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導致湖北省乃至全國的油菜種植面積不斷減少。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量以及解決機械化生產的問題，而對作物表型的研究

2、當仁不讓成了解決以上問題的關鍵。目前有關作物表型參數(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)代光學技術的油菜株型表型參數(shù)研究較少;②無法完成相關表型參數(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)字農業(yè)研究和發(fā)展指明了新方向。
　　三維激光掃描技術（3D Laser Scanning Techonlogy）作為近年來出現(xiàn)的新興技術，是一種先進的全自動、高精度的立體掃描技術，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，該技術已經(jīng)在越來越多領域得到了應用。因此，本文將使用激光測距技術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)關鍵表型參數(shù)的自動測量。主要研

4、究內容及成果如下所示:(1)點云數(shù)據(jù)獲取:搭建了基于激光掃描技術的三維點云數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，并在此基礎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)進行預處理，為后期的分割奠定了良好的數(shù)據(jù)基礎;(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)格式之間的轉換、三維點坐標的自動讀取、點云數(shù)據(jù)