基於多軸飛行器航拍數據的植物生長分析與建模

《基於多軸飛行器航拍數據的植物生長分析與建模》是依託重慶大學，由劉驥擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：基於多軸飛行器航拍數據的植物生長分析與建模
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：劉驥
• 依託單位：重慶大學

中文摘要

如何簡化植物功能結構模型的構建過程是植物生長建模的重要問題。通過分析植物生長的視頻數據，進而重建植物功能結構模型，被證明是解決該問題的有效手段。但如何在自然環境下獲取和分析描述植物生長的視頻數據，仍然是尚未解決的問題。本項目圍繞該問題開展研究，通過控制多軸飛行器實現對戶外植物生長過程的定期、定點拍攝，獲取植物生長的視頻數據。基於這些數據，利用物體識別和運動到結構方法，重建植物形態的3D點雲，形成描述植物生長過程的4D點雲。經過對4D點雲數據的分析，實現植物器官的標記、植物生理參數的提取、生長事件的識別、生長規則的導出，最終利用L系統自動化建立植物的功能結構模型，實現植物生長的建模。

結題摘要

本項目針對戶外環境下植物的生長建模問題開展研究。項目計畫使用多軸飛行器獲取戶外植物生長的視頻數據，提取描述植物生長過程的4D點雲，重建植物的功能結構模型。為了實現該研究目標，項目進行了如下3個方面的研究工作： （1）研究了基於多軸飛行器的植物生長數據採集。使用大疆無人機，在高清攝像頭、GPS和高度定位設備的輔助下，利用大疆公司提供的SDK編寫了飛行控制程式，實現了戶外植物生長數據的採集。 （2）研究了植物生長4D點雲數據的提取和分析方法。採用運動到結構和多視圖立體重建方法，從拍攝的視頻中提取了描述植物生長過程的4D點雲數據。 （3）研究了基於4D點雲數據的植物功能結構模型的重建。經過對4D點雲的降噪、修復等預處理，採用骨架線提取方法從點雲中提取植物骨架，再利用骨架估計植物的形態和生理參數、構建植物的功能結構模型，實現植物生長的建模。 項目研究過程中取得的成果包括：針對植物拍攝，提出了一種基於無人機的植物識別系統和識別方法；針對無人機拍攝過程中的定位，提出了一種基於半直接法的單目視覺里程計定位方法及定位系統；利用關鍵幀選擇算法、背景分割和深度圖修補技術，改善了點雲重建的質量；採用自然鄰居概念對點雲進行實例約簡、聚類、降噪、構造自然鄰居圖等預處理操作，提升點雲處理的效率；提出基於骨架線的植物重建方法。項目的研究成果不僅可以套用於植物生長模擬，還可以套用於計算機視覺、虛擬現實和增強現實領域。 項目共培養研究生6人，相關成果申請國家發明專利3項，發表標註項目資助的論文9篇，其中SCI論文5篇。項目完成了預期的研究任務。