基于图像的玉米冠层三维重建与农学参数解析研究

为了快速、准确、简便地获取田间玉米冠层三维形态结构信息，重建冠层三维形态结构,进而基于三维可视化模型进行冠层长相、长势分析评价，本项目综合应用农学、数学和计算机图形图像知识技术，搭建获取玉米器官、单株和群体图像的立体视觉系统，提出基于图像的玉米器官和植株三维信息恢复算法，重构玉米植株的三维形态；提出由冠层图像信息解析玉米群体密度、植株方位平面等植株分布约束特征参数的算法；提取出能够准确反映主要玉米品种植株形态结构特征与冠层形态结构特征的约束关系，建立数学模型；提出玉米冠层重建时叶片碰撞检测和碰撞反映的算法，进而由多个单株三维模型结合群体结构参数和约束关系重建出冠层的三维形态，建立冠层三维可视化模型，为玉米精准栽培与株型育种研究提供便捷的技术手段和方法。

当前，图像和视频监测设备已经在农业生产中广泛应用，但基于图像的作物形态结构信息自动处理方法技术积累薄弱，限制了相关设备功能的发挥。为了利用图像获取设备，快速、准确、简便地获取田间作物冠层三维形态结构信息，基于三维可视化信息和模型进行冠层长相、长势的分析评价，本项目以玉米为例，开展了基于图像的玉米器官和地上部植株三维重建、玉米冠层群体形态结构特征参数提取、玉米冠层重建时叶片碰撞检测和碰撞响应、基于图像的玉米冠层形态结构三维重建算法研究，以及玉米主要品种植株形态结构特征与冠层形态结构特征的定量化关系研究。经过4年的研究，取得以下研究成果：（1）设计并搭建了玉米田间图像获取装置，实现了图像的自动采集和管理； （2）提出了基于双目立体视觉的玉米器官和植株三维重构算法，开发应用软件系统，对株型和叶形等指标的形态参数误差小于5%；（3）提出了基于半球图像的玉米冠层参数解析方法，能够从图像中包含的植株与背景信息中准确提取出玉米冠层郁闭度、群体叶面积指数等冠层结构特征参数，开发了界面简洁计算高效的冠层结构参数计算程序；（4）提出了农田环境下玉米植株图像提取和分割算算法、群体图像表型参数解析算法，开发了玉米群体冠层表型分析软件； （5）提出了一种基于AABB-OBB混合包围盒的玉米冠层碰撞检测方法； （6）提出了基于图像的玉米冠层三维重建技术框架及实现方法，开发了基于图像的玉米冠层三维重建软件系统；（7）在三维层面和面元尺度下，构建了玉米株型形态结构参数数学模型。基于3D可视化模型，提取了玉米品种新的株型特征和评价参数；（8）发表标注项目编号的学术论文20篇，其中SCI收录3篇，EI收录11篇，会议论文5篇。申请并获得发明专利授权2项、实用新型专利授权1项，获得计算机软著登机3项。项目研究成果为玉米精准栽培与株型育种研究提供了基于图像的便捷技术手段和方法。