù)測量:本文在對點云數(shù)據(jù)進行一系列處理的基礎(chǔ)上完成了角果數(shù)量的統(tǒng)計、角果體積以及植株高度的測量。①角果數(shù)量統(tǒng)計:以人工統(tǒng)計結(jié)果為參考，單分枝角果數(shù)為62個，基于法向量特征的點云分割算法最佳情況下分割出59個角果，而基于特征統(tǒng)計的點云分割算法則實現(xiàn)了62個角果的正確分割。整株油菜的角果個數(shù)為135個，基于法向量特征的點云分割算法正確分割的角果為121個，而基于特征統(tǒng)計的點云分割算法則完成了131

7、個角果的正確分割;②角果體積的測量:首先完成角果點云數(shù)據(jù)的三角網(wǎng)格化，然后修補孔洞，最后在完整的角果點云三角化模型上完成體積參數(shù)的自動測量;③株高的測量:通過程序直接讀取主干兩端點的三維坐標值，借助兩點間距離公式即可求得植株高度，試驗結(jié)果與參照值相比誤差僅為0.80％;(5)完成了油菜植株三維點云處理原型系統(tǒng)的開發(fā)，該系統(tǒng)同時支持.pcd格式和.xyz格式的數(shù)據(jù)操作，具體包括的功能有不同數(shù)據(jù)格式之間的轉(zhuǎn)換、三維點坐標的自動讀取、點云數(shù)據(jù)