1 引 言
2 作物三维重构方法
2.1 作物三维重构方法分类与基本流程
2.1.1 基于规则的方法
2.1.2 基于图像的方法
2.1.3 基于仪器的方法
2.2 作物三维重构方法的特点分析
表1 作物三维重构方法的技术特点Table 1 Technique characters of crop 3D reconstruction |
方法类别 | 方法特点 | |||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|
采样速度 | 采样方式 | 重构速度 | 重构精度 | 使用复杂程度 | 设备价格 | 受环境影响程度 | ||
基于规则的方法 | 快 | 不采样或人工 | 快 | 低 | 易 | 低 | 小 | |
基于视觉图像的方法 | 快 | 视觉传感器 | 一般 | 高 | 易 | 较低 | 大 | |
基于仪器的方法 | 三维扫描仪 | 快 | 激光或深度相机 | 快 | 一般 | 易 | 高 | 小 |
三维数字化仪 | 慢 | 接触式传感器或探头 | 一般 | 高 | 复杂 | 高 | 大 |
表2 各类作物三维重构方法的优缺点Table 2 Advantages and disadvantages of crop 3D reconstruction methods |
方法类别 | 代码 | 类型 | 具体描述 | |
---|---|---|---|---|
基于规则 | A1 | 优点 | 采样简单速度快、使用容易、受环境影响小、成本低 | |
B1 | 缺点 | 精度低 | ||
基于图像 | A2 | 优点 | 采样速度快、使用较容易、重构精度高、成本低 | |
B2 | 缺点 | 预处理时间长、受环境影响大、重构速度一般 | ||
基于仪器 | 1) 三维扫描仪 | A3 | 优点 | 采样速度快、使用简单、受环境影响小 |
B3 | 缺点 | 重构精度不高、重构速度一般、成本高 | ||
2) 三维数字化仪 | A4 | 优点 | 重构精度高 | |
B4 | 缺点 | 采样速度慢、重构速度一般、使用较复杂、受环境影响大、成本高 |
|
3 主要作物三维重构技术应用研究现状
3.1 单株作物三维重构
3.1.1 研究现状
表3 单株作物三维重构相关研究Table 3 Researches on 3D reconstruction of single crop |
作物 | 采样设备和方法 | 重构方法 | 优缺点 | 参考文献 |
---|---|---|---|---|
玉米 | 单反相机 | SFM算法、SIFT算法、SVM算法 | A2、B2 | Zhu等(2020)[39] |
三维扫描仪 | Kinect | A3、B3 | 方志力等(2017)[36] | |
三维扫描仪 | LiDAR、LabVIEW程序 | A3、B3 | Thapa等(2018)[46] | |
三维扫描仪 | Geomagic Studio 2014、DoN法线差分算法 | A3、B3 | 苏伟等(2019)[47] | |
三维扫描仪 | 扫描仪、Gemomagic Spark | A3、B3 | 李抒昊等(2018)[48] | |
三维扫描仪 | 扫描仪、三角剖分法 | A3、B3 | 王勇健等(2014)[49] | |
三维扫描仪 | Alpha-Shape算法、移动立方体算法 | A3、B3 | 刘睿等(2014)[50] | |
三维扫描仪 | B样条曲线、多直线分裂算法 | A3、B3 | 肖伯祥等(2007)[28] | |
双目视觉系统 | 双三次B 样条曲线 | A2、B2 | 李辉(2016)[51] | |
双目视觉系统 | Cardinal 样条插值函数 | A2、B2 | 王传宇等(2010)[52] | |
多目立体视觉 | MVS- Pheno平台 | A2、B2 | Wu等(2020)[15] | |
三维数字化仪、激光雷达 | VC++、OpenGL库 | A4、B4 | 程锦和劳彩莲(2009)[29] | |
手持式的FastSCAN扫描仪 | 基于网格方法的自适应密度三维点云简化方法和玉米植株双边滤波算法 | A3、B3 | Ma等(2019)[45] | |
大豆 | 单反相机 | 3DSOM、MATLAB拟合 | A2、B2 | Zhu等(2020)[44] |
数码相机 | 三次样条曲线、L系统 | A2、B2 | 宋祺鹏等(2017)[53] | |
人工测量 | MATLAB拟合、L系统 | A1、B1 | 刘占凤等(2008)[16] | |
三维扫描仪 | 三次样条曲线、Delaunay三角剖分 | A3、B3 | 谢秋菊等(2011)[54] | |
人工测量 | MATLAB拟合、L系统 | A1、B1 | 郑萍等(2006)[55] | |
小麦 | 单反相机 | SIFT算法、SFM算法、MVS算法 | A2、B2 | 史维杰等(2019)[56] |
单反相机 | MVS-SFM算法 | A2、B2 | Duan等(2016)[57] | |
工业相机 | 3DSOM、GPU、OpenCV | A2、B2 | Fang等(2016)[58] | |
相机拍摄 | 边缘检测、生长曲线约束 | A2、B2 | 胡少军等(2007)[59] | |
人工测量 | 非均值有理 B 样条、OpenGL库 | A1、B1 | 李书钦(2017)[60] | |
人工测量 | 形态模型、NURBS曲面、OpenGL库 | A1、B1 | 李书钦等(2016)[61] | |
人工测量 | NURSS曲面 | A1、B1 | 李书钦等(2016)[62] | |
人工测量 | 生长模型、VC++、OpenGL库 | A1、B1 | Zhang等(2012)[63] | |
三维扫描仪 | 离散平滑D2-样条曲面拟合 | A3、B3 | Kempthorne等(2015)[64] | |
棉花 | 双目视觉系统 | SIFT 算法 | A2、B2 | 柏月等(2017)[65] |
双目视觉系统 | OpenCV、Adaboost算法、SIFT 算法 | A2、B2 | 韩大龙(2014)[66] | |
人工测量 | NURBS曲面、VC++、OpenGL 库 | A1、B1 | 杨娟等(2006)[67] | |
三维扫描仪 | LiDAR 和 RTK-GPS | A3、B3 | Sun等(2018)[31] | |
人工测量 | COTGROW模型、GroIMP平台 | A1、B1 | 陈超等[68] | |
水稻 | 单反相机 | SFM算法、CMVS算法、PMVS算法 | A2、B2 | 宋时德等(2017)[69] |
激光雷达 | Crop 3D平台 | A1、B3 | Guo等(2017)[70] | |
Light Stage平台 | 计算机视觉、移动立方体算法 | A1、B3 | 孟耀华等(2014)[71] | |
人工测量 | 形态模型、VC++、OpenGL 库 | A1、B1 | 何火娇等(2009)[72] | |
人工测量 | 生长模型、生长度日(GDD)、VC++ | A1、B1 | 徐其军等(2010)[73] | |
平板扫描仪 | 样条曲线 | A3、B3 | 汪丽萍等(2017)[74] | |
相机拍摄 | 3DSOM | A2、B2 | 张楠(2013)[75] | |
数字成像系统 | RootReader3D | A3、B3 | Clark等(2011)[76] | |
单反相机 | OpenCV、Marching Cubes方法 | A2、B2 | 吴茜(2012)[77] | |
油菜 | 三维扫描仪 | Delaunay三角网格化算法 | A3、B3 | 史蒲娟等(2017)[78] |
三维扫描仪 | 迭代最近点算法、基于可视化类库VTK | A3、B3 | 方慧等(2013)[79]、李冬等(2013)[80] | |
人工测量 | 3次Bézier曲面、L系统 | A1、B1 | 赵丽丽等(2011)[17]、欧中斌(2007)[81] | |
人工测量 | 生长度日(GDD)、VC++、OpenGL库 | A1、B1 | 岳延滨(2010)[82] | |
单目视觉系统 | MVS、SIFT、PMVS算法 | A2、B2 | 史蒲娟等(2017)[78] | |
番茄 | 相机拍摄 | hue-invariant模型 | A2、B2 | Ran等(2013)[83] |
相机拍摄 | L-系统、Kinect数字化、VC++、OpenGL库 | A2、B2 | 彭永石(2007)[18] | |
人工测量 | 悬臂梁弯曲模型、马尔科夫算法、贝塔分布 | A1、B1 | 董乔雪等(2010)[84] | |
人工测量、三维扫描仪 | 网格模型、B样条曲线 | A1、B1 | 袁晓敏等(2012)[85,86] | |
人工测量 | L系统公式集、VC++、OpenGL库、Bezier曲面 | A1、B1 | 辛龙娇等(2014)[87] | |
草莓 | PMD深度相机、彩色相机 | 深度信息步进方法、Harris算子 | A2、B2 | 刘刚等(2017)[88]、张雪等(2017)[89] |
人工测量 | 球B样条曲线 | A1、B1 | 赵丽丽等(2011)[90] | |
人工测量 | MATLAB中的interp函数、quad函数、surf函数等进行曲线、曲面的拟合 | A1、B1 | 祁力钧等(2013)[91] | |
黄瓜 | 显微照相机 | 仿射变换、VTK | A2、B2 | 陈学峰等(2009)[92] |
单反相机、三维扫描仪 | 豪斯多夫距离、SFM与MVS | A2、B2 | 胡鹏程等(2015)[93] | |
人工测量 | 3次Bézier曲面算法、L系统 | A1、B1 | 杨沛和何东健(2010)[94]、方小勇等(2006)[95] | |
数码相机 | SIFT算法、B样条曲线、Delaunay网格算法 | A2、B2 | 杨亮等(2009)[96] | |
三维数字化仪 | 参数化方程、Delaunay网格化算法 | A4、B4 | 陆声链等(2017)[97] | |
辣椒 | 三维数字化仪 | B样条曲线、NURBS曲面、T样条曲线 | A4、B4 | 乔桂新等(2012)[98] |
人工测量 | 有效积温—Logistic方程 | A1、B1 | 赵泽英等(2012)[99] | |
人工测量 | Bézier算法、Wang Tiles算法、三维Morphing | A1、B1 | 郭明伟(2010)[100] | |
葡萄 | 三维数字化仪 | DUS知识库规则 | A4、B4 | 温维亮等(2015)[101] |
生菜 | 三维扫描仪 | 器官模板技术 | A3、B3 | 温维亮等(2011)[102] |
单反相机 | 边缘检测算法、Nurbs曲面、OpenGL库 | A2、B2 | 孔繁爽等(2015)[103] | |
烟草 | 三维数字化仪 | B样条曲线、插值样条曲线 | A4、B4 | 王芸芸等(2010[104]、2013[105]) |
3.1.2 问题与挑战
3.2 田间群体作物三维重构
表4 作物田间群体三维重构相关研究Table 4 Researches on 3D reconstruction of crop field population |
作物 | 采样设备和方法 | 重构方法/工具 | 优缺点 | 参考文献 |
---|---|---|---|---|
玉米 | 三维扫描仪 | t分布函数 | A2、B3 | 温维亮等(2018)[112] |
玉米 | 三维扫描仪 | 分段曲率、 VC++、OpenGL 库 | A3、B3 | 程锦和劳彩莲(2009)[29] |
棉花 | 双目视觉系统 | SIFT 算法 | A2、B2 | 牛顺义(2016)[113] |
棉花 | 人工测量 | COTGROW 模型、GroIMP 平台 | A1、B1 | 陈超等(2016)[68] |
棉花 | 人工测量 | 系统分析法、VC++、OpenGL 库 | A1、B1 | 周娟等(2009)[114] |
棉花、谷子 | 多目视觉 | FastTracer | A2、B2 | Burgess等(2017)[40] |
水稻 | 人工测量 | RPTDS软件、VC++、OpenGL 库 | A1、B1 | 孟军等(2007)[115] |
番茄 | 人工测量、三维扫描仪 | 网格模型、B样条曲线 | A1、B1 | 袁晓敏(2012)[86] |
大豆 | Kinect2.0 | MATLAB软件、最大类间方差阈值分割法 | A2、B2 | 冯佳睿等(2019)[116] |
大豆、玉米 | 多目视觉 | Visual SFM | A2、B2 | Zhu等(2020)[39] |
草莓 | 超声波传感 | MATLAB软件 | A3、B3 | 祁力钧等(2013)[91] |
葡萄 | 激光雷达 | MATLAB软件 | A3、B3 | Moreno(2020)[38] |
葡萄 | 三维数字化仪 | VegeSTAR软件 | A4、B4 | |
3.3 作物根系三维重构
表5 作物根系三维重构相关研究Table 5 Researches on 3D reconstruction of crop roots |
作物 | 采样设备和方法 | 重构方法/工具 | 优缺点 | 参考文献 |
---|---|---|---|---|
大豆 | CT、磁共振 | 体积图像算法(MAVI)软件包 | A3、B3 | Metzner等(2015)[42] |
水稻 | 三维扫描仪 | 霍夫变换、Ball-B样条 | A3、B3 | Fang等(2009)[41] |
大豆 | 光学显微镜 | Adobe After Effects软件 | A2、B2 | Livingston等(2019)[43] |
水稻 | 数字成像系统 | RootReader3D | A3、B3 | Clark等(2011)[76] |
玉米、大麦 | 磁共振 | NMRooting | A3、B3 | Van Dusschoten等(2016)[119] |
番茄 | CT | Roo Trak | A3、B3 | Mairhofer等(2013)[120] |
大麦、小麦 | CT | VG Studio MAX 2.2软件 | A2、B2 | Pfeifer等(2015)[121] |
大麦 | 磁共振成像 | WinRhizo软件 | A3、B3 | Pflugfelder等(2017)[122] |
玉米 | 单反相机 | WinRhizo、GiARoots、SmartRoot | A3、B3 | Le Marié等(2014)[123] |
水稻 | 三维体内成像技术 | GiA Roots | A3、B3 | Galkovskyi(2012)[124] |
甜菜 | 核磁共振成像 | Mevislab软件包 | A3、B3 | Metzner等(2014)[125] |
水稻 | CT | Genstat 15.1 | A2、B2 | Zappala等(2013)[126] |
番茄 | μCT | OpenVMS | A3、B3 | |
小麦 | 根系构型数字化仪 | Pro-E软件 | A4、B4 | |