馬聰 張建華 陳學(xué)東

摘 要：三維掃描技術(shù)具有數(shù)據(jù)采樣迅速、精確度高、受外界影響小、非接觸式測量等優(yōu)點，在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。文章從農(nóng)業(yè)機械研究及設(shè)計、植物表型研究和動物形態(tài)研究3個方面，闡述了三維掃描技術(shù)的研究進展，介紹了逆向工程、植物模型構(gòu)建和動物形態(tài)參數(shù)提取的研究成果，總結(jié)了目前三維掃描技術(shù)應(yīng)用過程中存在數(shù)據(jù)處理復(fù)雜、動物形態(tài)研究較少和模型耦合深度不足的問題，并對三維掃描技術(shù)的發(fā)展趨勢進行了展望。

關(guān)鍵詞：三維掃描;逆向工程;仿生學(xué);表型研究

中圖分類號：S-1

文獻標(biāo)識碼：A

DOI：10.19754/j.nyyjs.20190630001

農(nóng)業(yè)數(shù)字化與可視化是當(dāng)前農(nóng)業(yè)研究的主要標(biāo)志之一，既促進了傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)向現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的轉(zhuǎn)化，也提升了農(nóng)業(yè)研究的深度。如何實現(xiàn)動植物生長過程的可視化、不受制于播種時節(jié)和生長周期來模擬植物的相關(guān)生長試驗、建立高精度的三維動植物模型、自動獲取動植物各參數(shù)指標(biāo)及減少產(chǎn)品研發(fā)的試驗時間等，是農(nóng)業(yè)領(lǐng)域研究急需解決的問題[1]。三維掃描是融合了光、機、電和計算機技術(shù)于一體的高精度立體掃描技術(shù)，將獲取的物體表面點云信息轉(zhuǎn)化為計算機可直接處理的信號，重新構(gòu)建物體的數(shù)字化三維模型。三維掃描技術(shù)能夠快速、高精度的獲取被測物的表面信息，完整的復(fù)原物體，被用于文物修復(fù)、改造工程規(guī)劃、變形維修、3D游戲設(shè)計及外科整形等。由于三維掃描技術(shù)具有數(shù)據(jù)采樣迅速、精確度高、受外界影響小、非接觸式測量等優(yōu)點，既適用于逆向工程的三維模型高精度重構(gòu)，也可以用于動植物生長周期的研究分析，因此也是近年來農(nóng)業(yè)領(lǐng)域研究采用的重要技術(shù)手段[2]。

1 農(nóng)業(yè)機械研究及設(shè)計

農(nóng)業(yè)機械化技術(shù)水平的提高直接關(guān)系到農(nóng)業(yè)的生產(chǎn)收益和發(fā)展速度，傳統(tǒng)研究及設(shè)計多采用手工測繪，易造成研發(fā)周期長、廢品率高、測量數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確及精度低等問題。隨著三維掃描技術(shù)的發(fā)展，逆向重構(gòu)作為一種先進的高精度測量技術(shù)可用于對農(nóng)業(yè)裝備形狀的精確測量、反求與重構(gòu)，國內(nèi)科研人員及農(nóng)業(yè)技術(shù)人員開始采用三維掃描技術(shù)進行模型設(shè)計、零件測量及結(jié)構(gòu)優(yōu)化等，極大的提高了設(shè)計效率、縮短了研發(fā)周期[3]。

張秀麗[4]以勺輪式排種器為研究對象，采用三維掃描技術(shù)對其進行高精度的三維模型重構(gòu)，高效的完成了零件復(fù)雜曲面零件的逆向設(shè)計，解決了排種機構(gòu)傳統(tǒng)設(shè)計存在的周期長、成本不可控的問題。張安琪、李誠[5-6]采用逆向工程技術(shù)獲取了D型打結(jié)器的關(guān)鍵部件復(fù)雜曲面的點云數(shù)據(jù)，構(gòu)建了D型打結(jié)器三維幾何模型，通過參數(shù)化建模和數(shù)據(jù)分析進行試驗研究，，針對現(xiàn)存問題提出了改進方案，研制了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的D型打結(jié)器，為國內(nèi)新型打結(jié)器的研發(fā)奠定了重要的基礎(chǔ)。

三維掃描技術(shù)也被應(yīng)用于農(nóng)業(yè)機械零部件的制造檢測及修復(fù)，很大程度上提升了制造精度、降低了生產(chǎn)成本。盧元爽[7]以模型刀輥的橫刀組為對象開展了三維模型重構(gòu)研究，獲取螺旋橫刀組點云數(shù)據(jù)以逆向重構(gòu)模型，根據(jù)理論要求對構(gòu)建的橫刀刃口螺旋線進行反求，以此檢驗設(shè)計制作的刀輥是否存在制造誤差。孫思文[8]使用HandyScan三維掃描儀采集了破損零件表面的點云數(shù)據(jù)，利用設(shè)計軟件進行參數(shù)化處理及破損點修復(fù)，完成了破損零件的數(shù)字化修復(fù)，為農(nóng)機零件的低成本、高效率修復(fù)提供了新方法。

農(nóng)業(yè)物料清選是農(nóng)機收割及篩選的重要內(nèi)容，為探索谷物的振動篩分過程，李驊[9]采用三維掃描技術(shù)構(gòu)建了高精度稻谷谷粒、癟谷及短莖稈的模型，在三維模型及試驗基礎(chǔ)上研究風(fēng)篩式清選裝置的設(shè)計理念，為研制新型篩分裝置提供了可靠的數(shù)據(jù)及模型。為研究水稻籽粒間的碰撞和摩擦運動，陳晨[10]基于飽滿籽粒和癟谷的三維掃描數(shù)據(jù)構(gòu)建了谷粒的精準(zhǔn)三維模型，模型與實際谷粒誤差均小于 2%，以三維模型為對象進行仿真實驗，研究結(jié)果為水稻籽粒清選的仿真分析提供了實用模型。張炳超[11]基于逆向工程技術(shù)完成了番木瓜表面的三維重建，在模型基礎(chǔ)上測量了番木瓜外形特征參數(shù)，偏差分析表明重構(gòu)曲面模型滿足摘取裝置設(shè)計精度要求，提取的特征參數(shù)為研制番木瓜自動采摘裝備提供了設(shè)計依據(jù)。

2 植物表型研究

植物表型是指由基因和環(huán)境決定或影響的植物的表現(xiàn)特征，反映了植物的生長發(fā)育過程、遺傳特性、生理生化特征及基因表達等 [12]。植物表型研究核心是獲取高質(zhì)量、可重復(fù)的性狀數(shù)據(jù)，進而量化分析基因型和環(huán)境互作效應(yīng)及其對產(chǎn)量、質(zhì)量、抗逆等相關(guān)的主要性狀的影響[13]。表型研究對于品種資源鑒定、遺傳育種、栽培生理、植物保護和提高農(nóng)業(yè)產(chǎn)量等方面具有指導(dǎo)作用。表型信息檢測主要依靠人工采集，工作量大、效率低且精度不高，對于研究植物表型信息往往不夠充分。隨著計算機技術(shù)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用發(fā)展及作物研究數(shù)字化、可視化的需求，在計算上模擬生長過程、高精度測量表型參數(shù)和定量分析形態(tài)結(jié)構(gòu)是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)研究急需解決的問題。三維掃描技術(shù)能迅速、準(zhǔn)確的獲取植物表面點云信息，植物三維數(shù)據(jù)是研究作物生長過程、定量計算、模擬和預(yù)測的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，因此三維掃描技術(shù)在表型研究過程中占據(jù)了十分重要的地位，促進了表型研究的高質(zhì)量快速發(fā)展。

方圣輝[14]采集了白掌、龍須蘭、綠蘿及鳥巢蕨4種代表性植株的稠密點云，通過點云數(shù)據(jù)計算準(zhǔn)確的葉傾角分布和葉面積指數(shù)，替代了傳統(tǒng)的 SAIL 模型中的經(jīng)驗參數(shù)，提高了模擬精度，解決了輻射傳輸中的難點問題。為真實的模擬植物生產(chǎn)開放過程，范曉晨[15]完整地捕捉到了植物生長開放過程可見部分的三維點云，在此基礎(chǔ)上提出了一種跟蹤和重建植物生長過程的新算法，跟蹤和模擬內(nèi)部隱藏的葉片在生長開放過程的早期階段，重建在時間和空間上的一致性植物生長序列，真實地重建出各個不同植物品種的生長過程，對于發(fā)展植物生長新的觀測研究分析方法有重要作用。

史蒲娟[16]搭建了三維點云數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，獲取成熟期油菜植株三維點云數(shù)據(jù)，根據(jù)數(shù)據(jù)分析提出角果器官分割算法，完整的提取出了植株骨架，實現(xiàn)了油菜角果和骨架（枝干）的自動分割、角果數(shù)量的實時統(tǒng)計以及植株主干的自動提取，完成了關(guān)鍵表型參數(shù)的自動測量，為油菜作物的高通量表型組學(xué)以及遺傳育種提供了可行的途徑。

郭彩玲[17]以果園環(huán)境下生長的紡錘體蘋果樹冠層為對象，研究葉幕期光照分布情況。采用三維激光掃描儀獲了取蘋果樹冠層的點云數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)分析構(gòu)建了蘋果樹冠層三維結(jié)構(gòu)?；跇?gòu)建的模型提出光照分布預(yù)測方法并進行了實驗驗證，方法極大地提高了冠層的測量精度和效率，推動了光照分布的研究進展，也為研發(fā)自動化修剪合理性評定系統(tǒng)提高了技術(shù)支持。

于澤濤[18]利用三維掃描儀獲取了灌漿后期的2個氮肥處理玉米植株不同時間的三維點云數(shù)，通過點云數(shù)據(jù)分析各葉片的形態(tài)變化過程，為玉米植株破壞性取樣提供了理論依據(jù)，對玉米植株形態(tài)結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)獲取方式的確定具有重要意義，也為玉米結(jié)構(gòu)功能模型研究提供了可靠的原始數(shù)據(jù)。李抒昊[19]通過分析獲取到的玉米三維點云數(shù)據(jù)重建了玉米冠層實體模型，從三維模型上提取出玉米冠層株高、株寬、莖粗等具有農(nóng)業(yè)生產(chǎn)意義的特征參數(shù)，實現(xiàn)了非接觸式、精準(zhǔn)的獲取玉米冠層株型參數(shù)，對研究玉米冠層光照分布、株型分類及種植指導(dǎo)等具有重要的理論價值與實際指導(dǎo)意義。溫維亮[20]以提取玉米表型參數(shù)、構(gòu)建群體三維模型、建設(shè)器官資源庫及評價不同玉米株型的群體光截獲能力為研究目標(biāo)，基于玉米株型參數(shù)及玉米器官點云數(shù)據(jù)構(gòu)建了群體三維模型，并進行了理論分析及試驗，研究結(jié)果對群體尺度上的表型鑒定具有重要的現(xiàn)實意義，也對株型優(yōu)化及作物群體形態(tài)結(jié)構(gòu)解析等研究具有很強的推動作用。

3 動物形態(tài)研究

三維掃描技術(shù)在動物形態(tài)方面的研究主要分為2個方向：動物體型參數(shù)的非接觸式、高精度提取方法的研究;動物的生物特性分析。

體型參數(shù)是反映動物健康狀況、繁殖及生產(chǎn)能力的關(guān)鍵指標(biāo)，也是養(yǎng)殖與育種工作的重要研究內(nèi)容。體型評價參數(shù)種類較多，目前主要是采用皮尺、測杖、地磅等工具人工測量體尺、體重等，工作量大、精度低，且接觸式測量易對動物產(chǎn)生應(yīng)激，影響測量效率甚至導(dǎo)致動物生病。三維掃描技術(shù)是非接觸式掃描，可以實現(xiàn)高精度的三維重構(gòu)及量算，滿足對動物體型參數(shù)獲取快速、高效、精準(zhǔn)的要求，也逐漸被用于動物體型的相關(guān)研究。

劉同海[21-22]以長白豬標(biāo)本為研究對象，應(yīng)用三維掃描儀獲取了豬體點云數(shù)據(jù)，通過點云數(shù)據(jù)預(yù)處理和計算，重構(gòu)了豬體的三維曲面模型并測量了豬體體型參數(shù)，檢測最大相對誤差僅為0.42%，平均相對誤差為0.17%，符合體尺參數(shù)測量標(biāo)準(zhǔn)，可為豬體質(zhì)量估測模型提供高精度的數(shù)據(jù)支持。趙新強[23]針對傳統(tǒng)奶牛體尺獲取的弊端，搭建了以Kinect為主體的深度圖像獲取板，掃描奶牛獲取點云數(shù)據(jù)，通過去噪、特征提取等處理繪制出奶牛背部三維模型，實現(xiàn)了奶牛的體高、體寬、體長、背部投影面積等數(shù)據(jù)，實驗證明測量平均誤差為3.2%，符合奶牛體尺測量要求，對畜牧業(yè)非接觸體尺測量發(fā)展具有很強的實際應(yīng)用意義，也為后續(xù)研制無損檢測設(shè)備開拓了新思路。

仿生學(xué)是利用生物的結(jié)構(gòu)和功能原理來研制機械，而動物的生物特性是仿生學(xué)研究的理論基礎(chǔ)。在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，采用三維掃描技術(shù)重構(gòu)精準(zhǔn)的動物三維模型，通過點云數(shù)據(jù)、曲線擬合等處理，研究生物特性以解決農(nóng)業(yè)機械存在的減阻、減粘、粘附及耐磨等問題，是三維掃描技術(shù)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的重要應(yīng)用。

張伏[24]選取雄性波爾山羊蹄為標(biāo)本，研究山羊蹄底部非規(guī)則曲面特征以解決農(nóng)業(yè)四足行走機器人在崎嶇地面上行走穩(wěn)定性差的問題。采用三維立體掃描儀獲取山羊蹄點云數(shù)據(jù)，經(jīng)專業(yè)處理軟件去噪聲、采樣、封裝、表面處理后繪制出山羊蹄的精確曲面，通過曲線擬合和偏差分析，獲得有效的山羊蹄底部非規(guī)則曲面數(shù)學(xué)模型，為研究農(nóng)業(yè)四足行走機器人提供了可靠的理論來源。

根據(jù)野豬拱土覓食時的降阻特性，趙萍[25]采用天遠光學(xué)非接觸式三維掃描儀獲取野豬拱嘴部位點云信息，以其為仿生原型設(shè)計了馬鈴薯仿生挖掘鏟，試驗證明設(shè)計的挖掘鏟受到的土壤作用力最小，具備良好的挖掘性，為塊莖類收獲機減粘降阻技術(shù)的發(fā)展提供了新思路。

為解決土壤黏附對農(nóng)業(yè)機械的制約問題，董文華[26]研究了仙姑彈琴蛙的體表特征與粘附特性。采用三維掃描設(shè)備獲取背部、頭部和后肢三維信息，利用逆向工程技術(shù)完成仙姑彈琴蛙模型重構(gòu)，根據(jù)研究需要從模型中提取頭部和腿部特征曲線，通過曲率分析和實驗揭示仙姑彈琴蛙幾何表面特征及水分與土壤黏附的關(guān)系，為攻克土壤粘附問題奠定了仿生學(xué)的理論基礎(chǔ)。許亞婷[27]采用三維雷射掃描控制系統(tǒng)獲取蚯蚓體表形貌三維數(shù)據(jù)，計算分析其減粘特性與體表形貌的關(guān)系，得出在平行運動方向上環(huán)節(jié)的交接處曲率最小，垂直運動方向上體表兩端曲率最小，蚯蚓的減粘脫土功能主要集中在頭部。研究結(jié)果為仿生脫附理論與設(shè)計提供了準(zhǔn)確的參考依據(jù)。

針對切削刀具存在的磨損及使用壽命限制問題，孫源[28]以鋒利的河貍下牙齒作為研究對象，運用逆向工程的原理和思想，通過三坐標(biāo)激光掃描儀獲取牙齒的點云數(shù)據(jù)，經(jīng)過數(shù)據(jù)清洗、特征曲線提取后構(gòu)建了牙齒曲面，誤差分析證明構(gòu)建的河貍牙齒的三維模型符合精度要求，為刀具的幾何參數(shù)及力學(xué)性能的優(yōu)化提供了仿生研究的基礎(chǔ)。

4 存在的問題及發(fā)展趨勢

三維掃描技術(shù)的多方向發(fā)展，在很大程度上提高了農(nóng)業(yè)研究觀測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和實效性，推動了動植物的三維模型的精準(zhǔn)重建的快速發(fā)展，解決了農(nóng)業(yè)研究存在的周期長、效率低等問題。但是縱觀目前農(nóng)業(yè)應(yīng)用的現(xiàn)狀，筆者認(rèn)為三維掃描技術(shù)在數(shù)據(jù)處理、模型構(gòu)建等方面還存在以下問題。

4.1 數(shù)據(jù)處理復(fù)雜基于三維掃描技術(shù)建立的模型真實度較高，但是采集到的動植物表面的點云數(shù)據(jù)量巨大、信息采集過程中光照等環(huán)境因素對采集精度有影響，如何提高點云數(shù)據(jù)的處理速度、濾除噪聲信息獲取所需數(shù)據(jù)信息、簡化模型及降低掃描數(shù)據(jù)獲取過程中環(huán)境因素的影響，是重構(gòu)三維模型過程中亟待解決的重要問題。

4.2 動物形態(tài)研究較少動物形態(tài)參數(shù)獲取是畜牧工作的重要內(nèi)容，如何實現(xiàn)參數(shù)的自動化快速測量是畜牧業(yè)面對的一大難題。近年來三維掃描技術(shù)的應(yīng)用主要集中在動物器官的仿生研究，對形態(tài)參數(shù)的提取研究較少。究其原因，是由于動物無法長時間保持靜止、測量環(huán)境嘈雜、設(shè)備安裝困難及數(shù)據(jù)處理復(fù)雜等問題。剔除噪聲、精選有效點云信息重構(gòu)體表曲面以提取形態(tài)參數(shù)，是動物形態(tài)研究的最大困難。

4.3 模型耦合深度不足提取動植物生長規(guī)則和優(yōu)化生長規(guī)則是三維模型構(gòu)建的主要目標(biāo)和意義，三維掃描技術(shù)側(cè)重于動植物形態(tài)模型的特征表達，而動植物生長模型涉及到的生理生態(tài)參數(shù)繁多，導(dǎo)致了形態(tài)模型與生理生態(tài)模型相互獨立，不能完全模擬實際生長過程，仍需根據(jù)經(jīng)驗?zāi)Ｐ团袛?。提高形態(tài)模型和生理生態(tài)模型耦合度、實現(xiàn)真正意義上的植物生長三維可視化表達是構(gòu)建三維模型面對的難題。

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和數(shù)據(jù)處理方法的不斷改進，三維掃描技術(shù)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用深度和廣度將無限擴展。提高有效數(shù)據(jù)的提取速度、優(yōu)化動物形態(tài)參數(shù)提取方法、建立生理生態(tài)及形態(tài)耦合模型等是未來農(nóng)業(yè)研究的重點內(nèi)容。此外，完成動植物全數(shù)字化生長過程的觀測、開發(fā)動植物生長三維可視化系統(tǒng)及軟件和建立標(biāo)準(zhǔn)動植物生長模型庫也將是今后農(nóng)業(yè)研究的目標(biāo)。

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作者簡介：

馬聰（1987-），女，工程師，碩士，研究方向：農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)。