三維激光掃描技術的日趨成熟和掃描設備的廣泛普及,使其成為三維建模的重要數據獲取途徑,也是計算機圖形學、數據處理領域的研究熱點問題。針對不同領域的應用,研究人員提出了許多有效的解決方法,主要體現在點云曲面、基于點的建模,點云數據處理、特征提取、網格重建誤差分析等幾個方面。

在農業領域中，植物是虛擬現實領域的重要建模對象之一,特別是在計算機圖形學領域和虛擬農業領域的應用中,對植物對象的真實感建模提出了更高的要求。植物的三維建模是虛擬植物的基礎,如何快速、準確、有效地獲取植物的三維空間信息,成為植物三維建模首要解決的問題。

現狀與困難

現有的植物對象建模方法大多基于手工測量數據和數字設計的手段，傳統的數據采集技術速度慢、精度低,在真實感上已經難以滿足現代數字植物的建模要求。而三維激光掃描測量技術克服了傳統測量技術的局限性,采用非接觸主動測量方式直接獲取高精度三維數據,能夠對任意物體進行掃描,且沒有晝夜的限制,快速將現實中的目標靜態結構信息轉換成可以處理的數據。它具有掃描速度快、實時性強、精度高、主動性強、全數字特征等特點,可以極大地節約時間,而且使用方便,其輸出格式多可直接在Polyworks、 Geomagic等軟件中進行后期分析,因此,將三維激光掃描技術引入植物建模應用中,為植物的形態結構三維重建提供了一個全新有效的方法。

 技術優勢

(一)技術特點

隨著三維激光掃描技術的出現,結合分析軟件,可以通過三維點云數據快速保存被調植被的各方面信息,在這個信息基礎上,可以方便提取植物樹冠、胸徑等數據,方便進行農作物數據分析和保存,通過軟件自動化提取參數的模塊,可以大批量、高效率的獲取所需要的數值,相比傳統數據采集手段來說,可以做到既快又準,而且在獲取某些植被的關鍵參數上,也不用砍伐樹木來獲取植被信息了,保證了生態的可持續發展,將農業調查對環境的傷害程度降到。

(二)設備概況

Go!SCAN 3D 是快速、用戶友好型手持式 3D 掃描儀。設計用于掃描任何物體，無需安裝，可高質量地采集紋理和幾何形狀，色彩豐富，細節精致。可以用于采集農作物的顏色，而且無需貼點就可以完成掃描，精度達到0.05mm。

而對于更高精度要求的農作物掃描，我們推薦工業級的handyscan black，HandySCAN 3D 始終可實現精 確測量，同時提供高分辨率和可追蹤結果。以動態參考為特點，掃描儀 和部件都可在測量期間移動，且依可以確保掃描高質量，精度：0.025 mm。

 （三）解決方案

三維激光掃描在農作物業研究中的應用廣泛,根據不同的需求可以生成相應的成果。主要工作流程包括以下幾個步驟

1.在實施具體掃描計劃之前,需要制定嚴密的掃描方案,根據數據采雋的精度要求和被掃描物體現壢環境,確定掃描路線、掃描站

數、儀器架站位置、掃描密度選擇

2.數據獲取,包括三維點云數據采集和紋理信息的獲取。

3.點云數據預處理,主要包括點云的去噪,配住和點云著色,導出真彩色點云數據,后期成果應用于展示,包括植株高度、胸徑等關

鍵因子采集,植點云數據存檔。

應用案例

1、整片小麥農作物的掃描，用于分析生長周期：

2、單株植物的數據采集，并在植被軟件中對長勢進行整體分析

3、單株作物的高精度掃描，進行數據存檔，或者用于AR展示

結論

通過三維激光掃描儀野外掃描獲取樣木三維空間信息及影像數據,并由相應軟件室內量取樣木任意高直徑,其測量精度完全前能夠達到農業作物的數據采集 ,可信度更高。點云數據不光可用于提取尺寸,也可提供其他如生物量、樹干相對位置和葉面積指數,進而實現高效、大數量、大范圍的數據采集,這樣做在地域上具有很強的針對性,量體裁衣,保證了數據的高精度,付諸于生產實踐,對建立現代農業資源研究改進具有重要的現實意義