采用三維激光掃描方式測量植株形態(tài)的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及植株形態(tài)參數(shù)的測量方法，具體設(shè)及一種采用=維激光掃描方式測量 植株形態(tài)的方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 在農(nóng)學、生物學等領(lǐng)域，植物的外在形態(tài)結(jié)構(gòu)是其內(nèi)在生理生化反應(yīng)的表達，因而 其=維形態(tài)結(jié)構(gòu)一直是植物學研究的重要內(nèi)容之一。玉米作為我國=大農(nóng)作物之一，其= 維形態(tài)結(jié)構(gòu)的研究有重要現(xiàn)實意義。傳統(tǒng)量測上人工采用卷尺、量角器等工具來獲取其= 維形態(tài)結(jié)構(gòu)信息，不僅工作量大、精度低而且測量因子單一、測量過程復雜并容易擾動植物 生長，有時還需在離體條件下測定，對植物生長造成影響，測定結(jié)果受人為因素干擾較多。
[0003] 隨著測繪科學與計算機可視化技術(shù)的發(fā)展，植物的=維形態(tài)虛擬建模逐漸興起， 同時促使"數(shù)字植物"的研究成為熱點。通過"數(shù)字植物"手段將植物=維形態(tài)結(jié)構(gòu)信息數(shù) 量化，可W更加細微和深入地研究植物生長及內(nèi)在生理生化與外在影響因素的定量關(guān)系。 =維激光掃描技術(shù)作為"數(shù)字植物"的一種重要數(shù)據(jù)采集手段，它可W快速獲取=維模型點 云信息，在植物模型重建和形態(tài)參數(shù)提取方面已經(jīng)獲得初步應(yīng)用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 針對現(xiàn)有技術(shù)存在的上述缺陷，本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是，提供一種快速、高精 度的無損監(jiān)測手段來測量玉米等植株形態(tài)，W準確了解其生長情況。
[0005] 為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種采用=維激光掃描方式測量植株形態(tài)的 方法，其特征在于，包括如下步驟：
[0006] 步驟一：采用=維激光掃描方式獲取所述植株的點云數(shù)據(jù)，并導入到=維圖形軟 件中；
[0007] 步驟二：對點云數(shù)據(jù)處理得到所述植株的不規(guī)則S角網(wǎng)模型；
[0008] 步驟S;轉(zhuǎn)換坐標系，使Z軸（豎直方向坐標軸）與所述植株的莖桿豎直方向同 向；
[0009] 步驟四：在=維圖形軟件中對所述植株的不規(guī)則=角網(wǎng)模型進行處理，獲取植株 形態(tài)參數(shù)。
[0010] 作為優(yōu)選，所述步驟四包括如下測量植株的葉片面積的步驟：
[0011] 在所述不規(guī)則S角網(wǎng)模型上選取任意葉片，應(yīng)用S維圖形軟件中的測量工具，即 顯示所選取葉片的面積。
[0012] 作為優(yōu)選，所述步驟四包括如下測量所有葉片的投影面積步驟；旋轉(zhuǎn)所述不規(guī)則 S角網(wǎng)模型到俯視視角，在非貫穿模式下選擇全部葉片，應(yīng)用"測量"工具，所測量出來的葉 片面積就是全部葉片的投影面積。
[0013] 作為優(yōu)選，所述步驟四包括如下測量葉片有效光合作用面積的步驟；沿著光照方 向的視角采用非貫通模式下選擇目標葉片，應(yīng)用"測量"工具，所測量出來的葉片面積就是 目標葉片的有效光合作用面積。
[0014] 作為優(yōu)選，所述步驟四包括如下測量植株莖桿橫截面的面積的步驟；建立垂直于 所述植株莖桿的特征平面，通過"測量"工具測量此特征平面處的莖桿的橫截面積。進一步 地，還包括如下測量植株莖桿橫截面的扁率步驟；通過=維圖形軟件中"曲線"工具中的"創(chuàng) 建特征平面"選項截取莖桿，得到橫截面的輪廓曲線；然后，勾選"顯示"標簽下的"邊界框" 選項，得到緊緊包圍輪廓曲線的矩形邊框，該矩形邊框的長度和寬度即分別為該橫截面的 長軸、短軸長，利用公式扁率=(長軸-短軸）/長軸，計算扁率。
[0015] 作為優(yōu)選，所述步驟四包括如下測量植株的葉片角度的步驟；利用=維圖形軟件 中利用"分析-點坐標"工具，分別在植株的S維葉片上沿主葉脈拾取葉枕部位的點、葉片 基部挺直的部分的點、最高的點和葉尖上的點，分別得到每個的點的坐標信息，計算出葉片 的參數(shù)值：
[0016] 葉基角：葉片基部直挺部分中脈與莖桿朝上方向形成的夾角；
[0017] 開張角：葉尖至葉枕的連線與莖桿的夾角；
[0018] 披垂度；開張角減去葉基角；
[0019] 葉片垂高；葉片最高點到葉枕的高差。
[0020] 作為優(yōu)選，所述步驟四包括如下測量植株的葉片曲率半徑的步驟；沿著葉片主葉 脈每隔一段距離進行參考點采樣，然后W采樣的參考點進行圓-多段線擬合，產(chǎn)生表現(xiàn)葉 片主脈空間曲線，采用"曲線分析"工具，查看參考點處的曲率半徑。
[0021] 作為優(yōu)選，將所述不規(guī)則S角網(wǎng)模型在"曲線"工具下按曲率提取曲線，得到與葉 面密合的沿葉脈的空間曲線W及葉片的邊界輪廓曲線；然后進行參數(shù)交換導入到S維圖形 軟件中，選擇"測量"工具測量葉片的長度和寬度。
[002引 作為優(yōu)選，所述S維圖形軟件為GeomagicStudio與Autodesk Inventor,ProEngineerWil壯ire,CATIAV5中的任意一種或多種的組合。
[0023] 本發(fā)明的采用=維激光掃描方式測量植株形態(tài)的方法具有如下幾個方面的有益 效果；（1)本發(fā)明的=維激光掃描方法可W對植株形態(tài)進行無接觸測量，減少人為影響，方 便實現(xiàn)對植株的原位動態(tài)的監(jiān)測，并具有高精度的特點。本實施例采用玉米為例進行說明， 還可W對高梁、谷子等植株進行測量。
[0024] (2)本發(fā)明的=維激光掃描方法，可W方便地獲得莖桿橫截面積、葉片的曲率半 徑、葉片角度等現(xiàn)有技術(shù)的人工方法難W獲取的形態(tài)指標，可W更細微深入地研究玉米和 其它植物的=維形態(tài)結(jié)構(gòu)。
[00巧](3)采用本發(fā)明的=維激光掃描方法獲取的數(shù)據(jù)均為數(shù)字格式，方便保存和隨時 查看，實現(xiàn)植物數(shù)字化，通過=維激光掃描技術(shù)與計算機技術(shù)通信技術(shù)的無縫結(jié)合和集成， 實現(xiàn)植株形態(tài)監(jiān)測的自動化。
【附圖說明】
[0026] 圖1為本發(fā)明采用=維激光掃描方式測量植株形態(tài)的方法所獲取的植株的點云 數(shù)據(jù)模型；
[0027] 圖2為圖1的點云數(shù)據(jù)分離培養(yǎng)盆和±壤后的不規(guī)則S角網(wǎng)模型；
[0028] 圖3是對圖2中的不規(guī)則S角網(wǎng)模型中的孔洞的示意圖；
[0029] 圖4是對圖2中的不規(guī)則S角網(wǎng)模型轉(zhuǎn)換坐標系的示意圖；
[0030] 圖5是在不規(guī)則S角網(wǎng)模型上測量葉片面積的示意圖；
[0031] 圖6是在不規(guī)則S角網(wǎng)模型上測量莖桿橫截面的面積的示意圖；
[0032]圖7四在不規(guī)則S角網(wǎng)模型上測量莖桿橫截面的長軸與短軸的示意圖；
[0033] 圖8是將不規(guī)則S角網(wǎng)模型在"曲線"工具下按曲率提取曲線，得到與葉面密合的 沿葉脈的空間曲線W及葉片的邊界輪廓曲線的示意圖；
[0034] 圖9是披垂角（披垂度）大致相同的兩個葉片的不同彎曲情況示意圖；
[00巧]圖10為兩組植株的葉片在上午測量時的曲率半徑的對照圖；
[0036] 圖11為兩組植株的葉片在下午測量時的曲率半徑的對照圖。
【具體實施方式】
[0037] 下面結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明作進一步詳細描述，但不作為對本發(fā)明的限 定。
[0038] 在說明本發(fā)明之前，先簡單介紹本發(fā)明采用的=維激光掃描技術(shù)。=維激光掃描 技術(shù)是通過激光發(fā)射器不斷地發(fā)射激光束，經(jīng)過目標物體反射，被傳感器接收后經(jīng)過分析 計算出被測物體精確的點位信息。經(jīng)過該樣不斷重復地數(shù)據(jù)采集和處理過程獲取逼近被測 物體表面的高密度的=維點云。它的測距方法主要有脈沖法、相位法、=角法。脈沖法主要 是通過測量激光