[发明专利]植物生长建模方法和系统

说明书

技术领域

本发明涉及植物分类技术，尤其涉及一种植物生长建模方法和系统。

背景技术

植物不仅为人类提供了食物来源，它还能够为人类提供新鲜空气和优雅环境，人类的日常生活都与植物息息相关，可以毫不夸张地说“植物的充分利用决定了人类未来的生存质量”。长久以来，农林业生产更多的是依靠传统方式的经验知识。如今随着现代高新技术的发展，“数字农林业”、“精细农林业”、“精准农林业”等各种充分利用信息技术的现代农林业生产方式成为一种重要的发展趋势，并获得了越来越多的关注和重视。事实上，为了获得植物生长的最优产出，植物生长数学模型是农林业应用中必不可少的有力工具。利用计算机为手段对植物生长过程进行建模与仿真，将为探索植物生命的奥秘和植物生长过程的规律，以及改善人类生存环境带来新的契机。

应用植物生长建模技术，可以部分代替现实中难以进行或费时、费力、昂贵的田间试验，节省人力、物力，缩短研究周期，基于植物生长规律，确定最佳施肥和灌溉措施，提高化肥和水资源的利用效率，优化生产产出。另一方面，除了农林业应用之外，植物生长建模还在自然场景模拟、城市景观设计、影视娱乐、虚拟现实等方面发挥重要的作用。近年来两个著名的应用例子是3D科幻电影《阿凡达》和谷歌地球（Goolge Earth3D）。电影《阿凡达》中整个潘多拉星球完全是建立在植物三维建模基础上，星球上郁郁葱葱的热带丛林、如梦如幻的植被、参天的大树、精细逼真的花草树叶，这些漂亮自然的场景给人印象深刻，为电影的火爆和破纪录票房神话奠定了基础，这一切都离不开背后大规模植物生长建模等技术的支持。另一大商业巨头谷歌公司也在开展植物生长建模工作，谷歌地球正在推出新一代带有真实树木三维模型的数字地球（城市）产品。

目前植物生长建模侧重于植物生长机理的建模，传统的方法和手段主要基于植物学知识和专家经验，是经验式、定性化、群体式的虚拟植物生长模拟。这种建模方式针对的是植物群体的行为，很难模拟特定植物个体的生长过程，而且这些建模方法严重依赖于植物学专家的专业知识和个人经验。

Yotam Livny等人在“Automatic reconstruction of tree skeletal structures from point clouds”（ACM Trans.Graph.29,6,Article151）及Yotam Livny等人在“Texture-lobes for tree modeling”（ACM Trans.Graph.30,4,Article53）公开了几何结构特征计算方法，而将上述几何结构特征计算方法应用于植物生长建模中尚未见类似的报道。

发明内容

有鉴于此，有必要针对上述植物生长建模方法存在的缺陷，提供一种高效的植物生长建模方法。

一种植物生长建模方法，包括下述步骤：

采集植物点云数据；

计算所述植物形状特征，所述形状特征包括几何结构特征、拓扑结构特征、统计特征；

根据所述植物形状特征提取植物基元并设计所述植物生长规则；及

拟合植物个体模型得到所述植物生长参数，所述生长参数包括节间长度、生长速度和生长时间。

在本发明一较佳实施例中，其中，采集植物点云数据，具体为采用车载移动数据采集平台，采集植物点云数据，所述数据采集平台为StreetMapper系统或Lynx系统。

在本发明一较佳实施例中，计算所述几何结构特征的方法为：首先从所述植物点云数据中提取植物骨架并重建植物三维模型，基于所述植物三维模型计算枝干间的夹角、节间距，从植物图片中判断植物的叶序和器官个数。

在本发明一较佳实施例中，计算所述拓扑结构特征的方法为：根据植物骨架直接判断该植物属于23种基本结构的哪一种。

在本发明一较佳实施例中，计算所述统计特征的方法为：基于所述植物点云数据计算每一点的法向，并统计法向直方图。

在本发明一较佳实施例中，根据所述植物形状特征提取植物基元并设计所述植物生长规则，包括下述步骤：

通过植物形状特征聚类找到相似的几何与拓扑结构单元，并定义为基元；

从最大的基元集合开始分析各基元两两之间的变换矩阵，并将所述变换矩阵投影到对应的参数空间进行聚类；

提取所述最大的基元集合的变换构造生长规则；

重复上述步骤，直到分析完所有的基元集合，得到该类植物的生长规则。