专利名称：植物群体三维重建误差测量方法
技术领域：
本发明涉及三维测量数据处理或三维模型分析技术领域，尤其涉及ー种植物群体
三维重建误差测量方法。
背景技术：
随着近年来三维激光扫描仪、立体视觉相机等测量仪器的不断成熟，測量速度和精度越来越高，基于测量数据进行植物植株和群体的三维重建成为可能。另ー方面，农学研究、景观展示等应用对植物三维重建的精度和准确度的要求也不断提高。因此，如何验证重建的植物三维模型，特别是群体尺度的三维重建模型的准确性十分重要，但如何对重建的 植物三维模型(尤其是植物群体三维模型)的误差进行定量化评价的方法却十分匮乏。已有的植物重建误差评价方法都存在评价指标不全面的问题，急需开发新的评价方法。例如针对基于三维数字化仪采集数据的果树形态结构三维重建方法的有效性，存在一种通过半球图像的植物三维模型重建误差评价方法，具体做法就是从相同的角度分别对真实植物和三维重建的植物拍摄ー个圆形的照片，植物地上部应该全部包含在照片中，同时使照片中非目标植物以外的物体、背景等都用ー个与植物颜色相差较大的顔色填充，然后分别统计两个照片中植物部分象素所占百分比并进行对比，以此比较重建的果树三维模型与真实果树的误差。该方法仅从ー个方向拍摄植物的图像，由于植物具有极其不规则的外形，从不同方向拍摄的图像都不相同，并可能存在较大的差距，因此仅通过ー个方向拍摄的图像计算出来的植物在图像中所占的象素比例具有较大的随机性，使得对比结果不可信。针对基于图像的植物植株骨架三维重建方法还存在ー种选取叶长、茎叶夹角和方位角三个形态特征參数作为评价指标，然后分别从真实植物和重建的三维骨架中计算这三个參数的值，通过对比两者之间的差的方法来检验重建的植株三维骨架的准确性的方法。在这种重建误差评价指标中，仅包括叶长、茎叶夹角和方位角等少量的植物形态特征參数，许多对分析植物群体冠层特征更有意义的參数，如冠层垂直投影面积、冠层总叶面积等都没有考虑，因此尚难以较好地说明其重建的三维模型的准确性。综合而言，目前的关于三维植物重建的误差评价的评价指标都不全面，难以准确说明所重建的植物三维模型的准确性，特别是在群体尺度上，尚未有令人满意的重建误差定量评价方法。

发明内容
(一)要解决的技术问题本发明要解决的技术问题是提供ー种具有可操作性的、能够较全面地对重建的植物群体三维模型的误差进行定量化评价的植物群体三维重建误差测量方法。(ニ)技术方案为解决上述问题，本发明提供了ー种植物群体三维重建误差测量方法，该方法包括步骤
SI.从重建目标中采集误差测量数据；S2.从所重建的三维植物群体中采集误差測量数据；S3.根据步骤SI和S2采集到的測量数据，按照下式计算三维植物群体的相对重建误差REPP REPP=a X RAE+b X RSE+c X RCLRE其中，RAE为相对面积误差，RSE为相对结构误差，RCLRE为相对冠层光辐射误差，
a、b、c分别为所述相对面积误差、所述相对结构误差以及所述相对冠层光辐射误差的权重因子，且a+b+c=l。
优选地，所述测量数据包括面积误差、结构误差、以及冠层光辐射误差测量数据。优选地，所述面积误差测量数据包括冠层总叶面积、冠层垂直投影面积、以及冠层侧面投影面积；所述结构误差测量数据包括平均株高、平均节间长度、平均叶柄长度、平均叶片长度、平均叶倾角以及平均叶方位角；所述冠层光辐射误差測量数据包括光合有效辐射。优选地,步骤SI进ー步包括SI. I从所述重建目标中采集面积误差測量数据，分别得到冠层总叶面积测量值、冠层垂直投影面积测量值、以及冠层侧面投影面积测量值；SI. 2从所述重建目标中采集结构误差測量数据，分别得到平均株高测量值、平均节间长度测量值、平均叶柄长度测量值、平均叶片长度测量值、平均叶倾角测量值、以及平均叶方位角测量值；SI. 3从所述重建目标中采集冠层光辐射误差测量数据，分别得到冠层内光合有效辐射测量值以及冠层顶部总辐射量測量值。优选地,步骤S2进ー步包括S2. I从所述三维植物群体中采集面积误差測量数据，分别得到冠层总叶面积计算值、冠层垂直投影面积计算值、以及冠层侧面投影面积计算值；S2. 2从所述三维植物群体中采集结构误差測量数据，分别得到平均株高计算值、平均节间长度计算值、平均叶柄长度计算值、平均叶片长度计算值、平均叶倾角计算值、以及平均叶方位角计算值；S2. 3根据所述冠层顶部总辐射量測量值，从所述三维植物群体中采集冠层光辐射误差测量计算数据，得到冠层内光合有效辐射计算值。优选地,步骤S3进ー步包括S3. I根据所述面积误差測量数据计算所述相对面积误差；S3. 2根据所述结构误差測量数据计算所述相对结构误差；S3. 3根据所述冠层光辐射误差测量数据计算所述相对冠层光辐射误差；S3. 4计算三维植物群体的相对重建误差。优选地，a=0.4, b=0. 3, c=0. 3。(三)有益效果本发明的方法可以对利用不同方法(如基于过程的方法、基于图像的三维重建、基于三维点云的重建等)重建得到的三维植物群体与被重建的真实植物群体的误差(或准确性)进行定量化的评价，同时也可以分析重建的三维植物群体具体在哪些指标上(冠层叶面积、形态结构參数或冠层光辐射)与真实植物群体存在较大的偏差，从而为基于三维模型开展植物株形分析、种植方案优势评估等科研试验提供了一种实用的方法。此外，本发明的可操作性強，能够较全面地将重建的三维植物群体的误差定量化，不仅有助于有效地定量化评价各种植物三维重建，同时也使得基于重建的三维植物开展植物冠层光截获能力模拟、株形特征提取等计算分析更具有实用价值和指导意义。


图I为依照本发明ー种实施方式的植物群体三维重建误差测量方法流程图；图2为单株植物的垂直投影图像；图3为植物群体冠层侧面投影图像。
具体实施例方式本发明提出的植物群体三维重建误差测量方法，结合附图及实施例详细说明如下。本发明的目的在于针对黄瓜、西瓜、甜瓜等以节间为单位的园艺植物，提出ー种具有可操作性的、能够较全面地对重建的三维植物群体的误差进行定量化评价的方法，本发明的方法不仅有助于有效地定量化地评价各种植物三维重建，同时也使得基于重建的三维植物开展植物冠层光截获能力模拟、株形特征提取等计算分析更具有实用价值和指导意义。如图I所示，依照本发明ー种实施方式的植物群体三维重建误差定量评价方法包括步骤SI.从作为重建目标的真实植物群体中采集误差測量数据。该测量数据包括面积误差、结构误差、冠层光辐射误差测量数据，其中，面积误差測量数据包括冠层总叶面积(CTLA)、冠层垂直投影面积(CVPA)、冠层侧面投影面积(CSPA);结构误差测量数据包括平均株高(ΑΡΗ)、平均节间长度(AIL)、平均叶柄长度(APL)、平均叶片长度(ALL)、平均叶倾角(ALI )、平均叶方位角(ALA)等6种数据；冠层光辐射的測量数据包括光合有效辐射(PAR)。步骤SI具体过程包括SI. I从真实植物群体中采集面积误差測量数据，分别得到冠层总叶面积测量值、冠层垂直投影面积测量值、以及冠层侧面投影面积测量值。(I)測量冠层总叶面积对待重建的植物群体，利用便携式叶面积仪测量每株植物上每个叶片的面积，最后累加得到植物群体的冠层总叶面积测量值(记为CTLA_R)。(2)測量冠层垂直投影面积对待重建植物群体中的每棵植物，首先在植物根部旁边放置ー块边长为IOcm的黒色正方形标定板，然后用数码相机从植物顶部垂直向下拍摄植物的俯视图I张(可借助于三脚架、梯子或其他辅助工具完成拍照)，要求在数据相机取景时需确保黑色标定板全部在相机镜头视野中并且没有被任何物体遮挡；然后利用图像处理软件对拍摄的植物俯视图像进行处理，去掉除所拍摄的植物和标定板之外的其他背景信息；在此基础上，分别计算植物部分(像素)在图像中所占的比例RP和标定板在图像中所占的比例CP,由于真实标定板的面积为IOOcm2 (IOcmX IOcm),所以该棵植物的垂直投影面积(CVPAP)可用下式计算CVPAP=RP/CP X 100 (cm2)(I)采用上述方法測量群体中每棵植物的垂直投影面积后，将所有植物的垂直投影面积累加，即可得到整个待重建植物群体的冠层垂直投影面积测量值(记为CVPA_R)。(3)測量冠层侧面投影面积对待重建的植物群体，首先測量群体中每棵植物的株高，并计算群体的平均株高APHR，然后在群体周围随机选取4个位置，从选取的每个位置用数码相机拍摄植物群体的图像I张，拍摄要求如下首先植物群体中放置ー块边长为IOcm的黒色正方形标定板(可通过悬挂的方式，标定板中心位置高度为APHR/2)，拍摄时数码相机的高度为群体平均株高(APHR)的I半，相机镜头水平对着植物群体，同时使标定板正对相机镜头，且标定板在镜头视野中不被任何物体遮挡。拍摄群体图像后，利用图像处理软件对图像进行处理，去掉除植物和标定板之外的其他背景信息；在此基础上，分别计算植物部分(像素)在图像中所占的比例RP和标定板在图像中所占的比例CP，由于真实标定板的面 积为100cm2( IOcmX IOcm)，所以植物群体在该方向的侧面投影面积可用上述公式(I)计算。采用上述方法从4个位置拍摄植物群体的侧面图像并计算每个图像中植物群体的侧面投影面积后，将4个方向的侧面投影面积累加并求平均，即为植物群体的冠层侧面投影面积测量值(记为CSPA_R)。SI. 2从真实植物群体中采集结构误差測量数据，分别得到平均株高测量值、平均节间长度测量值、平均叶柄长度测量值、平均叶片长度测量值、平均叶倾角测量值、以及平均叶方位角測量值。(I)优选地，利用软尺手工測量待重建的真实植物群体中每棵植物主茎的长度，作为该株植物的株高，累加所有植物的株高然后计算平均值，即为该群体的平均株高测量值(记为 APH_R)。(2)对群体中的每棵植物，通过直尺手工測量主茎上每个节间的长度，同时记录节间个数，将群体中所有测量获得的节间长度累加并除以节间个数，即可得到平均节间长度测量值(记为AIL_R)。(3)与測量平均节间长度的方法类似，手工測量并计算植物群体的平均叶柄长度测量值(记为APL_R)、平均叶片长度测量值(记为ALL_R)。(4)对群体中每棵植物，用量角器或数显角度仪测量每个叶子的叶倾角(其測量方法是测量叶片和叶柄交接点与叶尖点之间的直线与垂直于地面的直线的夹角)，将群体中所有测量获得的叶倾角累加并除以叶子个数，即可得到平均叶倾角测量值(记为ALI_R)。(5)对群体中每棵植物，用量角器或数显角度仪测量每个叶子的方位角(其測量方法是测量叶柄在地面的投影线与一条经过叶柄根节点同时与地面平行并指向正北方向的直线之间的夹角)，将群体中所有测量获得的叶子方位角累加并除以叶子个数，即可得到平均叶方位角测量值(记为ALA_R)。SI. 3从真实植物群体中采集冠层光辐射误差测量数据，分别得到冠层内光合有效辐射测量值以及冠层顶部总辐射量測量值。(I)对待重建的真实植物群体，优选地，利用冠层分析仪在同一天内分3次在不同高度测定群体冠层内光合有效辐射值，测定时间分别为10:00、13:00和15:00，测定位置为距地面10Cm、40Cm、80Cm三个水平高度，在每个水平高度从冠层3个位置进行测量，分别为群体正中间位置和群体两侧各选ー个位置，将每个水平高度上测量的3个数值平均作为该水平高度上的光合有效辐射測量值。按以上方法，共得到三个时间点三个不同高度的冠层内光合有效辐射测量值9个，分别记为PAR_R_10_10、PAR_R_10_40、PAR_R_10_80、PAR_R_13_10、PAR_R_13_40、PAR_R_13_80、PAR_R_15_10、PAR_R_15_40、PAR_R_15_80。(2)在进行植物群体冠层光合有效辐射数据测量的同一天，同步利用光辐射传感器对植物群体进行冠层顶部总辐射 量的測量。其方法是在当天从08:00到16:00之间，每I小时在群体顶部获取一次光辐射数据，最后将获得的光辐射数据累加并取平均，作为该群体的冠层顶部总辐射量測量值。S2.从所重建的三维植物群体中采集步骤I中所述的误差測量数据。具体包括S2. I从三维植物群体中采集面积误差測量数据，分别计算冠层总叶面积计算值、冠层垂直投影面积计算值、以及冠层侧面投影面积计算值。(I)计算冠层总叶面积对重建得到的三维植物群体，计算每棵植物上每个叶片的面积，最后累加得到植物群体的冠层总叶面积计算值(记为CTLA_V)。 (2)计算冠层垂直投影面积首先在三维植物群体场景中，在每棵植物根部旁边生成ー块边长为IOcm的黒色正方形标定板，然后对三维植物群体中的每棵植物，利用虚拟相机从植物顶部垂直向下拍摄植物的俯视图I张，要求在虚拟相机取景时需确保放置在植物根部旁边的黑色标定板全部在相机镜头视野中并且没有被任何物体遮挡；然后利用图像处理软件对获取的植物俯视图像进行处理，去掉除所拍摄的植物和标定板之外的其他背景信息，得到图像如图2所示；在此基础上，分别计算植物部分(像素)在图像中所占的比例RP和标定板在图像中所占的比例CP，由于真实标定板的面积为IOOcm2 (IOcmX 10cm)，所以该棵植物的垂直投影面积可用公式(I)计算。采用上述方法计算三维植物群体中每棵植物的垂直投影面积后，将所有植物的垂直投影面积累加，即可得到整个重建得到的三维植物群体的冠层垂直投影面积计算值(记为 CVPA_V)。(3)计算冠层侧面投影面积在三维植物群体周围随机选取4个位置，从选取的每个位置用虚拟相机拍摄植物群体的图像I张，拍摄要求如下首先三维植物群体中生成一块边长为IOcm的黒色正方形标定板(标定板中心位置高度为步骤S21測量得到的平均株高APHR的I半，S卩APHR/2)，拍摄时虚拟相机的高度为APHR/2，相机镜头水平对着植物群体，同时使标定板正对相机镜头，且标定板在镜头视野中不被任何物体遮挡。拍摄群体图像后，利用图像处理软件对图像进行处理，去掉图像中除植物和标定板之外的其他背景信息，得到的图像如图3所示；在此基础上，分别计算植物部分(像素)在图像中所占的比例RP和标定板在图像中所占的比例CP，由于生成的标定板的面积为IOOcm2 (IOcmX 10cm)，所以植物群体在该方向的侧面投影面积可用公式(I)计算。采用上述方法从4个位置拍摄三维植物群体的侧面图像并计算每个图像中植物群体的侧面投影面积后，将4个方向的侧面投影面积累加并求平均，即为三维植物群体的冠层侧面投影面积计算值(记为CSPA_V)。S2. 2从三维植物群体中采集结构误差測量数据，分别计算平均株高计算值、平均节间长度计算值、平均叶柄长度计算值、平均叶片长度计算值、平均叶倾角计算值、以及平均叶方位角计算值。
( I)计算重建得到的三维植物群体中每棵植物主茎的长度，作为该株植物的株高，累加所有植物的株高然后计算平均值，得到该三维植物群体的平均株高计算值(记为aph_V)。(2)对三维植物群体中的每棵植物，计算主茎上每个节间的长度，将群体中所有测量获得的节间长度累加并除以群体总节间个数，即可得到平均节间长度计算值(记为AIL_V)。(3)与计算平均节间长度的方法类似，计算三维植物群体的平均叶柄长度计算值(记为APL_V)和平均叶片长度计算值(记为ALL_V)。(4)对三维植物群体中每棵植物，计算每个叶子的叶倾角(方法是计算叶片和叶柄交接点与叶尖点之间的直线与垂直于地面的直线之间的夹角)，将群体中所有叶子的叶倾角累加并除以叶子个数，即可得到平均叶倾角计算值(记为ALI_V)。 (5)对三维植物群体中每棵植物，计算每个叶子的方位角(方法是计算叶柄在地面的投影线与一条经过叶柄根节点同时与地面平行并指向正北方向的直线之间的夹角)，将群体中所有计算获得的叶子方位角累加并除以总叶子个数，即可得到平均叶方位角计算值(记为 ALA_V)。S2. 3根据步骤SI. 3得到的冠层顶部总辐射量测量值，从三维植物群体中采集冠层光辐射误差测量数据，得到冠层内光合有效辐射计算值，计算得到冠层内光合有效辐射计算值。(I)对重建得到的三维植物群体，采用文献[温维亮，孟军，郭新宇，王雪，肖伯祥，陆声链.基于辐射照度的作物冠层光分布计算系统设计，农业机械学报，2009，40:190-193]中描述的虚拟植物冠层光辐射计算方法，以步骤S2. 3測量得到的冠层顶部总辐射量作为输入，分别选取距地面10Cm、40Cm、80Cm三个水平高度，在每个水平高度分别计算10:00、13:00和15:00三个时间点的冠层光合有效辐射值，共得到三个时间点三个不同高度的冠层光合有效辐射计算值9个，分别记为PAR_V_10_10、PAR_V_10_40、PAR_V_10_80、PAR_V_13_10、PAR_V_13_40、PAR_V_13_80、PAR_V_15_10、PAR_V_15_40、PAR_V_1580。S3.根据步骤SI和S2采集到的測量数据计算三维植物群体的相对重建误差REPP，评价三维植物群体的重建误差的大小。具体过程如下S3. I根据面积误差测量数据，通过下式计算相对面积误差(RAE)
(Ictla r-ctla v| Icvpa r-cvpa v| Icspa r-cspa vh
「00751 RAE= J-ニ--ニ--ニ-」+3x100%
L °J[ CTIA_RCVPA_RCSPA_R j( ^ \ S3. 2根据结构误差测量数据，通过下式计算相对结构误差(RSE)
"|APH_R-APH_V| |AIL_R-AIL_V| |APL—R-APL—V| ) S3. 3根据冠层光辐射误差測量数据，通过下式计算相对冠层光辐射误差UCLRE)
权利要求
1.ー种植物群体三维重建误差测量方法，其特征在于，该方法包括步骤 51.从重建目标中采集误差测量数据； 52.从所重建的三维植物群体中采集误差測量数据； 53.根据步骤SI和S2采集到的測量数据，按照下式计算三维植物群体的相对重建误差REPP REPP=aXRAE+bXRSE+cXRCLRE 其中，RAE为相对面积误差，RSE为相对结构误差，RCLRE为相对冠层光辐射误差，a、b、c分别为所述相对面积误差、所述相对结构误差以及所述相对冠层光辐射误差的权重因子，且 a+b+c=l。
2.如权利要求I所述的方法，其特征在于，所述测量数据包括面积误差、结构误差、以及冠层光辐射误差测量数据。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述面积误差测量数据包括冠层总叶面积、冠层垂直投影面积、以及冠层侧面投影面积；所述结构误差测量数据包括平均株高、平均节间长度、平均叶柄长度、平均叶片长度、平均叶倾角以及平均叶方位角；所述冠层光辐射误差測量数据包括光合有效辐射。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，步骤SI进ー步包括 SI. I从所述重建目标中采集面积误差測量数据，分别得到冠层总叶面积测量值、冠层垂直投影面积测量值、以及冠层侧面投影面积测量值； SI. 2从所述重建目标中采集结构误差測量数据，分别得到平均株高测量值、平均节间长度测量值、平均叶柄长度测量值、平均叶片长度测量值、平均叶倾角测量值、以及平均叶方位角测量值； 51.3从所述重建目标中采集冠层光辐射误差测量数据，分别得到冠层内光合有效辐射測量值以及冠层顶部总辐射量測量值。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，步骤S2进ー步包括 52.I从所述三维植物群体中采集面积误差測量数据，分别得到冠层总叶面积计算值、冠层垂直投影面积计算值、以及冠层侧面投影面积计算值； S2. 2从所述三维植物群体中采集结构误差測量数据，分别得到平均株高计算值、平均节间长度计算值、平均叶柄长度计算值、平均叶片长度计算值、平均叶倾角计算值、以及平均叶方位角计算值； 52.3根据所述冠层顶部总辐射量测量值，从所述三维植物群体中采集冠层光辐射误差测量计算数据，得到冠层内光合有效辐射计算值。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，步骤S3进ー步包括 53.I根据所述面积误差測量数据计算所述相对面积误差； S3. 2根据所述结构误差測量数据计算所述相对结构误差； S3. 3根据所述冠层光辐射误差测量数据计算所述相对冠层光辐射误差； S3. 4计算三维植物群体的相对重建误差。
7.如权利要求6所述的方法,其特征在于，a=0.4, b=0. 3, c=0. 3。
全文摘要
本发明公开了一种植物群体三维重建误差测量方法，涉及三维测量数据处理或三维模型分析技术领域。包括步骤S1.从重建目标中采集误差测量数据；S2.从所重建的三维植物群体中采集误差测量数据；S3.根据步骤S1和S2采集到的测量数据计算三维植物群体的相对重建误差。本发明的方法具有可操作性、能够较全面地对重建的植物群体三维模型的误差进行定量化评价；所采用的评价指标具有重要的农学意义，且方便测量，使得本发明更切实可行并具有推广价值。
文档编号G01B11/28GK102865814SQ201210320659
公开日2013年1月9日 申请日期2012年8月31日 优先权日2012年8月31日
发明者陈立平, 陆声链, 郭新宇, 温维亮, 王传宇 申请人:北京农业信息技术研究中心