三維掃描技術在農業領域的應用及發展
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摘 要：三維掃描技術具有數據采樣迅速、精確度高、受外界影響小、非接觸式測量等優點，在農業領域得到了廣泛的應用。文章從農業機械研究及設計、植物表型研究和動物形態研究3個方面，闡述了三維掃描技術的研究進展，介紹了逆向工程、植物模型構建和動物形態參數提取的研究成果，總結了目前三維掃描技術應用過程中存在數據處理復雜、動物形態研究較少和模型耦合深度不足的問題，并對三維掃描技術的發展趨勢進行了展望。
關鍵詞：三維掃描;逆向工程;仿生學;表型研究
中圖分類號：S-1
文獻標識碼：A
DOI：10.19754/j.nyyjs.20190630001
農業數字化與可視化是當前農業研究的主要標志之一，既促進了傳統農業向現代農業的轉化，也提升了農業研究的深度。如何實現動植物生長過程的可視化、不受制于播種時節和生長周期來模擬植物的相關生長試驗、建立高精度的三維動植物模型、自動獲取動植物各參數指標及減少產品研發的試驗時間等，是農業領域研究急需解決的問題[1]。三維掃描是融合了光、機、電和計算機技術于一體的高精度立體掃描技術，將獲取的物體表面點云信息轉化為計算機可直接處理的信號，重新構建物體的數字化三維模型。三維掃描技術能夠快速、高精度的獲取被測物的表面信息，完整的復原物體，被用于文物修復、改造工程規劃、變形維修、3D游戲設計及外科整形等。由于三維掃描技術具有數據采樣迅速、精確度高、受外界影響小、非接觸式測量等優點，既適用于逆向工程的三維模型高精度重構，也可以用于動植物生長周期的研究分析，因此也是近年來農業領域研究采用的重要技術手段[2]。
1 農業機械研究及設計
農業機械化技術水平的提高直接關系到農業的生產收益和發展速度，傳統研究及設計多采用手工測繪，易造成研發周期長、廢品率高、測量數據不準確及精度低等問題。隨著三維掃描技術的發展，逆向重構作為一種先進的高精度測量技術可用于對農業裝備形狀的精確測量、反求與重構，國內科研人員及農業技術人員開始采用三維掃描技術進行模型設計、零件測量及結構優化等，極大的提高了設計效率、縮短了研發周期[3]。
張秀麗[4]以勺輪式排種器為研究對象，采用三維掃描技術對其進行高精度的三維模型重構，高效的完成了零件復雜曲面零件的逆向設計，解決了排種機構傳統設計存在的周期長、成本不可控的問題。張安琪、李誠[5-6]采用逆向工程技術獲取了D型打結器的關鍵部件復雜曲面的點云數據，構建了D型打結器三維幾何模型，通過參數化建模和數據分析進行試驗研究，，針對現存問題提出了改進方案，研制了具有自主知識產權的D型打結器，為國內新型打結器的研發奠定了重要的基礎。
三維掃描技術也被應用于農業機械零部件的制造檢測及修復，很大程度上提升了制造精度、降低了生產成本。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研究，獲取螺旋橫刀組點云數據以逆向重構模型，根據理論要求對構建的橫刀刃口螺旋線進行反求，以此檢驗設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據，利用設計軟件進行參數化處理及破損點修復，完成了破損零件的數字化修復，為農機零件的低成本、高效率修復提供了新方法。
農業物料清選是農機收割及篩選的重要內容，為探索谷物的振動篩分過程，李驊[9]采用三維掃描技術構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上研究風篩式清選裝置的設計理念，為研制新型篩分裝置提供了可靠的數據及模型。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據構建了谷粒的精準三維模型，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]基于逆向工程技術完成了番木瓜表面的三維重建，在模型基礎上測量了番木瓜外形特征參數，偏差分析表明重構曲面模型滿足摘取裝置設計精度要求，提取的特征參數為研制番木瓜自動采摘裝備提供了設計依據。
2 植物表型研究
植物表型是指由基因和環境決定或影響的植物的表現特征，反映了植物的生長發育過程、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量、可重復的性狀數據，進而量化分析基因型和環境互作效應及其對產量、質量、抗逆等相關的主要性狀的影響[13]。表型研究對于品種資源鑒定、遺傳育種、栽培生理、植物保護和提高農業產量等方面具有指導作用。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。隨著計算機技術在農業領域的應用發展及作物研究數字化、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和定量分析形態結構是現代農業研究急需解決的問題。三維掃描技術能迅速、準確的獲取植物表面點云信息，植物三維數據是研究作物生長過程、定量計算、模擬和預測的數據基礎，因此三維掃描技術在表型研究過程中占據了十分重要的地位，促進了表型研究的高質量快速發展。
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，通過點云數據計算準確的葉傾角分布和葉面積指數，替代了傳統的 SAIL 模型中的經驗參數，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]搭建了三維點云數據采集系統，獲取成熟期油菜植株三維點云數據，根據數據分析提出角果器官分割算法，完整的提取出了植株骨架，實現了油菜角果和骨架（枝干）的自動分割、角果數量的實時統計以及植株主干的自動提取，完成了關鍵表型參數的自動測量，為油菜作物的高通量表型組學以及遺傳育種提供了可行的途徑。 郭彩玲[17]以果園環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據，通過數據分析構建了蘋果樹冠層三維結構?；跇嫿ǖ哪Ｐ吞岢龉庹辗植碱A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，也為研發自動化修剪合理性評定系統提高了技術支持。
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，通過點云數據分析各葉片的形態變化過程，為玉米植株破壞性取樣提供了理論依據，對玉米植株形態結構數據獲取方式的確定具有重要意義，也為玉米結構功能模型研究提供了可靠的原始數據。李抒昊[19]通過分析獲取到的玉米三維點云數據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、莖粗等具有農業生產意義的特征參數，實現了非接觸式、精準的獲取玉米冠層株型參數，對研究玉米冠層光照分布、株型分類及種植指導等具有重要的理論價值與實際指導意義。溫維亮[20]以提取玉米表型參數、構建群體三維模型、建設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，基于玉米株型參數及玉米器官點云數據構建了群體三維模型，并進行了理論分析及試驗，研究結果對群體尺度上的表型鑒定具有重要的現實意義，也對株型優化及作物群體形態結構解析等研究具有很強的推動作用。
3 動物形態研究
三維掃描技術在動物形態方面的研究主要分為2個方向：動物體型參數的非接觸式、高精度提取方法的研究;動物的生物特性分析。
體型參數是反映動物健康狀況、繁殖及生產能力的關鍵指標，也是養殖與育種工作的重要研究內容。體型評價參數種類較多，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生應激，影響測量效率甚至導致動物生病。三維掃描技術是非接觸式掃描，可以實現高精度的三維重構及量算，滿足對動物體型參數獲取快速、高效、精準的要求，也逐漸被用于動物體型的相關研究。
劉同海[21-22]以長白豬標本為研究對象，應用三維掃描儀獲取了豬體點云數據，通過點云數據預處理和計算，重構了豬體的三維曲面模型并測量了豬體體型參數，檢測最大相對誤差僅為0.42%，平均相對誤差為0.17%，符合體尺參數測量標準，可為豬體質量估測模型提供高精度的數據支持。趙新強[23]針對傳統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據，通過去噪、特征提取等處理繪制出奶牛背部三維模型，實現了奶牛的體高、體寬、體長、背部投影面積等數據，實驗證明測量平均誤差為3.2%，符合奶牛體尺測量要求，對畜牧業非接觸體尺測量發展具有很強的實際應用意義，也為后續研制無損檢測設備開拓了新思路。
仿生學是利用生物的結構和功能原理來研制機械，而動物的生物特性是仿生學研究的理論基礎。在農業領域，采用三維掃描技術重構精準的動物三維模型，通過點云數據、曲線擬合等處理，研究生物特性以解決農業機械存在的減阻、減粘、粘附及耐磨等問題，是三維掃描技術在農業領域的重要應用。
張伏[24]選取雄性波爾山羊蹄為標本，研究山羊蹄底部非規則曲面特征以解決農業四足行走機器人在崎嶇地面上行走穩定性差的問題。采用三維立體掃描儀獲取山羊蹄點云數據，經專業處理軟件去噪聲、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則曲面數學模型，為研究農業四足行走機器人提供了可靠的理論來源。
根據野豬拱土覓食時的降阻特性，趙萍[25]采用天遠光學非接觸式三維掃描儀獲取野豬拱嘴部位點云信息，以其為仿生原型設計了馬鈴薯仿生挖掘鏟，試驗證明設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的發展提供了新思路。
為解決土壤黏附對農業機械的制約問題，董文華[26]研究了仙姑彈琴蛙的體表特征與粘附特性。采用三維掃描設備獲取背部、頭部和后肢三維信息，利用逆向工程技術完成仙姑彈琴蛙模型重構，根據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系，為攻克土壤粘附問題奠定了仿生學的理論基礎。許亞婷[27]采用三維雷射掃描控制系統獲取蚯蚓體表形貌三維數據，計算分析其減粘特性與體表形貌的關系，得出在平行運動方向上環節的交接處曲率最小，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。研究結果為仿生脫附理論與設計提供了準確的參考依據。
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，通過三坐標激光掃描儀獲取牙齒的點云數據，經過數據清洗、特征曲線提取后構建了牙齒曲面，誤差分析證明構建的河貍牙齒的三維模型符合精度要求，為刀具的幾何參數及力學性能的優化提供了仿生研究的基礎。
4 存在的問題及發展趨勢
三維掃描技術的多方向發展，在很大程度上提高了農業研究觀測數據的準確性和實效性，推動了動植物的三維模型的精準重建的快速發展，解決了農業研究存在的周期長、效率低等問題。但是縱觀目前農業應用的現狀，筆者認為三維掃描技術在數據處理、模型構建等方面還存在以下問題。
4.1 數據處理復雜基于三維掃描技術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據量巨大、信息采集過程中光照等環境因素對采集精度有影響，如何提高點云數據的處理速度、濾除噪聲信息獲取所需數據信息、簡化模型及降低掃描數據獲取過程中環境因素的影響，是重構三維模型過程中亟待解決的重要問題。
4.2 動物形態研究較少動物形態參數獲取是畜牧工作的重要內容，如何實現參數的自動化快速測量是畜牧業面對的一大難題。近年來三維掃描技術的應用主要集中在動物器官的仿生研究，對形態參數的提取研究較少。究其原因，是由于動物無法長時間保持靜止、測量環境嘈雜、設備安裝困難及數據處理復雜等問題。剔除噪聲、精選有效點云信息重構體表曲面以提取形態參數，是動物形態研究的最大困難。 4.3 模型耦合深度不足提取動植物生長規則和優化生長規則是三維模型構建的主要目標和意義，三維掃描技術側重于動植物形態模型的特征表達，而動植物生長模型涉及到的生理生態參數繁多，導致了形態模型與生理生態模型相互獨立，不能完全模擬實際生長過程，仍需根據經驗模型判斷。提高形態模型和生理生態模型耦合度、實現真正意義上的植物生長三維可視化表達是構建三維模型面對的難題。
隨著科學技術的發展和數據處理方法的不斷改進，三維掃描技術在農業領域的應用深度和廣度將無限擴展。提高有效數據的提取速度、優化動物形態參數提取方法、建立生理生態及形態耦合模型等是未來農業研究的重點內容。此外，完成動植物全數字化生長過程的觀測、開發動植物生長三維可視化系統及軟件和建立標準動植物生長模型庫也將是今后農業研究的目標。
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作者簡介：
馬聰（1987-），女，工程師，碩士，研究方向：農業物聯網。
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