三维扫描技术在农业领域的应用及发展

2019-07-19马聪张建华陈学东

农业与技术 2019年12期

马聪张建华陈学东

摘要：三维扫描技术具有数据采样迅速、精确度高、受外界影响小、非接触式测量等优点，在农业领域得到了广泛的应用。文章从农业机械研究及设计、植物表型研究和动物形态研究3个方面，阐述了三维扫描技术的研究进展，介绍了逆向工程、植物模型构建和动物形态参数提取的研究成果，总结了目前三维扫描技术应用过程中存在数据处理复杂、动物形态研究较少和模型耦合深度不足的问题，并对三维扫描技术的发展趋势进行了展望。

关键词：三维扫描;逆向工程;仿生学;表型研究

中图分类号：S-1

文献标识码：A

DOI：10.19754/j.nyyjs.20190630001

农业数字化与可视化是当前农业研究的主要标志之一，既促进了传统农业向现代农业的转化，也提升了农业研究的深度。如何实现动植物生长过程的可视化、不受制于播种时节和生长周期来模拟植物的相关生长试验、建立高精度的三维动植物模型、自动获取动植物各参数指标及减少产品研发的试验时间等，是农业领域研究急需解決的问题[1]。三维扫描是融合了光、机、电和计算机技术于一体的高精度立体扫描技术，将获取的物体表面点云信息转化为计算机可直接处理的信号，重新构建物体的数字化三维模型。三维扫描技术能够快速、高精度的获取被测物的表面信息，完整的复原物体，被用于文物修复、改造工程规划、变形维修、3D游戏设计及外科整形等。由于三维扫描技术具有数据采样迅速、精确度高、受外界影响小、非接触式测量等优点，既适用于逆向工程的三维模型高精度重构，也可以用于动植物生长周期的研究分析，因此也是近年来农业领域研究采用的重要技术手段[2]。

1 农业机械研究及设计

农业机械化技术水平的提高直接关系到农业的生产收益和发展速度，传统研究及设计多采用手工测绘，易造成研发周期长、废品率高、测量数据不准确及精度低等问题。随着三维扫描技术的发展，逆向重构作为一种先进的高精度测量技术可用于对农业装备形状的精确测量、反求与重构，国内科研人员及农业技术人员开始采用三维扫描技术进行模型设计、零件测量及结构优化等，极大的提高了设计效率、缩短了研发周期[3]。

张秀丽[4]以勺轮式排种器为研究对象，采用三维扫描技术对其进行高精度的三维模型重构，高效的完成了零件复杂曲面零件的逆向设计，解决了排种机构传统设计存在的周期长、成本不可控的问题。张安琪、李诚[5-6]采用逆向工程技术获取了D型打结器的关键部件复杂曲面的点云数据，构建了D型打结器三维几何模型，通过参数化建模和数据分析进行试验研究，，针对现存问题提出了改进方案，研制了具有自主知识产权的D型打结器，为国内新型打结器的研发奠定了重要的基础。

三维扫描技术也被应用于农业机械零部件的制造检测及修复，很大程度上提升了制造精度、降低了生产成本。卢元爽[7]以模型刀辊的横刀组为对象开展了三维模型重构研究，获取螺旋横刀组点云数据以逆向重构模型，根据理论要求对构建的横刀刃口螺旋线进行反求，以此检验设计制作的刀辊是否存在制造误差。孙思文[8]使用HandyScan三维扫描仪采集了破损零件表面的点云数据，利用设计软件进行参数化处理及破损点修复，完成了破损零件的数字化修复，为农机零件的低成本、高效率修复提供了新方法。

农业物料清选是农机收割及筛选的重要内容，为探索谷物的振动筛分过程，李骅[9]采用三维扫描技术构建了高精度稻谷谷粒、瘪谷及短茎秆的模型，在三维模型及试验基础上研究风筛式清选装置的设计理念，为研制新型筛分装置提供了可靠的数据及模型。为研究水稻籽粒间的碰撞和摩擦运动，陈晨[10]基于饱满籽粒和瘪谷的三维扫描数据构建了谷粒的精准三维模型，模型与实际谷粒误差均小于 2%，以三维模型为对象进行仿真实验，研究结果为水稻籽粒清选的仿真分析提供了实用模型。张炳超[11]基于逆向工程技术完成了番木瓜表面的三维重建，在模型基础上测量了番木瓜外形特征参数，偏差分析表明重构曲面模型满足摘取装置设计精度要求，提取的特征参数为研制番木瓜自动采摘装备提供了设计依据。

2 植物表型研究

植物表型是指由基因和环境决定或影响的植物的表现特征，反映了植物的生长发育过程、遗传特性、生理生化特征及基因表达等 [12]。植物表型研究核心是获取高质量、可重复的性状数据，进而量化分析基因型和环境互作效应及其对产量、质量、抗逆等相关的主要性状的影响[13]。表型研究对于品种资源鉴定、遗传育种、栽培生理、植物保护和提高农业产量等方面具有指导作用。表型信息检测主要依靠人工采集，工作量大、效率低且精度不高，对于研究植物表型信息往往不够充分。随着计算机技术在农业领域的应用发展及作物研究数字化、可视化的需求，在计算上模拟生长过程、高精度测量表型参数和定量分析形态结构是现代农业研究急需解决的问题。三维扫描技术能迅速、准确的获取植物表面点云信息，植物三维数据是研究作物生长过程、定量计算、模拟和预测的数据基础，因此三维扫描技术在表型研究过程中占据了十分重要的地位，促进了表型研究的高质量快速发展。

方圣辉[14]采集了白掌、龙须兰、绿萝及鸟巢蕨4种代表性植株的稠密点云，通过点云数据计算准确的叶倾角分布和叶面积指数，替代了传统的 SAIL 模型中的经验参数，提高了模拟精度，解决了辐射传输中的难点问题。为真实的模拟植物生产开放过程，范晓晨[15]完整地捕捉到了植物生长开放过程可见部分的三维点云，在此基础上提出了一种跟踪和重建植物生长过程的新算法，跟踪和模拟内部隐藏的叶片在生长开放过程的早期阶段，重建在时间和空间上的一致性植物生长序列，真实地重建出各个不同植物品种的生长过程，对于发展植物生长新的观测研究分析方法有重要作用。

史蒲娟[16]搭建了三维点云数据采集系统，获取成熟期油菜植株三维点云数据，根据数据分析提出角果器官分割算法，完整的提取出了植株骨架，实现了油菜角果和骨架（枝干）的自动分割、角果数量的实时统计以及植株主干的自动提取，完成了关键表型参数的自动测量，为油菜作物的高通量表型组学以及遗传育种提供了可行的途径。

郭彩玲[17]以果园环境下生长的纺锤体苹果树冠层为对象，研究叶幕期光照分布情况。采用三维激光扫描仪获了取苹果树冠层的点云数据，通过数据分析构建了苹果树冠层三维结构。基于构建的模型提出光照分布预测方法并进行了实验验证，方法极大地提高了冠层的测量精度和效率，推动了光照分布的研究进展，也为研发自动化修剪合理性评定系统提高了技术支持。

于泽涛[18]利用三维扫描仪获取了灌浆后期的2个氮肥处理玉米植株不同时间的三维点云数，通过点云数据分析各叶片的形态变化过程，为玉米植株破坏性取样提供了理论依据，对玉米植株形态结构数据获取方式的确定具有重要意义，也为玉米结构功能模型研究提供了可靠的原始数据。李抒昊[19]通过分析获取到的玉米三维点云数据重建了玉米冠层实体模型，从三维模型上提取出玉米冠层株高、株宽、茎粗等具有农业生产意义的特征参数，实现了非接触式、精准的获取玉米冠层株型参数，对研究玉米冠层光照分布、株型分类及种植指导等具有重要的理论价值与实际指导意义。温维亮[20]以提取玉米表型参数、构建群体三维模型、建设器官资源库及评价不同玉米株型的群体光截获能力为研究目标，基于玉米株型参数及玉米器官点云数据构建了群体三维模型，并进行了理论分析及试验，研究结果对群体尺度上的表型鉴定具有重要的现实意义，也对株型优化及作物群体形态结构解析等研究具有很强的推动作用。

3 动物形态研究

三维扫描技术在动物形态方面的研究主要分为2个方向：动物体型参数的非接触式、高精度提取方法的研究;动物的生物特性分析。

体型参数是反映动物健康状况、繁殖及生产能力的关键指标，也是养殖与育种工作的重要研究内容。体型评价参数种类较多，目前主要是采用皮尺、测杖、地磅等工具人工测量体尺、体重等，工作量大、精度低，且接触式测量易对动物产生应激，影响测量效率甚至导致动物生病。三维扫描技术是非接触式扫描，可以实现高精度的三维重构及量算，满足对动物体型参数获取快速、高效、精准的要求，也逐渐被用于动物体型的相关研究。

刘同海[21-22]以长白猪标本为研究对象，应用三维扫描仪获取了猪体点云数据，通过点云数据预处理和计算，重构了猪体的三维曲面模型并测量了猪体体型参数，检测最大相对误差仅为0.42%，平均相对误差为0.17%，符合体尺参数测量标准，可为猪体质量估测模型提供高精度的数据支持。赵新强[23]针对传统奶牛体尺获取的弊端，搭建了以Kinect为主体的深度图像获取板，扫描奶牛获取点云数据，通过去噪、特征提取等处理绘制出奶牛背部三维模型，实现了奶牛的体高、体宽、体长、背部投影面积等数据，实验证明测量平均误差为3.2%，符合奶牛体尺测量要求，对畜牧业非接触体尺测量发展具有很强的实际应用意义，也为后续研制无损检测设备开拓了新思路。

仿生学是利用生物的结构和功能原理来研制机械，而动物的生物特性是仿生学研究的理论基础。在农业领域，采用三维扫描技术重构精准的动物三维模型，通过点云数据、曲线拟合等处理，研究生物特性以解决农业机械存在的减阻、减粘、粘附及耐磨等问题，是三维扫描技术在农业领域的重要应用。

张伏[24]选取雄性波尔山羊蹄为标本，研究山羊蹄底部非规则曲面特征以解决农业四足行走机器人在崎岖地面上行走稳定性差的问题。采用三维立体扫描仪获取山羊蹄点云数据，经专业处理软件去噪声、采样、封装、表面处理后绘制出山羊蹄的精确曲面，通过曲线拟合和偏差分析，获得有效的山羊蹄底部非规则曲面数学模型，为研究农业四足行走机器人提供了可靠的理论来源。

根据野猪拱土觅食时的降阻特性，赵萍[25]采用天远光学非接触式三维扫描仪获取野猪拱嘴部位点云信息，以其为仿生原型设计了马铃薯仿生挖掘铲，试验证明设计的挖掘铲受到的土壤作用力最小，具备良好的挖掘性，为块茎类收获机减粘降阻技术的发展提供了新思路。

为解决土壤黏附对农业机械的制约问题，董文华[26]研究了仙姑弹琴蛙的体表特征与粘附特性。采用三维扫描设备获取背部、头部和后肢三维信息，利用逆向工程技术完成仙姑弹琴蛙模型重构，根据研究需要从模型中提取头部和腿部特征曲线，通过曲率分析和实验揭示仙姑弹琴蛙几何表面特征及水分与土壤黏附的关系，为攻克土壤粘附问题奠定了仿生学的理论基础。许亚婷[27]采用三维雷射扫描控制系统获取蚯蚓体表形貌三维数据，计算分析其减粘特性与体表形貌的关系，得出在平行运动方向上环节的交接处曲率最小，垂直运动方向上体表两端曲率最小，蚯蚓的减粘脫土功能主要集中在头部。研究结果为仿生脱附理论与设计提供了准确的参考依据。

针对切削刀具存在的磨损及使用寿命限制问题，孙源[28]以锋利的河狸下牙齿作为研究对象，运用逆向工程的原理和思想，通过三坐标激光扫描仪获取牙齿的点云数据，经过数据清洗、特征曲线提取后构建了牙齿曲面，误差分析证明构建的河狸牙齿的三维模型符合精度要求，为刀具的几何参数及力学性能的优化提供了仿生研究的基础。

4 存在的问题及发展趋势

三维扫描技术的多方向发展，在很大程度上提高了农业研究观测数据的准确性和实效性，推动了动植物的三维模型的精准重建的快速发展，解决了农业研究存在的周期长、效率低等问题。但是纵观目前农业应用的现状，笔者认为三维扫描技术在数据处理、模型构建等方面还存在以下问题。

4.1 数据处理复杂基于三维扫描技术建立的模型真实度较高，但是采集到的动植物表面的点云数据量巨大、信息采集过程中光照等环境因素对采集精度有影响，如何提高点云数据的处理速度、滤除噪声信息获取所需数据信息、简化模型及降低扫描数据获取过程中环境因素的影响，是重构三维模型过程中亟待解决的重要问题。

4.2 动物形态研究较少动物形态参数获取是畜牧工作的重要内容，如何实现参数的自动化快速测量是畜牧业面对的一大难题。近年来三维扫描技术的应用主要集中在动物器官的仿生研究，对形态参数的提取研究较少。究其原因，是由于动物无法长时间保持静止、测量环境嘈杂、设备安装困难及数据处理复杂等问题。剔除噪声、精选有效点云信息重构体表曲面以提取形态参数，是动物形态研究的最大困难。

4.3 模型耦合深度不足提取动植物生长规则和优化生长规则是三维模型构建的主要目标和意义，三维扫描技术侧重于动植物形态模型的特征表达，而动植物生长模型涉及到的生理生态参数繁多，导致了形态模型与生理生态模型相互独立，不能完全模拟实际生长过程，仍需根据经验模型判断。提高形态模型和生理生态模型耦合度、实现真正意义上的植物生长三维可视化表达是构建三维模型面对的难题。

随着科学技术的发展和数据处理方法的不断改进，三维扫描技术在农业领域的应用深度和广度将无限扩展。提高有效数据的提取速度、优化动物形态参数提取方法、建立生理生态及形态耦合模型等是未来农业研究的重点内容。此外，完成动植物全数字化生长过程的观测、开发动植物生长三维可视化系统及软件和建立标准动植物生长模型库也将是今后农业研究的目标。

参考文献

[1] 刘丹，诸叶平，刘海龙，等.植物三维可视化研究进展[J].中国农业科技导报， 2015，17（1）：23-31.

[2] 王瑞锋.面向3D打印的工业机器人+三维扫描应用技术研究[D].辽宁：大连理工大学，2018.

[3] 赵秀艳，张亚雷，张开兴，等.基于视觉特征的农业机械三维模型相似性评价[J].山东农业大学学报（自然科学版），2016，47（6）：879-884.

[4] 张秀丽，侯朝鹏，叶芳，等.逆向工程对勺轮式排种器的三维模型优化[J]. 中国农机化学报，2019，40（1）：18-21.

[5] 张安琪.D型打结器空间结构参数解析与精密制造[D].北京：中国农业大学， 2017.

[6] 李诚.逆向重构D型打结器运动仿真分析与打结钳嘴受力分析研究[D].北京：中国农业大学，2015.

[7] 卢元爽.基于相似法的双螺旋旋耕埋草刀辊动力学特性试验研究[D].湖北：华中农业大学，2013.

[8] 孙思文，高凤娇.基于HandyScan三维扫描仪的农业机械零件修复技术[J]. 黑龙江科学，2015，6（6）：22-23.

[9] 李骅.风筛式清选装置设计理论与方法研究[D].江苏：南京农业大学，2012.

[10] 陈晨，吴崇友，江涛.基于逆向工程的水稻精准模型构建及试验验证[J]. 农机化研究，2017，39（10）：46-52.

[11] 张炳超，夏娟，李志伟，等.面向摘取的番木瓜三维重构与特征参数提取[J].农机化研究，2016，38（12）：212-216.