小麦生长的三维可视化建模方法研究

摘要

快速并低成本的构建作物的仿真模型对园林景观、农业管理、虚拟现实、三维游戏等领域有着重要的实际意义和经济价值。作物建模研究大多集中在玉米、水稻等作物，小麦建模研究则相对较少。作为全世界三大粮食作物之一，由于结构复杂、形态多样，目前的小麦三维建模方法主要集中在基于生态生理生长机的三维重建和基于三维形态模型的三维重建两大类，而且大部分研究都集中在小麦的静态单株三维建模上，关于小麦的动态生长建模尤其是小麦株群建模的研究则很少。而小麦的动态生长建模和株群建模研究对小麦的生长管控和调节甚至是粮食安全问题都有着很重要的潜在意义和价值。 本文对小麦生长的三维可视化建模方法进行研究，针对单株小麦建模问题，首先以小麦最复杂的器官——麦穗作为核心研究对象，从小麦抽穗到成熟这一过程作为一个重点，对小麦进行生长建模。分别利用Bezier曲面和多边形对小麦各个器官进行的建模，对小麦的麦粒、外稃和内稃作为一个整体进行重新多边形化（简化）操作，以使其作为小麦的主要器官可以减少模型数据加快模型生长的计算速度，并且使其可以更容易检测出麦穗抽穗到成熟阶段中麦粒的碰撞。本文建模方法的实验结果表明，该方法可以以低成本和较高的建模效率模拟小麦生长过程。建模效果较好并且可以实现小麦不同生长期的建模。 麦田的三维模拟模型对小麦的生长调控与管理有重要的理论意义和应用价值。针对小麦株群建模问题，本文以小麦株群的三维模拟作为研究对象，基于视觉的方式对麦田进行建模。同时，本文对麦田采用分区域建模，以可见部分三维点云作为约束，结合生物学知识以及多边形单株小麦模型对分区域小麦株群进行建模使得麦田的建模更加逼真。该方法可以模拟小麦麦田的三维外形，而且具有较高的建模效率。实验结果表明，文中方法具有较好的建模效果，能够以较低成本实现不同生长阶段的小麦麦田的建模。