该研究探讨了与三维植物测量相关的可靠性问题
发布时间：2026-02-25 14:01:17 阅读数： 21
近期发表在《遥感》（Remote Sensing）期刊上的一篇文章解答了三维（3D）植物测量有效性和精确性这一关键问题。莱布尼茨植物遗传与作物研究所（IPK）的叶夫根尼·格拉迪林教授及其同事将实验测量与合成植物模型的理论模型相结合，提出了可靠的三维植物测量定量解释和分析方法。
研究： 利用虚拟激光扫描方法评估几何误差对植物三维性状的影响。
在过去的30年里，测量植物三维表面数据的方法得到了不断发展。
通过获取植物结构信息，可以对植物冠层、单个植物和器官进行参数化，并跟踪植物的几何演变。
由于 3D 测量是非破坏性的，因此可以对植物进行长期监测。
为了区分植物的运动和植物及器官层面的实际生长，3D成像至关重要。
植物表型分析旨在弥合农业特征、植物功能和基因组学之间的鸿沟。因此，三维测量工具是理想之选，因为它们能够进行精确的几何形状和生长测量。
三维植物测量方法
为了客观评价植物的三维结构，人们采用了多种三维扫描和几何重建技术。以下列举其中一些技术：
· 激光扫描
· 立体视觉（SV）或运动结构重建（SfM）
· 结构光（SL）
· 空间/体积雕刻
· 飞行时间（ToF）
· 光场（LF）和地面激光扫描（TLS）
· 测距（激光雷达）
虽然上述 3D 扫描方法取得了不同程度的成功，但 3D 扫描植物模型的准确性及其对植物表型特性的影响却很少被研究。
格拉迪林教授的研究团队利用四种植物结构，开发了一种用于三维合成植物虚拟激光扫描的通用架构。他们的目的是回答以下基本问题：
· 当 3D 植物重建随着时间的推移变得越来越不准确时（通过各种几何噪声源模拟），3D 植物属性会发生多大变化？
· 通过将 3D 植物特征的不准确性与合成植物的计算机模拟结果相结合，是否有可能对植物形态和生理进行一致的定量描述？
合成工厂模拟
该研究采用开源建模工具 GroIMP v1.6 进行建模和仿真。
创建了番茄、玉米、黄瓜和拟南芥植物茎结构的3D人工模型，并将其用于虚拟激光扫描研究。
这四种合成植物对获取 3D 图像的准确性提出了不同的挑战。
模拟了复杂的植物形态、由于较大的物理尺寸而产生的叶片重叠和自遮蔽效应、独特的二维垂直平面几何形状以及具有大悬垂叶片的圆形、扁平、近似二维形状。
采用虚拟激光扫描仪来模拟扫描三维植物的过程。该激光扫描仪基于GroIMP用于模拟光线的物理光线追踪模型。
虚拟激光扫描仪可以实现多种标准扫描技术，包括球面扫描和圆柱面扫描。
与传统的计算方法不同，该方法改变了操作方式，使得在创建扫描物体的点云模型时，无需考虑物体的光学特性或激光束的颜色。
通过计算 3D 结构的光吸收率，作为虚拟激光扫描仪模拟的附加指标，来衡量合成结构相对于原始植物结构的“完整度”。
光照模拟的复杂性、大小、对象数量、所用光线及其最大递归深度都会直接影响计算时间。
本研究考察了三种扰动情况。每种情况都会导致植物部件以三种方式丢失。这些丢失事件可能随机发生，也可能从外部到内部发生，或者从内部到外部发生。
对初始和逐渐变薄的 3D 植物模型进行虚拟激光扫描分析，以确定 3D 植物结构的定量特征。
结果与展望
实验结果表明，整个植物几何形状的各种表型特征对模型逐渐扰动的反应通常各不相同。
因此，一些指标，例如植物高度，似乎主要与缺失表面积的比例无关，并且对 3D 扫描误差具有相当强的鲁棒性。
研究结果表明，植物的表型特征与确定植物三维结构时的几何误差水平或多或少相关。
植物面积、体积和生理上重要的光吸收等综合性状与植物有效可见面积的相关性强于植物总高度和宽度等线性枝条性状。
通过将测量结果与合成植物模型的计算机模拟相结合，格拉迪翁教授的团队解决了有关 3D 植物测量的有效性和准确性的一个重要问题。
他们的研究结果为对不准确数据进行一致的定量分析和解释提供了建议。
需要进行更多研究，以扩展可行性研究的发现，并使合成模型结果的分析有助于量化植物结构的实际 3D 扫描。
