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(cè)量等優(yōu)點(diǎn)，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(jī)械研究及設(shè)計(jì)、植物表型研究和動(dòng)物形態(tài)研究3個(gè)方面，闡述了三維掃描技術(shù)的研究進(jìn)展，介紹了逆向工程、植物模型構(gòu)建和動(dòng)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(guò)程中存在數(shù)據(jù)處理復(fù)雜、動(dòng)物形態(tài)研究較少和模型耦合深度不足的問(wèn)題，并對(duì)三維掃描技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)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(hào)：S-1

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)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(jìn)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(shí)現(xiàn)動(dòng)植物生長(zhǎng)過(guò)程的可視化、不受制于播種時(shí)節(jié)和生長(zhǎng)周期來(lái)模擬植物的相關(guān)生長(zhǎng)試驗(yàn)、建立高精度的三維動(dòng)植物模型、自動(dòng)獲取動(dòng)植物各參數(shù)指標(biāo)及減少產(chǎn)品研發(fā)的試驗(yàn)時(shí)間等，是農(nóng)業(yè)領(lǐng)域研究急需解決的問(wèn)題[1]。三維掃描是融合了光、機(jī)、電和計(jì)算機(jī)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(diǎn)云信息轉(zhuǎn)化為計(jì)算機(jī)可直接處理的信號(hào)，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(cè)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(jì)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(cè)量等優(yōu)點(diǎn)，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(dòng)植物生長(zhǎng)周期的研究分析，因此也是近年來(lái)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(jī)械研究及設(shè)計(jì)

農(nóng)業(yè)機(jī)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(jì)多采用手工測(cè)繪，易造成研發(fā)周期長(zhǎng)、廢品率高、測(cè)量數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確及精度低等問(wèn)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(jìn)的高精度測(cè)量技術(shù)可用于對(duì)農(nóng)業(yè)裝備形狀的精確測(cè)量、反求與重構(gòu)，國(guó)內(nèi)科研人員及農(nóng)業(yè)技術(shù)人員開(kāi)始采用三維掃描技術(shù)進(jìn)行模型設(shè)計(jì)、零件測(cè)量及結(jié)構(gòu)優(yōu)化等，極大的提高了設(shè)計(jì)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(duì)象，采用三維掃描技術(shù)對(duì)其進(jìn)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(jì)，解決了排種機(jī)構(gòu)傳統(tǒng)設(shè)計(jì)存在的周期長(zhǎng)、成本不可控的問(wèn)題。張安琪、李誠(chéng)[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(diǎn)云數(shù)據(jù)，構(gòu)建了D型打結(jié)器三維幾何模型，通過(guò)參數(shù)化建模和數(shù)據(jù)分析進(jìn)行試驗(yàn)研究，，針對(duì)現(xiàn)存問(wèn)題提出了改進(jìn)方案，研制了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的D型打結(jié)器，為國(guó)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(jī)械零部件的制造檢測(cè)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(duì)象開(kāi)展了三維模型重構(gòu)研究，獲取螺旋橫刀組點(diǎn)云數(shù)據(jù)以逆向重構(gòu)模型，根據(jù)理論要求對(duì)構(gòu)建的橫刀刃口螺旋線進(jìn)行反求，以此檢驗(yàn)設(shè)計(jì)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(diǎn)云數(shù)據(jù)，利用設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行參數(shù)化處理及破損點(diǎn)修復(fù)，完成了破損零件的數(shù)字化修復(fù)，為農(nóng)機(jī)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(jī)收割及篩選的重要內(nèi)容，為探索谷物的振動(dòng)篩分過(guò)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(yàn)基礎(chǔ)上研究風(fēng)篩式清選裝置的設(shè)計(jì)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(yùn)動(dòng)，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(shí)際谷粒誤差均小于 2%，以三維模型為對(duì)象進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，研究結(jié)果為水稻籽粒清選的仿真分析提供了實(shí)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(cè)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(jì)精度要求，提取的特征參數(shù)為研制番木瓜自動(dòng)采摘裝備提供了設(shè)計(jì)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(zhǎng)發(fā)育過(guò)程、遺傳特性、生理生化特征及基因表達(dá)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(jìn)而量化分析基因型和環(huán)境互作效應(yīng)及其對(duì)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(duì)于品種資源鑒定、遺傳育種、栽培生理、植物保護(hù)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(cè)主要依靠人工采集，工作量大、效率低且精度不高，對(duì)于研究植物表型信息往往不夠充分。隨著計(jì)算機(jī)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(jì)算上模擬生長(zhǎng)過(guò)程、高精度測(cè)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(wèn)題。三維掃描技術(shù)能迅速、準(zhǔn)確的獲取植物表面點(diǎn)云信息，植物三維數(shù)據(jù)是研究作物生長(zhǎng)過(guò)程、定量計(jì)算、模擬和預(yù)測(cè)的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，因此三維掃描技術(shù)在表型研究過(guò)程中占據(jù)了十分重要的地位，促進(jìn)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(niǎo)巢蕨4種代表性植株的稠密點(diǎn)云，通過(guò)點(diǎn)云數(shù)據(jù)計(jì)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(yàn)參數(shù)，提高了模擬精度，解決了輻射傳輸中的難點(diǎn)問(wèn)題。為真實(shí)的模擬植物生產(chǎn)開(kāi)放過(guò)程，范曉晨[15]完整地捕捉到了植物生長(zhǎng)開(kāi)放過(guò)程可見(jiàn)部分的三維點(diǎn)云，在此基礎(chǔ)上提出了一種跟蹤和重建植物生長(zhǎng)過(guò)程的新算法，跟蹤和模擬內(nèi)部隱藏的葉片在生長(zhǎng)開(kāi)放過(guò)程的早期階段，重建在時(shí)間和空間上的一致性植物生長(zhǎng)序列，真實(shí)地重建出各個(gè)不同植物品種的生長(zhǎng)過(guò)程，對(duì)于發(fā)展植物生長(zhǎng)新的觀測(cè)研究分析方法有重要作用。

史蒲娟[16]搭建了三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，獲取成熟期油菜植株三維點(diǎn)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(shí)現(xiàn)了油菜角果和骨架（枝干）的自動(dòng)分割、角果數(shù)量的實(shí)時(shí)統(tǒng)計(jì)以及植株主干的自動(dòng)提取，完成了關(guān)鍵表型參數(shù)的自動(dòng)測(cè)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(zhǎng)的紡錘體蘋果樹(shù)冠層為對(duì)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(shù)冠層的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，通過(guò)數(shù)據(jù)分析構(gòu)建了蘋果樹(shù)冠層三維結(jié)構(gòu)?；跇?gòu)建的模型提出光照分布預(yù)測(cè)方法并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，方法極大地提高了冠層的測(cè)量精度和效率，推動(dòng)了光照分布的研究進(jìn)展，也為研發(fā)自動(dòng)化修剪合理性評(píng)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(gè)氮肥處理玉米植株不同時(shí)間的三維點(diǎn)云數(shù)，通過(guò)點(diǎn)云數(shù)據(jù)分析各葉片的形態(tài)變化過(guò)程，為玉米植株破壞性取樣提供了理論依據(jù)，對(duì)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(guò)分析獲取到的玉米三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)重建了玉米冠層實(shí)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(shí)現(xiàn)了非接觸式、精準(zhǔn)的獲取玉米冠層株型參數(shù)，對(duì)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(jià)值與實(shí)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(kù)及評(píng)價(jià)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(diǎn)云數(shù)據(jù)構(gòu)建了群體三維模型，并進(jìn)行了理論分析及試驗(yàn)，研究結(jié)果對(duì)群體尺度上的表型鑒定具有重要的現(xiàn)實(shí)意義，也對(duì)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(qiáng)的推動(dòng)作用。

3 動(dòng)物形態(tài)研究

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

體型參數(shù)是反映動(dòng)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?jī)?nèi)容。體型評(píng)價(jià)參數(shù)種類較多，目前主要是采用皮尺、測(cè)杖、地磅等工具人工測(cè)量體尺、體重等，工作量大、精度低，且接觸式測(cè)量易對(duì)動(dòng)物產(chǎn)生應(yīng)激，影響測(cè)量效率甚至導(dǎo)致動(dòng)物生病。三維掃描技術(shù)是非接觸式掃描，可以實(shí)現(xiàn)高精度的三維重構(gòu)及量算，滿足對(duì)動(dòng)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(dòng)物體型的相關(guān)研究。

劉同海[21-22]以長(zhǎng)白豬標(biāo)本為研究對(duì)象，應(yīng)用三維掃描儀獲取了豬體點(diǎn)云數(shù)據(jù)，通過(guò)點(diǎn)云數(shù)據(jù)預(yù)處理和計(jì)算，重構(gòu)了豬體的三維曲面模型并測(cè)量了豬體體型參數(shù)，檢測(cè)最大相對(duì)誤差僅為0.42%，平均相對(duì)誤差為0.17%，符合體尺參數(shù)測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)，可為豬體質(zhì)量估測(cè)模型提供高精度的數(shù)據(jù)支持。趙新強(qiáng)[23]針對(duì)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(diǎn)云數(shù)據(jù)，通過(guò)去噪、特征提取等處理繪制出奶牛背部三維模型，實(shí)現(xiàn)了奶牛的體高、體寬、體長(zhǎng)、背部投影面積等數(shù)據(jù)，實(shí)驗(yàn)證明測(cè)量平均誤差為3.2%，符合奶牛體尺測(cè)量要求，對(duì)畜牧業(yè)非接觸體尺測(cè)量發(fā)展具有很強(qiáng)的實(shí)際應(yīng)用意義，也為后續(xù)研制無(wú)損檢測(cè)設(shè)備開(kāi)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(lái)研制機(jī)械，而動(dòng)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(dòng)物三維模型，通過(guò)點(diǎn)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(jī)械存在的減阻、減粘、粘附及耐磨等問(wèn)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(jī)器人在崎嶇地面上行走穩(wěn)定性差的問(wèn)題。采用三維立體掃描儀獲取山羊蹄點(diǎn)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(guò)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(jī)器人提供了可靠的理論來(lái)源。

根據(jù)野豬拱土覓食時(shí)的降阻特性，趙萍[25]采用天遠(yuǎn)光學(xué)非接觸式三維掃描儀獲取野豬拱嘴部位點(diǎn)云信息，以其為仿生原型設(shè)計(jì)了馬鈴薯仿生挖掘鏟，試驗(yàn)證明設(shè)計(jì)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(jī)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(duì)農(nóng)業(yè)機(jī)械的制約問(wèn)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(guò)曲率分析和實(shí)驗(yàn)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(wèn)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(jì)算分析其減粘特性與體表形貌的關(guān)系，得出在平行運(yùn)動(dòng)方向上環(huán)節(jié)的交接處曲率最小，垂直運(yùn)動(dòng)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(jì)提供了準(zhǔn)確的參考依據(jù)。

針對(duì)切削刀具存在的磨損及使用壽命限制問(wèn)題，孫源[28]以鋒利的河貍下牙齒作為研究對(duì)象，運(yùn)用逆向工程的原理和思想，通過(guò)三坐標(biāo)激光掃描儀獲取牙齒的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)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(wèn)題及發(fā)展趨勢(shì)

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(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和實(shí)效性，推動(dòng)了動(dòng)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(zhǎng)、效率低等問(wèn)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(wèn)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(shí)度較高，但是采集到的動(dòng)植物表面的點(diǎn)云數(shù)據(jù)量巨大、信息采集過(guò)程中光照等環(huán)境因素對(duì)采集精度有影響，如何提高點(diǎn)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(jiǎn)化模型及降低掃描數(shù)據(jù)獲取過(guò)程中環(huán)境因素的影響，是重構(gòu)三維模型過(guò)程中亟待解決的重要問(wèn)題。

4.2 動(dòng)物形態(tài)研究較少動(dòng)物形態(tài)參數(shù)獲取是畜牧工作的重要內(nèi)容，如何實(shí)現(xiàn)參數(shù)的自動(dòng)化快速測(cè)量是畜牧業(yè)面對(duì)的一大難題。近年來(lái)三維掃描技術(shù)的應(yīng)用主要集中在動(dòng)物器官的仿生研究，對(duì)形態(tài)參數(shù)的提取研究較少。究其原因，是由于動(dòng)物無(wú)法長(zhǎng)時(shí)間保持靜止、測(cè)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(wèn)題。剔除噪聲、精選有效點(diǎn)云信息重構(gòu)體表曲面以提取形態(tài)參數(shù)，是動(dòng)物形態(tài)研究的最大困難。

4.3 模型耦合深度不足提取動(dòng)植物生長(zhǎng)規(guī)則和優(yōu)化生長(zhǎng)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(dòng)植物形態(tài)模型的特征表達(dá)，而動(dòng)植物生長(zhǎng)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(dú)立，不能完全模擬實(shí)際生長(zhǎng)過(guò)程，仍需根據(jù)經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ团袛唷Ｌ岣咝螒B(tài)模型和生理生態(tài)模型耦合度、實(shí)現(xiàn)真正意義上的植物生長(zhǎng)三維可視化表達(dá)是構(gòu)建三維模型面對(duì)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(jìn)，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(wú)限擴(kuò)展。提高有效數(shù)據(jù)的提取速度、優(yōu)化動(dòng)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(lái)農(nóng)業(yè)研究的重點(diǎn)內(nèi)容。此外，完成動(dòng)植物全數(shù)字化生長(zhǎng)過(guò)程的觀測(cè)、開(kāi)發(fā)動(dòng)植物生長(zhǎng)三維可視化系統(tǒng)及軟件和建立標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)植物生長(zhǎng)模型庫(kù)也將是今后農(nóng)業(yè)研究的目標(biāo)。

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作者簡(jiǎn)介：

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