基于图像的山核桃生长模型

论文摘要

树木生长发育过程中,三维结构的变化影响林木自身的光合作用和蒸腾作用。林分中树木三维结构在物质交换和能量传递过程中发挥关键作用,而且影响地表生物量及林分的小气候环境。基于图像序列的树木三维重建技术不仅是计算机图形学领域中的一个热点问题,而且可以使树木的生长过程得以重现和保存,为林业的经营管理提供技术支持和理论指导。本文以临安市清凉峰镇人长久万亩山核桃示范区中不同树龄的山核桃为研究对象,在夏季和冬季利用高清摄像机绕不同树龄段的山核桃拍摄一周,得到5年、8年、11年、15年、20年五个树龄段44棵树的连续图像序列。通过ACTS系统(摄像机自动跟踪系统)得到该图像序列的摄像机参数及其树木和场景的三维点云。结合图像处理技术和计算机编程语言,模拟重建山核桃生长发育的三维结构模型。其结果如下:1)重建山核桃三维点云模型。通过去除ACTS求解得到山核桃图像点云中的噪声点,只留下构成树木本身的特征点。根据摄像机透视转变原理,通过在二维图像上选择需要去除噪声的投影点,来删除该投影点所对应的三维点。依次除去每一帧上的噪声点,进而得到树木三维点云,获得树冠模型。由于受到拍摄环境的限制,通过点云模型计算的山核桃冠幅和树高时,误差较大或者根本无法进行计算。2)利用ACTS得出的摄像机参数,重建枝干模型。通过人机交互界面,确定山核桃图像中的关键点,两关键点确定一条枝干,进而构建一棵树的枝干模型。枝干模型主要用于计算人工难以测量的山核桃数据,利用长度已知的标杆计算。山核桃枝干模型树高的计算值和实际测量值之间配对检测结果表明,5年、8年、11年、15年和20年的P值依次为0.580、0.726、0.489、0.225和0.205。P>0.05,说明利用标杆计算不同树龄段山核桃树高的计算值和实际值之间无差异。利用建立的枝干模型,可以计算出模型中每一分枝的长度。3)在构建OpenGL三维场景表达框架基础上,通过鼠标交互,可以对点云模型和枝干模型进行平移、缩放、旋转操作,以达到通过不同角度对三维模型进行观察的目的。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一部分 文献综述
• 1.1 树木三维结构重建
• 1.1.1 基于规则的树木三维结构重建
• 1.1.2 基于图像的树木三维结构重建
• 1.2 林分的三维结构重建
• 1.3 模型在林业中的应用
• 第二部分 研究思路和材料方法
• 2.1 研究背景
• 2.2 研究目的
• 2.3 技术路线
• 2.4 材料和方法
• 第三部分 研究内容
• 3.1 基于图像的山核桃点云模型
• 3.1.1 原理和技术
• 3.1.2 操作过程
• 3.1.3 点云模型的参数的计算
• 3.1.4 结果分析
• 3.2 基于图像的山核桃枝干模型
• 3.2.1 原理和技术
• 3.2.1.1 树木关键点
• 3.2.1.2 关键点投影坐标计算
• 3.2.1.3 由关键点的投影坐标计算三维坐标
• 3.2.1.4 枝干模型建立和计算
• 3.2.2 操作步骤
• 3.2.2.1 导入图像和相机参数
• 3.2.2.2 添加特征点
• 3.2.2.3 描绘枝干
• 3.2.3 枝干模型参数计算
• 3.2.4 结果与分析
• 3.3 基于OpenGL 山核桃生长发育三维表达
• 3.3.1 原理和技术
• 3.3.2 结果
• 第四部分 结论与展望
• 4.1 主要结论
• 4.2 研究展望
• 参考文献
• 附件
• 个人简介
• 致谢