数据和规则综合驱动的三维树木精细建模方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及农业信息化和现代农业技术领域，具体涉及一种数据和规则综合驱动 的三维树木精细建模方法。
【背景技术】
[0002] 虚拟植物是指利用计算机、结合可视化等技术对植物在三维空间生长发育进行模 拟，是农林业信息化、智慧农林业和虚拟现实等交叉学科的研究热点。不同的应用领域，对 虚拟植物的具体需求不同，如影视、游戏等领域，要求植物模型形象、逼真，视觉上具有很强 的真实感;而农林业领域，要求模型尽可能地逼近实际植物形态结构，即模型精度要高、可 信。利用虚拟植物模拟植物生长发育过程能够帮助人类更好地认识和了解植物的生长发育 规律，可以为植物经营管理、生理生态影响评价、作物产量评估等提供有效的方法。特别在 微观尺度上，更能显示其优势。植物形态结构的精细建模是进行植物生长发育过程模拟、植 物与生态环境的交互行为模拟(如光环境与光合作用关系）、遥感反演等方面的基础。因此， 如何实现虚拟植物的高可信度仿真显得至关重要。
[0003] 目前，虚拟植物的建模方法大致有四种:第一种是基于规则的植物建模方法，该方 法可以逼真的模拟植物的三维形态及生长过程，重点是植物枝干系统的拓扑结构，但当所 描述植物的形态结构较为复杂时，提取植物的生长规则较为繁琐，而且对于植物器官的模 拟方面，大部分采用参数曲面近似表示，与现实具体的树木难以定量比较，模拟结果难以实 地验证;第二种是基于图像的植物建模方法，该建模方法能够体现作物的一些具体细节情 况，生成的静态模型比较逼真。这种方法要从图像序列中自动地恢复植物几何形态，器官间 的遮挡部分恢复重建比较困难，而且针对高大植物很难从复杂的背景中剥离出来，获取整 株完整的植物图像;第三种是交互式参数化建模方法，该方法直观易用，克服了基于规则建 模方法的复杂性、理解困难、交互性差等不足;该模型与真实模型一致性较差，适合应用于 城市绿地规划、动画、游戏等对植物模型精度要求不高的领域;第四种是基于实测数据的植 物结构重建。这种方法包括基于数字化仪测量的数据的重建和基于三维激光扫描仪获取的 点云数据的重建，所形成的模型几何精度高。在植物单个器官上，往往能够重构出与实际植 物非常相似的模型，然而对复杂个体的植物，遮蔽现象严重，要从扫描得到的点云数据，重 构出与实际植物比较一致的整株模型还没有成熟的算法，具有一定的挑战性。上述四种方 法在进行植物三维模型的构建时都各有优缺点和局限性，前三种方法形成的模型从视觉上 能满足要求，但是难以满足虚拟植物模型与实际模型进行量化评估的要求。因此对不同的 树木建模方法进行综合应用可以充分发挥不同方法的优势，能够更好更快地对植物进行三 维形态的重建。本发明将综合利用规则建模方法的便于描述植物拓扑结构的优势和基于测 量数据建模方法获取的植物形态机构参数建模精度高的优势，提出了数据和规则综合驱动 的树木建模方法。
[0004] 随着虚拟植物研究的不断深入及计算机硬件技术的发展，如何实现虚拟植物的高 可信度仿真成为可能。冠层局部组分(树叶、果实、一年生枝梢和两年生枝梢等)形态结构的 复杂性决定了其形态结构建模和可视化在真实感模拟中的困难。
[0005] 三维激光扫描技术是一种新兴的数据获取方式，又称为实景复制技术。因为它能 准确快速地重建三维对象的表面形态，并且具有精度高、速度快、立体扫描等特点，已经被 广泛应用。三维激光扫描技术在其他领域的成功应用显示了其在复杂三维形态获取方面的 突出技术优势，这也促进了三维激光扫描技术在植物建模领域的应用。申请专利中所使用 的三维激光扫描仪是Artec Eva，其工作原理是基于白色结构光和数学算法而获取三维形 状信息，分辨率为〇.5mm，有效扫描距离40~100cm。
[0006] Artec Studio是和Artec Eva扫描仪配合使用的一款三维软件，Artec Eva通过 Artec Studio完成模型扫描，并基于该软件进行后期处理，包括:孔洞填补、网格优化、平滑 模型及模型纹理的粘贴，其中平滑模型有Smooth Fusion和Sharp Fusion。前者适合部分数 据缺失的模型，该方法能够创建网格填充模型数据中的孔洞，通常处理结果具有平整和噪 音少的特点；后者适合重建模型的细节，例如包含锋利边缘的模型，当处理的数据噪声较大 时，这种方法会将噪声扩大，在计算速度方面，这种方法要优于Smooth Fusion。该软件可以 导出多种3D数据格式，包括VRML，OBJ，STL，PLY等多种主流的三维数据格式。
[0007] Geomagic Studio是Geomagic公司产品的一款逆向软件，能够将扫描获得的点云 数据转换成精确的三维数字模型，并可以输出各种行业标准格式，包括STL、IGES等众多文 件格式，该软件是目前行业中对点云及曲面构建最成熟的软件之一。
[0008] L-系统实质上就是一个并行重写系统。其核心概念是重写(rewriting)，重写的基 本思想是根据预先定义的重写规则(产生式)集不断地生成复合形状并用它来替代初始简 单物体的某些部分以定义复杂物体。L-系统规则包括公理和产生式规则。"龟形解译"是对 L-系统进行图形说明，其基本思想是将龟的状态定义为三元组（x，y，a)，其中笛卡尔坐标 (x，y)表示龟的位置，方向角a指定为龟的运动方向，给定步长d和角度增量δ。
【发明内容】
[0009] 本发明的目的在于提供一种数据和规则综合驱动的三维树木精细建模方法，该方 法可形成与实际形态结构高度相似的精细的、可靠的三维模型，为中小株型的树木生理生 态模拟结果的评价分析提供基础、使虚拟植物模拟结果具有可验证性。
[0010] 为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种数据和规则综合驱动的三维树木精 细建模方法，包括如下步骤， 步骤S10:获取树木枝干系统的形态结构特征的几何参数、拓扑参数及相应器官的纹理 图片； 步骤S11:根据树木枝干系统的形态结构特征参数，基于L-系统文法规则，提取枝干系 统的约束规则，采用龟形解译算法，建立枝干系统的三维几何模型并映射上纹理； 步骤S12:利用手持激光扫描仪获取树木冠层局部组分的点云数据及相应器官的纹理 图片； 步骤S13:运用Artec Studio和Geomagic Studio软件处理点云数据，建立树木冠层局 部组分的精细三维模型； 步骤S14:根据树木冠层的局部组分与整株在空间上的几何联接关系，运用L-系统文法 规则定义拓扑关系的约束规则，将树木冠层局部组分的精细三维模型与枝干系统的三维几 何模型进行集成，形成整株树木的三维模型。
[0011] 在本发明一实施例中，所述步骤S10的具体实现步骤如下： 步骤S101:利用钢卷尺、皮尺及测角仪进行树木形态结构特征参数的量测，其参数包括 树木高度、叶幕层厚度、冠幅、干高、干周、一级枝条长度、一级枝条节间长度、一级枝条枝干 周长、一级枝条与主干的夹角、一级枝条生长方位角、二级枝条长度、二级枝条节间长度、二 级枝条枝干周长、二级枝条与一级枝条间夹角;对于三级及以上枝条采取随机取样测量的 方式获取枝干形态参数； 步骤S102:获取树木枝干部分纹理图像并进行处理，生成相应的纹理，对粗糙不平特征 的树皮生成相应的法向纹理。
[0012] 在本发明一实施例中，所述步骤S11的具体实现步骤如下： 步骤S111:基于L-系统文法的公理语法规则，根据获取的干高、干周、一级枝条的节间 长度及树木的拓扑结构信息，定义公理； 步骤S112:基于L-系统产生式