【摘要】：蘋(píng)果樹(shù)是我國(guó)栽培面積和產(chǎn)量最大的果樹(shù)樹(shù)種,蘋(píng)果樹(shù)種植是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的重要組成部分,也是農(nóng)村經(jīng)濟(jì)收入的重要來(lái)源。適宜的樹(shù)形結(jié)構(gòu)、合理的冠層光分布對(duì)提高果樹(shù)光合利用效率,提升果樹(shù)的產(chǎn)量和果品質(zhì)量以及有效防治病蟲(chóng)害有重要的促進(jìn)作用。選擇合理的樹(shù)形和改善樹(shù)冠分布一直是果樹(shù)學(xué)研究的核心問(wèn)題之一,然而卻面臨著相關(guān)樹(shù)形冠層的定量化計(jì)算分析方法技術(shù)和軟硬件工具匱乏的問(wèn)題。近年來(lái)隨著信息技術(shù)的發(fā)展,由植物學(xué)、數(shù)學(xué)、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)等多學(xué)科交叉的虛擬植物技術(shù)迅速發(fā)展起來(lái),利用三維數(shù)字化技術(shù),基于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)構(gòu)建果樹(shù)冠層三維結(jié)構(gòu)模型并進(jìn)行可視化計(jì)算,從而作出精準(zhǔn)的分析和評(píng)價(jià),是有效提升果樹(shù)科研和生產(chǎn)定量化水平的途徑,是當(dāng)前果樹(shù)研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)之一,具有重要的理論研究?jī)r(jià)值和生產(chǎn)實(shí)踐指導(dǎo)意義,同時(shí),在果園自動(dòng)化管理、品種培育、農(nóng)技虛擬培訓(xùn)等領(lǐng)域,展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。為解決基于三維冠層模型的蘋(píng)果樹(shù)定量化計(jì)算分析的問(wèn)題,本文主要開(kāi)展蘋(píng)果樹(shù)冠層三維重建、語(yǔ)義特征表達(dá)、可視化計(jì)算方法研究,并集成研發(fā)虛擬修剪培訓(xùn)軟件系統(tǒng),具體內(nèi)容如下:(1)綜合利用三維數(shù)字化、三維激光掃描等技術(shù)手段和設(shè)備,并結(jié)合人工測(cè)量等方式,系統(tǒng)獲取蘋(píng)果樹(shù)一個(gè)生長(zhǎng)周年的冠層三維結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù),建立了基于多尺度信息融合的果樹(shù)形態(tài)結(jié)構(gòu)獲取方法和流程,實(shí)現(xiàn)對(duì)蘋(píng)果樹(shù)三維冠層結(jié)構(gòu)生長(zhǎng)周年的連續(xù)觀測(cè)和數(shù)據(jù)獲取,為三維冠層重建提供精確的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。(2)提出一種基于點(diǎn)云的果樹(shù)冠層精確三維重建方法。首先,基于致密點(diǎn)云的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)來(lái)解決具有復(fù)雜分枝結(jié)構(gòu)的果樹(shù)冠層點(diǎn)云中的連通拼接錯(cuò)誤閉環(huán)、細(xì)小枝條缺失以及枝條半徑精確求解問(wèn)題,從而實(shí)現(xiàn)落葉期果樹(shù)冠層精確重建;然后,根據(jù)葉冠點(diǎn)云的局部和全局特征,提出橢球分層的點(diǎn)云密度收縮算法實(shí)現(xiàn)器官點(diǎn)云分離,從而實(shí)現(xiàn)冠層葉片的快速自動(dòng)重建;最后,構(gòu)建基于物理的模型實(shí)現(xiàn)點(diǎn)云的變形與編輯。結(jié)果表明該方法能夠正確識(shí)別出的葉片數(shù)占冠層總?cè)~片數(shù)的90%以上,葉面積指數(shù)的正確率大于95%,葉片傾角偏離5°以?xún)?nèi)的葉片數(shù)占總?cè)~片數(shù)的90%以上。提出一種基于物理的植物三維掃描點(diǎn)云模型變形算法,對(duì)一株果樹(shù)點(diǎn)云模擬風(fēng)吹的變形模擬,變形動(dòng)畫(huà)比較平滑,為果樹(shù)風(fēng)吹落果虛擬仿真研究提供技術(shù)支撐。(3)提出一種基于四層域圖的果樹(shù)冠層結(jié)構(gòu)語(yǔ)義模型及重建方法,解析不同樹(shù)形蘋(píng)果樹(shù)冠層分層語(yǔ)義特征,利用圖域理論,構(gòu)建蘋(píng)果樹(shù)樹(shù)冠分層、分形、分域及有向樹(shù)連通的語(yǔ)義關(guān)系模型,基于統(tǒng)計(jì)理論,構(gòu)建枝干分布數(shù)學(xué)模型及葉片分布模型,從而實(shí)現(xiàn)冠層三維結(jié)構(gòu)快速重建。由模型構(gòu)建的不同樹(shù)形冠層三維模型和人工測(cè)量數(shù)據(jù)對(duì)比,構(gòu)建的模型總枝量誤差率小于8%,長(zhǎng)枝比和短枝比誤差率均小于5%,總?cè)~片數(shù)誤差率小于6%,表明本文方法具有較好的適應(yīng)性,能夠?yàn)闃?shù)形分析、整形修剪及虛擬仿真實(shí)驗(yàn)研究提供有效的參考。(4)利用果樹(shù)三維冠層模型,構(gòu)建基于Z-buffer算法的冠層太陽(yáng)直射光和有效輻射(PAR)傳輸模型,構(gòu)建基于Turtle的天空散射光和有效輻射傳輸模型,實(shí)現(xiàn)一種基于三維的果樹(shù)冠層光分布計(jì)算方法,和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行算法驗(yàn)證,在a=0.05水平下P值為0.948。對(duì)蘋(píng)果樹(shù)不同樹(shù)形冠層結(jié)構(gòu)光分布三維可視化計(jì)算模擬,對(duì)比分析我國(guó)廣泛種植的三種樹(shù)形的蘋(píng)果樹(shù)冠層結(jié)構(gòu),結(jié)果表明,冠層葉片接收的光合有效輻射空間分布差異較大,同比葉面積占有率,所有樹(shù)形PAR的占有率均由上至下依次遞減,開(kāi)心形蘋(píng)果樹(shù)樹(shù)冠PAR分布主要集中在中間部位,而疏散分層形和自由仿錘形根據(jù)其主枝分布規(guī)律,其冠層PAR在冠層中上部基本平均分布,且上部的葉面積的比率明顯增大。(5)基于Agent軟件架構(gòu)思想和技術(shù),整合果樹(shù)冠層建模方法和光分布計(jì)算方法,開(kāi)發(fā)蘋(píng)果樹(shù)建模及可視化計(jì)算服務(wù)原型軟件系統(tǒng)(Apple_vcss),集成蘋(píng)果樹(shù)冠層三維重建、語(yǔ)義特征表達(dá)、可視化計(jì)算分析等功能模塊,面向虛擬修剪技術(shù)培訓(xùn)等典型應(yīng)用提供交互式軟件工具。從系統(tǒng)運(yùn)行效果來(lái)看,本文研發(fā)的蘋(píng)果樹(shù)三維建模和三維可視化計(jì)算技術(shù)算法能夠有效地應(yīng)用于虛擬輔助修剪系統(tǒng)中,為虛擬修剪過(guò)程提供修剪操作的實(shí)時(shí)交互、修剪效果可視化展示、修剪決策的定量化計(jì)算分析,從而為果園管理、品種培育、農(nóng)技虛擬培訓(xùn)等領(lǐng)域的研究和應(yīng)用提供軟件工具。
【學(xué)位授予單位】：北京林業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類(lèi)號(hào)】：S661.1;TP391.41
【圖文】：

貫穿本文研究過(guò)程，模型參數(shù)獲取和計(jì)算效率盡量節(jié)省人力成本，所建模型逡逑精度滿(mǎn)足農(nóng)業(yè)研究需要，利用構(gòu)建的模型開(kāi)發(fā)相關(guān)軟件工具，具有實(shí)用、可移植逡逑性和較強(qiáng)的應(yīng)用前景。本文采用技術(shù)路線如圖１－１所示。逡逑使用三維數(shù)字化儀、三維掃描儀等設(shè)備，并結(jié)合人工測(cè)量等手段，系統(tǒng)獲取逡逑蘋(píng)果樹(shù)一個(gè)生長(zhǎng)周年的冠層三維結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，總結(jié)出多尺度的果樹(shù)冠層形態(tài)結(jié)構(gòu)逡逑獲取方法及器官模板庫(kù)的構(gòu)建方法。分析冠層點(diǎn)云數(shù)據(jù)特征，利用Ｌａｐｌａｃｉａｎ算法逡逑及點(diǎn)云密度收縮算法，研宄基于點(diǎn)云的果樹(shù)冠層精確重建方法。分析冠層層域語(yǔ)逡逑義特征，研究基于圖域的冠層參數(shù)化建模方法，構(gòu)建基于統(tǒng)計(jì)的枝干分布數(shù)學(xué)模逡逑型及葉片分布數(shù)據(jù)模型，實(shí)現(xiàn)基于域圖語(yǔ)義的果樹(shù)冠層快速重建。構(gòu)建基于質(zhì)點(diǎn)－逡逑彈簧系統(tǒng)的物理約束模型用于控制果樹(shù)冠層點(diǎn)云物理變形，為果樹(shù)風(fēng)吹落果虛擬逡逑仿真研宄以及果樹(shù)樹(shù)形整形、拉枝仿真模擬提供技術(shù)支撐。逡逑結(jié)合重建的果樹(shù)三維冠層模型

從而提高果樹(shù)冠層結(jié)構(gòu)三維重建的精度和效率，具有很大的研宄價(jià)值和廣逡逑泛的現(xiàn)實(shí)意義。本章首先依據(jù)樹(shù)冠構(gòu)成、生長(zhǎng)特點(diǎn)，分析幾款常用的三維數(shù)據(jù)獲逡逑取設(shè)備的技術(shù)指標(biāo)及在開(kāi)展果樹(shù)數(shù)據(jù)獲取時(shí)的技術(shù)方法細(xì)節(jié)，并綜述了相關(guān)數(shù)據(jù)逡逑處理方法，然后結(jié)合蘋(píng)果樹(shù)物候生長(zhǎng)特點(diǎn)，提出一種基于多尺度信息融合的果樹(shù)逡逑形態(tài)結(jié)構(gòu)獲取方法，該方法能夠?qū)μO(píng)果樹(shù)進(jìn)行連續(xù)數(shù)據(jù)獲取，實(shí)現(xiàn)一個(gè)生長(zhǎng)周年逡逑的三維冠層重建，為冠層光分布計(jì)算分析研究提供系統(tǒng)的數(shù)據(jù)支撐，最后分析果逡逑樹(shù)三維數(shù)據(jù)獲取方法的優(yōu)勢(shì)和局限。逡逑２．１試驗(yàn)果園簡(jiǎn)介逡逑本文試驗(yàn)地點(diǎn)為北京昌平中日友好觀光果園（北緯４０．２４，東經(jīng)１１６．３１），該逡逑果園主要種植蘋(píng)果樹(shù)，占地５００余畝，是基于北京市昌平區(qū)政府與日本國(guó)青森縣逡逑板柳町政府簽訂的蘋(píng)果技術(shù)交流友好協(xié)議為基礎(chǔ)建立的標(biāo)準(zhǔn)果園。果園自然環(huán)境逡逑屬溫帶季風(fēng)氣候，夏季高溫多雨，冬季寒冷干燥，土壤為褐土，灌溉條件較好，逡逑生長(zhǎng)良好，管理水平較好。本文選取的試材為６－１５年生的紅富士蘋(píng)果樹(shù)（Ｆｕｊｉ），逡逑南北行向，株行距為３ｍ＊５ｍ。逡逑

（ａ）邐（ｂ＞逡逑圖２－２三維數(shù)字化儀ＭｉｃｒｏＳｃｒｉｂｅ，邋（ａ）設(shè)備結(jié)構(gòu)，（ｂ）設(shè)備原件組成逡逑Ｆｉｇ．邋２－２邋Ｔｈｒｅｅ邋ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ邋ｄｉｇｉｔｉｚｅｒ邋ＭｉｃｒｏＳｃｒｉｂｅ，（ａ）ｔｈｅ邋ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ邋ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ，（ｂ）ｔｈｅ邋ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ逡逑ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ逡逑本文研宄過(guò)程中使用的兩款三維數(shù)字化儀是ＭｉｃｒｏＳｃｒｉｂｅ和３Ｓｐａｃｅ邋Ｆａｓｔｒａｋ。逡逑其中，ＭｉｃｒｏＳｃｒｉｂｅ俗稱(chēng)“威力手”，是由美國(guó)ｉｍｍｅｒｓｉｏｎ公司研發(fā)的小型三維數(shù)逡逑字化儀設(shè)備，其由三段炭纖維臂構(gòu)成，其工作球面直徑為１．２７ｍ，精度０．３８ｍｍ。逡逑設(shè)備的主要構(gòu)成包括探針和腳踏板，如圖２－２所示。３ＳｐａｃｅＦａｓｔｒａｋ是美國(guó)Ｐｏｌｈｅ逡逑ｒｎｕｎｓ公司生產(chǎn)的三維運(yùn)動(dòng)跟蹤儀，該設(shè)備采用的是電磁原理，使用時(shí)要避免金屬逡逑等電磁干擾物體，另外，在設(shè)備使用時(shí)要避免設(shè)備電纜線相互交錯(cuò)纏繞（Ｐｏｌｈｅｍｕｓ逡逑ｅｔａｌ．，２０００）。其使用擴(kuò)展發(fā)射器后，測(cè)量范圍可達(dá)４ｍ的球形半徑距離，精度為０．逡逑０８ｃｍ

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本文編號(hào)：2796072