[发明专利]基于表面数据的植物枝体三维形态建模系统及方法

说明书

技术领域

本发明是涉及植物枝体三维形态建模，特别是涉及基于表面数据的植物枝 体三维形态建模系统及方法。

背景技术

植物根系三维构型的定量描述和分析是研究植物根系生长及对养分吸收利 用等营养功能的重要手段之一。

根系不仅是植物吸收养分和水分的主要器官，也起着支撑地上部的重要作 用。植物根构型是指根系在生长介质中的空间分布，不同的根构型显著影响养 分水分的吸收利用、碳源分配及适应环境胁迫能力等重要生理功能，甚至影响 某些豆科植物根系的抗病虫害能力，因此近年来根构型研究越来越受人们重视， 但是由于根系细小且结构复杂，易振动且发生形态改变，难于进行原位观察和 精确测量。因此，根系生长的形态定量测定一直是世界上根系生物学研究中的 难点之一，目前国内外对根构型的定量化研究的报道甚少。有人通过纸培等特 殊栽培系统结合计算机图像分析技术定量研究植物的二维根构，但是纸培系统 下获取的二维根构型与植物在自然条件下三维根构型之间存在一定的差异，不 能准确代表植物根系在土壤中的实际空间分布，因此非常有必要对植物的三维 根构型进行定量化研究。三维根构型定量化研究的主要困难是因为根系在土壤 等生长介质中的隐蔽性造成了难以观察根构型，且根系的复杂性和重叠性造成 测量精度的限制。目前，获取三维根构型图像的主要方法有核磁共振成像(MRI)、 X射线断层扫描技术(CT)和地下雷达监测(GPR)等。

但是，上述的方法存在设备复杂、重建速度低、及由于根系遮挡和交错问 题等引起的重建精度不高等不足之处。

发明内容

针对现有技术的缺点，本发明的目的是提供一种基于表面数据的植物枝体 三维形态建模系统及方法，能快速有效地重建植物枝体的三维模型。

为实现上述目的，本发明的技术方案为：一种基于表面数据的植物枝体三 维形态建模方法，包括如下步骤：

A、利用三维激光扫描仪、三维数字化仪或数字摄像机获取植物枝体表面的 三维数据；

B、处理所述三维数据，获得表征枝体形态的枝体表面点的三维坐标信息， 形成植物枝体表面的柱体特征；

C、针对植物枝体表面的柱体特征，利用微积分，将枝体划分为若干枝段， 提取每一枝段的中心轴后，连接所有中心轴构成整个枝体的骨架线，其中，在 提取中心轴的同时保存枝体的半径信息和方向信息；

D、根据枝体骨架线以及相应枝体的半径信息和方向信息，重新构造出枝体 的表面简化数据点，得到枝体的三维模型。

所述步骤C具体为：

C1、划分枝体为若干枝段，划分的依据为划分后的枝段保持枝段表面的柱 体特征；

C2、选择位于柱体内部的中心轴作为候选枝段中心轴；

C3、根据枝段表面数据点到中心轴距离公式，计算枝段表面数据点到候选 枝段中心轴的距离，将距离在某一范围内的认为是具有相同半径，把具有相同 中心轴和相同半径当作是同一种票，按此种规则对候选枝段中心轴进行投票计 数；

C4、比较票数，票数最多的候选枝段中心轴即为枝段中心轴。

所述步骤D具体为：

D1、根据枝体骨架线及对应的半径信息和方向信息，按照顺时针或逆时针 方向，重新生成枝体的表面简化数据点；

D2、根据所述表面简化数据点，将相邻的每三个数据点构造成一个三角网 格，完成表面数据点的网格化；

D3、根据两圆柱面交线方程，生成两枝体交接处的数据点并网格化，实现 两枝体交接处的过渡。

步骤D3中，具体交线方程为：