水稻測量與群體模型的構(gòu)建方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種水稻測量與群體模型的構(gòu)建方法，包括以下步驟：S1：田間測量，S2：室內(nèi)測量，S3：葉片建模，S4:單株建模，S5：室內(nèi)數(shù)據(jù)還原到原群體，通過使用本發(fā)明所述建立水稻測量與群體模型的構(gòu)建方法，轉(zhuǎn)化還原到田間原位生長狀態(tài)來建立田間還原型水稻群體模型，具有模型真實度高，誤差小，建模工作量小，方法簡單，成本低廉的優(yōu)點。
【專利說明】水稻測量與群體模型的構(gòu)建方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及農(nóng)業(yè)方面的植物計算機虛擬建模領(lǐng)域，具體涉及一種水稻測量與群體模型的構(gòu)建方法。

【背景技術(shù)】
[0002]用計算機模擬植物三維空間結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)模型被稱之為虛擬植物模型，又稱之為數(shù)字植物模型，能夠在作物育種、栽培和景觀設(shè)計中起到重要作用。在植物虛擬三維結(jié)構(gòu)模型研究中，基于實測數(shù)據(jù)的植物群體模型構(gòu)建和研究，比較有代表性的是玉米群體模型和水稻群體模型，但是禾本科植物葉片狹長，比較簡單，只需要測量葉緣和中脈即可建立葉片模型，從而建立群體模型。而水稻花序復(fù)雜，枝、花和莢果數(shù)量多，建模難度大，水稻葉片較大、卷曲、皺褶較多，難以測量與建模，導(dǎo)致該方法不能推廣應(yīng)用到構(gòu)建水稻群體模型中。
[0003]有研究者建立了煙草的群體模型，方法如下:用三維數(shù)字化儀在田間測量葉片的輪廓，建立輪廓的群體模型，在室內(nèi)用三維掃描儀掃描空間形態(tài)，通過計算機算法把室內(nèi)掃描填充到輪廓之中。從而建立煙草的群體模型。煙草也是闊葉植物，葉片也較為復(fù)雜，該方法可以應(yīng)用于水稻群體模型構(gòu)建。但是該方法有兩大問題:首先，在田間需要另外的三維數(shù)字化儀對煙草輪廓進行數(shù)字化，又要室內(nèi)用三維掃描儀掃描，工作量比較大，而且需要另外配置三維數(shù)字化儀，成本較高；其次，填充還原的葉片明顯失真，在計算冠層分析、評估株型方面面臨較大的誤差。而三維模型的優(yōu)勢在于精細(xì)化分析，才能給育種和栽培提供參考，因此該方法模型的失真，背離了三維模型建立的初衷。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明第一目的在于提供一種水稻測量與群體模型的構(gòu)建方法，解決現(xiàn)有水稻群體模型構(gòu)建方法復(fù)雜，工作量大，成本較高，模型失真明顯，誤差較大的缺點，更好的為農(nóng)業(yè)科研和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)服務(wù)。
[0005]為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種水稻測量與群體模型的構(gòu)建方法，包括以下步驟:
Si:田間測量，從樣本水稻群體每株水稻分蘗的多個莖桿中分別挑選并標(biāo)記標(biāo)準(zhǔn)桿，使用移動設(shè)備獲取標(biāo)準(zhǔn)桿和非標(biāo)準(zhǔn)桿上莖桿與葉片的方位和角度數(shù)據(jù)、分蘗位置度數(shù)據(jù)；
S2:室內(nèi)測量，將樣本水稻群體分別單株帶土移到室內(nèi)并固定，獲取標(biāo)準(zhǔn)桿非標(biāo)準(zhǔn)桿上莖桿與葉片的相對方位和角度數(shù)據(jù)、分蘗位置度數(shù)據(jù)、莖桿直徑和高度數(shù)據(jù)；
S3:葉片建模，利用三維掃描儀掃描并獲取樣本水稻葉片中脈和葉緣坐標(biāo)，將中脈坐標(biāo)和葉緣坐標(biāo)通過三次樣條插值擬合并填充成水稻葉片模型；
S4:單株建模，構(gòu)建水稻分蘗單桿三維模型，利用S2和SI中數(shù)據(jù)，組建水稻單株模型；
S5:室內(nèi)數(shù)據(jù)還原到原群體，根據(jù)SI中每株水稻標(biāo)準(zhǔn)桿位置度數(shù)據(jù)，確定每株水稻的位置，將已經(jīng)確定位置的水稻單株植株，整株沿標(biāo)準(zhǔn)桿旋，直至標(biāo)準(zhǔn)桿位置和方位與SI中獲取每株水稻中分蘗的多個莖桿中標(biāo)準(zhǔn)桿的莖桿與葉片的方位和角度數(shù)據(jù)保持一致。
[0006]進一步地，步驟SI包括:所述移動設(shè)備包括手持式三維掃描儀、直尺。
[0007]進一步地，步驟S3包括:水稻葉片模型建模過程包括以下步驟:
531:沿著水稻葉片的中脈，從葉片根部開始，每隔5cm測量一個坐標(biāo)點；
532:測量S31中脈上坐標(biāo)點兩側(cè)的葉邊邊沿的坐標(biāo)點；
533:測量葉片的總長度；
534:確定葉尖坐標(biāo)和葉邊輪廓；
535:生成葉片模型。
[0008]進一步地,步驟SI中還包括:
511:天氣選擇，選擇陰天或雨天在田間進行取樣并盡快于室內(nèi)測量，或為晴天，則需在取樣前一天，提前對所述水稻群體進行澆水灌溉；
512:時間選擇，選擇上午7點-8點作為所述水稻群體田間數(shù)據(jù)采集和取樣的時間節(jié)占.513:所述水稻群體樣本選擇，選擇葉片充分伸展，無卷曲葉片面積適中的相鄰水稻植株作為水稻群體樣本，要求能夠代表大田生長狀況。
[0009]本發(fā)明的有益效果是:使用本發(fā)明所述建立水稻測量與群體模型的構(gòu)建方法，通過轉(zhuǎn)化還原到田間原位生長狀態(tài)來建立田間還原型水稻群體模型，具有模型真實度高，誤差小，建模工作量小，方法簡單，成本低廉的優(yōu)點。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0010]圖1，為本發(fā)明的流程圖。
[0011]圖2,九株水稻植株和分蘗之間的關(guān)系。。
[0012]圖3，水稻群體取樣前個體間距離測量工作示意圖。
[0013]圖4，葉片組成示意圖。
[0014]圖5，真實的水稻葉片組成劃分。

【具體實施方式】
[0015]下面通過具體實施例，并結(jié)合附圖，對本發(fā)明的技術(shù)方案作進一步具體說明。
[0016]實施例1
本發(fā)明提供了一種水稻測量與群體模型的構(gòu)建方法，包括以下步驟:詳細(xì)構(gòu)建步驟如圖1所示，下面具體說明如下:
S1:田間測量。
[0017]從樣本水稻群體每株水稻分蘗的多個莖桿中分別挑選并標(biāo)記標(biāo)準(zhǔn)桿，使用移動設(shè)備獲取標(biāo)準(zhǔn)桿和非標(biāo)準(zhǔn)桿上莖桿與葉片的方位和角度數(shù)據(jù)、分蘗位置度數(shù)據(jù)。
[0018]在需要測量的生長時期，選擇田間有代表性的水稻小群體，要求群體生長均勻，能夠代表大田生長狀況。由于測量工作量限制，一般選擇3*3共9株水稻，作為研究對象，預(yù)備在計算機上建立該小群體模型。
[0019]選擇適宜的時機進行取樣，最好選擇田間有水或水剛剛干的時間，避免在擱田期間(土地排水適度干旱)取樣，另外取樣天氣最好是陰雨天氣，并且選擇在早晨進行取樣。這樣植株體內(nèi)水分充分，溫度不太高，植株充分伸展，短期內(nèi)不會萎蔫，能夠保證測量的植物和地里生長的不會存在太大差異。
[0020]取樣時間為早晨，對九株植株進行標(biāo)記，根據(jù)方位，在備用紙張上畫出四株分布位置，寫上對應(yīng)編號。除去該群體周邊植株。對每個植株選擇三個葉片，標(biāo)記葉片測量并記錄這些葉片的方位角。選擇的葉片要求如下:中上部比較直挺的葉片，葉傾角較小葉片偏向平展，且三個葉片方位角相差較大。每一株水稻都有若干分蘗，對每一株水稻分別選擇兩個分蘗，進行標(biāo)記，分蘗要求如下:每個分蘗兩株，盡量靠近外側(cè)，比較容易測量，分蘗比較粗壯，在挖取移栽時不會發(fā)生變形。
[0021]如圖2所示9株水稻，每一株由若干分蘗組成，每個紅色圓圈表示水稻不同分蘗所處的相對位置，*號和五角星標(biāo)記為需要標(biāo)記的分蘗，五角星測量株向距離和方向，一般記錄為標(biāo)準(zhǔn)桿1，*號測量行向距離和角度，一般記錄為標(biāo)準(zhǔn)桿2，如果標(biāo)記的分蘗弱小，需要換壯實的分蘗，選擇原理同上。
[0022]如圖3所示，選擇第I株作為基點，測量其余植株距離第一株的距離，和相對方位角。具體測量如下:選擇標(biāo)記的分蘗對應(yīng)基點為植株參考的中心部位，距離地面高度2cm。以直尺平行兩個基點放置，測量兩個基點(即兩個植株)之間的距離。以指南針平行于直尺，對植株編號從小到大順序測量，測量直尺的方位角，即兩個植株之間的方向。在測量時測量標(biāo)記分蘗之間的相對位置，如第一株分別為分蘗1-1和1-2，1-1用來測量和4-1的相對距離與方向，1-2則用來測量2-2的相對距離與方向。在示意圖上標(biāo)注出植株之間的方位角以及距離(圖3)。
[0023]S2:室內(nèi)測量。
[0024]將樣本水稻群體分別單株帶土移到室內(nèi)并固定，獲取標(biāo)準(zhǔn)桿非標(biāo)準(zhǔn)桿上莖桿與葉片的相對方位和角度數(shù)據(jù)、分蘗位置度數(shù)據(jù)、莖桿直徑和高度數(shù)據(jù)。
[0025]使用鐵鍬進行挖掘，每一株植株都在四周數(shù)值切土，把根系周圍切成4方塊土柱，要求入土深度為20cm左右，方塊土柱長寬也約為20cm。隨之小心取出，放置于容器中，小心用三輪車等運輸工具運輸回實驗室，注意在取樣與運輸過程中，要保持植株直立，土球緊密，防止松散，根系外漏，植物會失水萎蔫，同時防止取樣過程中對植物葉片、莖桿、枝條的碰撞，減少水稻取樣運輸過程中的變形。
[0026]實驗室內(nèi)微光，葉片適量噴水，室內(nèi)加濕，保持較為濕潤的環(huán)境，同時降溫，溫度控制在20度以下(一般都是不進陽光的室溫)，在每個水稻植株土面上澆水，保持植株處于鮮活挺立的狀態(tài)，同時由于微光條件，抑制水稻植株短期內(nèi)的生長變化以及向光性生長。
[0027]實驗室內(nèi)固定水稻植株，開始測量標(biāo)記的三個葉片，測量標(biāo)記葉片的方位角。之后對水稻莖桿和葉片用掃描儀逐一測量，保證莖桿起點為地上部分2cm，測量單株模型數(shù)據(jù)。對取來的9個植株進行逐一測量，記錄測量植株編號，并且盡可能快速測完。需要注意記住標(biāo)記的分蘗。
[0028]用三維數(shù)字化儀測量的葉片數(shù)據(jù)如下:測量左右兩側(cè)邊緣的坐標(biāo)和葉片中脈的坐標(biāo)，每隔大約5cm測量一個點，如果葉片卷曲、扭曲等，測量間距縮小，如果葉片較為平展，測量間距可以適度增加。測量都是從葉片和葉鞘連接處開始，一直測量到葉尖。測量的莖桿數(shù)據(jù)如下:通過該儀器測量莖桿左右對稱兩側(cè)的坐標(biāo)，用游標(biāo)卡尺測量水稻莖桿直徑。從植株外圍方便測量的分蘗著手測量，測量完畢一個分蘗剪下拍照便于查閱對照，同時也方便內(nèi)部分蘗測量。
[0029]S3:葉片建模。
[0030]利用三維掃描儀掃描并獲取樣本水稻葉片中脈和葉緣坐標(biāo)，將中脈坐標(biāo)和葉緣坐標(biāo)通過三次樣條插值擬合并填充成水稻葉片模型。測量之后首先對單株組裝建模，實現(xiàn)可視化。葉片建模如下:首先檢查對葉尖進行檢查，由于葉片左右邊緣和中脈最后坐標(biāo)都為葉尖坐標(biāo)，但是由于測量誤差，可能會造成一些差異?？梢赃x擇三次測量的葉尖坐標(biāo)求平均值的方法簡單的統(tǒng)一葉尖坐標(biāo)。對于測量的葉片邊緣和中脈選擇合適的插值方程進行插值，如三次樣條插值，三條線最終都有相同的插值點。插值點的數(shù)目約為葉片寬度的一半，一般選擇插值50個點。以左側(cè)邊緣和中脈的插值坐標(biāo)點，相鄰三個組成三角面片，同樣右側(cè)邊緣和中脈插值點也組成若干三角面片。圖4為葉片分割示意圖，圖5為真實測量的水稻葉片。
[0031]S4:單株建模。
[0032]利用S2和SI中數(shù)據(jù)，組建水稻單株模型，莖桿中心點由左右兩側(cè)求平均組成，莖桿由一系列圓柱組成，圓柱體的軸為莖桿中心點，直徑是該位置測量直徑。
[0033]S5:室內(nèi)數(shù)據(jù)還原到原群體。
[0034]確定每株水稻的位置；將已經(jīng)確定位置的水稻單株植株，整株沿標(biāo)準(zhǔn)桿旋，直至標(biāo)準(zhǔn)桿位置和方位與SI中獲取每株水稻中分蘗的多個莖桿中標(biāo)準(zhǔn)桿的莖桿與葉片的方位和角度數(shù)據(jù)保持一致。
[0035]以上所述的實施例只是本發(fā)明的一種較佳的方案，并非對本發(fā)明作任何形式上的限制，在不超出權(quán)利要求所記載的技術(shù)方案的前提下還有其它的變體及改型。
【權(quán)利要求】
1.一種水稻群體測量與群體模型的構(gòu)建方法，其特征在于，包括以下步驟: Si:田間測量，從樣本水稻群體每株水稻分蘗的多個莖桿中分別挑選并標(biāo)記標(biāo)準(zhǔn)桿，使用移動設(shè)備獲取標(biāo)準(zhǔn)桿和非標(biāo)準(zhǔn)桿上莖桿與葉片的方位和角度數(shù)據(jù)、分蘗位置度數(shù)據(jù)； S2:室內(nèi)測量，將樣本水稻群體分別單株帶土移到室內(nèi)并固定，獲取標(biāo)準(zhǔn)桿非標(biāo)準(zhǔn)桿上莖桿與葉片的相對方位和角度數(shù)據(jù)、分蘗位置度數(shù)據(jù)、莖桿直徑和高度數(shù)據(jù)； S3:葉片建模，利用三維掃描儀掃描并獲取樣本水稻葉片中脈和葉緣坐標(biāo)，將中脈坐標(biāo)和葉緣坐標(biāo)通過三次樣條插值擬合并填充成水稻葉片模型； S4:單株建模，構(gòu)建水稻分蘗單桿三維模型，利用S2和SI中數(shù)據(jù)，組建水稻單株模型； S5:室內(nèi)數(shù)據(jù)還原到原群體，根據(jù)SI中每株水稻標(biāo)準(zhǔn)桿位置度數(shù)據(jù)，確定每株水稻的位置，將已經(jīng)確定位置的水稻單株植株，整株沿標(biāo)準(zhǔn)桿旋，直至標(biāo)準(zhǔn)桿位置和方位與SI中獲取每株水稻中分蘗的多個莖桿中標(biāo)準(zhǔn)桿的莖桿與葉片的方位和角度數(shù)據(jù)保持一致。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的水稻測量與群體模型的構(gòu)建方法，其特征在于，步驟SI中:所述移動設(shè)備包括手持式三維掃描儀、直尺。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的水稻測量與群體模型的構(gòu)建方法，其特征在于，步驟S3包括:水稻葉片模型建模過程包括以下步驟: 531:沿著水稻葉片的中脈，從葉片根部開始，每隔5cm測量一個坐標(biāo)點； 532:測量S31中脈上坐標(biāo)點兩側(cè)的葉邊邊沿的坐標(biāo)點； 533:測量葉片的總長度； 534:確定葉尖坐標(biāo)和葉邊輪廓； 535:生成葉片模型。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的水稻測量與群體模型的構(gòu)建方法，其特征在于，步驟SI中還包括: 511:天氣選擇，選擇陰天或雨天在田間進行取樣并盡快于室內(nèi)測量，或為晴天，則需在取樣前一天，提前對所述水稻群體進行澆水灌溉； 512:時間選擇，選擇上午7點-8點作為所述水稻群體田間數(shù)據(jù)采集和取樣的時間節(jié)占.513:所述水稻群體樣本選擇，選擇葉片充分伸展，無卷曲葉片面積適中的相鄰水稻植株作為水稻群體樣本，要求能夠代表大田生長狀況。
【文檔編號】G06T17/00GK104200515SQ201410365338
【公開日】2014年12月10日 申請日期:2014年7月29日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月29日
【發(fā)明者】李冬, 王俊敏, 劉合芹, 徐志福, 石曉燕, 葉宏寶 申請人:浙江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院