三維激光掃描與傳統(tǒng)量測對(duì)植株苗期形態(tài)監(jiān)測方法比較

1、畢銀麗等Hans漢斯Geomatics Science and Technology 測繪科學(xué)技術(shù).2016, 4(1), 26-35Published Online January 2016 in Hans /journal/RSt http:/dx.doi.crg/10.12677/gst. 2016.41004Comparison of 3D Laser Scanning Technology and Conventional Methods in the Morphology Measurement at Seeding StageYinli

2、Bi% Haiyang Yu, Wanli Tian, Lamei Shi, Zhaohui Xiong, Jianming Bat Chenglong Huang, Yijing ZhaoCollege of Geoscience and Surveying Engineering, China University of Mining and Technology (Beijing), BeijingEmail: ylbi88Received: Jan. 6th, 2016; accepted: Jan. 24th, 2016; published: Jan. 29th, 2016Copy

3、right © 2016 by authors and Hans Publishers Inc.This work is lice nsed un der the Creative Commons Attribution In ter national License (CC BY).http:/crQativgcommons.or2/lice nses/by/4.0/Open AccessAbstractThis paper introduces the principle of 3D laser scanning technology, its components of the

4、 system, process in maize morphology measurement and data processing method Besides, how to gain the morphological parameter is elaborated And 3D laser scanning technology is compared with the traditional method to explore the pros and cons of both approaches 12 maize plants' heights, leaf angle

5、s, stem diameters and cross-sectional areas are measured with artificial methods and 3D laser scanning method The results show that the 3D laser scanning measurement results are coii sistent with the artificial measurement results and the foraier can replace the latter. After repeated measurements o

6、n the same plant by stability analysis, it is found that the variability of 3D laser scanning method result is less than ailificial measurement result Tlie artificial factors play a smaller role in the 3D laser scanning method 3D laser scanning can nondestructive measure the plant morphology But it

7、takes more time and its methods need further improvement. 3D laser scanning method expands the method of measurement of plant morphology and has important significance in plant digital.Keywords3D Laser Scanning Technology, Maize Plants, Three Dimensional Morphology. Manual Measurement, Nondestructiv

8、e Measurement, Digitization通訊作冷。文章引用：畢銀麗，余海洋，田萬里，史臘梅，熊朝暉，白建明，茨成龍，趙怡眾.三維激光掃描與傳統(tǒng)咸測對(duì)杭株苗 期形態(tài)監(jiān)測方法比較J】測繪科7技術(shù),2016, 4(1): 2635 /10.12677/2St.2016.41004三維激光掃描與傳統(tǒng)量測對(duì)植株苗期形態(tài)監(jiān)測方法比較畢銀麗：余海洋，田萬里，史臘梅，熊朝暉，白建明，黃成龍，趙怡景中國礦業(yè)大學(xué)（北京）地球科學(xué)與測繪學(xué)院，北京Email: ylbi88收稿日期：2016年1月6日：錄用日期：2016年1AI24B：發(fā)布日期：2016年1月29日摘要本

9、文介紹了三維激光掃描技術(shù)的原理、系統(tǒng)組成及其對(duì)玉米檀株三維形態(tài)掃描的過程、數(shù)據(jù)的處理和形 態(tài)特征參數(shù)獲取的方法，并與傳統(tǒng)量測方法進(jìn)行比較探討兩種新舊方法的優(yōu)劣.使用人工測量方法和三 維激光掃描方法分別對(duì)12株玉米植株的株高、葉基角、莖稈直徑及橫截面積進(jìn)行測量比較，研究結(jié)果表 明，三錐激光掃描的測量結(jié)果與人工測:結(jié)果規(guī)律性一致，可以曾代人工測童.對(duì)同一檀株的重復(fù)測 進(jìn)行穩(wěn)定性分析，發(fā)現(xiàn)三維激光掃描方法的測童結(jié)果變異性小于人工測童結(jié)果，人為影響因素小.但是 在時(shí)間效率上，三維激光掃描方法還有待進(jìn)一步提高。三維激光掃描能無損監(jiān)測植株的三維形態(tài)結(jié)構(gòu)， 拓展了植株形態(tài)測量方法，對(duì)植物數(shù)字化有重要意義。關(guān)

10、鍵詞三維激光掃描技術(shù)，玉米，三維形態(tài)，人工測量方法，無損監(jiān)測，數(shù)字化1.引言在農(nóng)學(xué)、生物學(xué)等領(lǐng)域，樓物的三維形態(tài)結(jié)構(gòu)一宜是重要的研究內(nèi)容。隨著測繪科學(xué)與il算機(jī)可視 化技術(shù)的發(fā)展，植物的三維形態(tài)虛擬建模逐漸興起，同時(shí)促使“數(shù)字植物”的研究成為熱點(diǎn)1-3-通過 “數(shù)字植物”乎段將植物三維形態(tài)結(jié)構(gòu)信息數(shù)量化，可以更加細(xì)微和深入地研究植物生長的外在表現(xiàn)與 內(nèi)在生長分化之間的定量關(guān)系。三維激光掃描技術(shù)作為“數(shù)字杭物”的一種取要數(shù)據(jù)采集手段，可以快 速獲取三維模型點(diǎn)云信息，馮仲科等4-6在大型樹木笛徑測戢上進(jìn)行J'相關(guān)研究，郭新宇等7-9對(duì)番 茄、西瓜等植物的部分器官的三維重建方法進(jìn)行了探討，但

11、是對(duì)于幼苗生長發(fā)疔微觀形態(tài)特征參數(shù)提取 方面報(bào)道較少。上米作為我國主要作物之一，其三維形態(tài)結(jié)構(gòu)的研尤有重要現(xiàn)實(shí)意義10-12.傳統(tǒng)獲取 其三維形態(tài)結(jié)構(gòu)信息的方法不僅工作疑大、耕度低而且測量因子單一、測量過程復(fù)雜。而三維澈光掃描 技術(shù)能把玉米杭物的立體模型在計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn).不僅能提供更豐富的測量信息，而且具有精度高、原位 無接觸、不對(duì)植株造成破壞等特點(diǎn)13 14,可以實(shí)現(xiàn)植株生長的連續(xù)動(dòng)態(tài)監(jiān)測與比佼。本文以盆栽玉米 植株為例來探討三維激光掃描在玉米形態(tài)監(jiān)測中的可視展現(xiàn)與可視計(jì)算的方法，以比較與人工測量方法 的優(yōu)劣,為后期生物修復(fù)效果的植物形態(tài)監(jiān)測奠定了理論基礎(chǔ)，具有垂要的現(xiàn)實(shí)生態(tài)意義。2三維激光掃

12、描技術(shù)2.1. 三維激光掃描技術(shù)原理三維激光掃描技術(shù)是通過激光發(fā)射器不斷地發(fā)射激光束，經(jīng)過口標(biāo)物體反射，被傳感器接收后經(jīng)過 分析汁算出被測物體精確的點(diǎn)位信息。經(jīng)過這樣不斷巫復(fù)地?cái)?shù)據(jù)采集和處理過程獲取逼近被測物體衣而 的高密度的三維點(diǎn)云。它的測距方法主要有脈沖法、相位法、三角法。脈沖法主要是通過測量激光速在 激光發(fā)射器與被測物體之間的傳播時(shí)間來計(jì)算物體的位置信息.三角法是通過測量激光經(jīng)過傳播、反射 后相位差來獲取目標(biāo)精確的點(diǎn)位，一般能夠測量的最大距離小于脈沖法，但精度一般高于脈沖法。本實(shí) g僉使用的是三角法，它的原理是是激光發(fā)射點(diǎn)利ccd接收點(diǎn)位于長度為高稍度基線的兩端，并與目標(biāo)反 射點(diǎn)構(gòu)成一個(gè)

13、空間平而三角形，借助三角形幾何關(guān)系，求得目標(biāo)的位置信息15卜17,測量的有效距離故 小，但精度最高.如圖1,通過激光掃描儀角度傳感器可得到發(fā)射、入射光線與基線的夾角分別為Y、入，激光掃描 儀的軸向自旋轉(zhuǎn)角度a,然后以激光發(fā)射點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)，基線方向?yàn)閄軸正向，以平面內(nèi)指向目標(biāo)且垂 直于X軸的方向線為Y軸建立測站坐標(biāo)系，通過計(jì)算可獲得P點(diǎn)的坐標(biāo)。2.2. 三維激光打描系統(tǒng)的組成及掃描過程三維激光掃描系統(tǒng)主要由掃描儀、帶有配套軟件的工作站、供電系統(tǒng)組成（勺2）。本試齡使用加拿大 CreaformHandyscanEXAscan 3D掃描儀，粘度可達(dá)0.04 mm,掃描速度約50,000點(diǎn)/秒，最離分

14、辨率為0.05 mm.雖深為30 cm.配套的數(shù)據(jù)采集軟件為elements.八有實(shí)時(shí)可視化和掃描結(jié)果增強(qiáng)的功能18. 后期處理軟件為Geomagic Studio,它是一款點(diǎn)云處理能力強(qiáng)大的逆向軟件，具有交互處理掃描數(shù)據(jù)，建 立精密的三維模型，基本測量等功能。Fi«ur< 2 The composition of 3D laser scanning system ffl 2.三維激光掃描系統(tǒng)的組成通過此系統(tǒng)對(duì)上米植株掃描過程如下：1）通過數(shù)據(jù)線連接掃描儀與工作站，啟動(dòng)VXelements軟件，掃描儀毎一次發(fā)射激光速采集的點(diǎn)位 信息都是在儀器自身坐標(biāo)系下，一個(gè)位置很難掃描完整的

15、植株，所以要圍繞植株不斷進(jìn)行掃描。毎個(gè)位 置掃描的坐標(biāo)系不同，需要通過控制點(diǎn)拼接起來。所以在掃描準(zhǔn)備的時(shí)候要通過在植株周用I古I定位崗粘 貼反射片，儀器自動(dòng)通過識(shí)別反射片完成拼接。2）儀器初次使用或者使用一段時(shí)間肓雯使用校正板進(jìn)行校正。由于植物葉片柔弱易動(dòng)，掃描數(shù)據(jù)容 易分層，從掃描將要開始時(shí)要減少人員走動(dòng)，以減少外界對(duì)葉片的擾動(dòng)，來獲取高質(zhì)量的數(shù)據(jù)。3）掃描開始后，手持掃描議圍繞植株不斷采集數(shù)據(jù).并注總計(jì)算機(jī)上實(shí)時(shí)顯示的點(diǎn)云模型信息查漏 補(bǔ)缺，防止數(shù)據(jù)缺失，并保證在毎一測站至少有三個(gè)控制點(diǎn)可視按照控制點(diǎn)的先后順序掃描可分為兩 種方式。一種是全局控制法：先直接一次掃描全部控制點(diǎn)信息，建立全局坐

16、標(biāo)系，形成整體控制，然后 再采集杭株的位貿(mào)信息，通過毎一站掃描的控制點(diǎn)匹配到全局坐標(biāo)系下面。另一種方式是直接先掃描植 株，并且掃描這一測站范困內(nèi)的控制點(diǎn)，兩個(gè)相鄰測站保持至少三個(gè)公共控制點(diǎn)，通過控制點(diǎn)，每一站 的數(shù)據(jù)自動(dòng)憑借到上一個(gè)坐標(biāo)系下，直到掃描結(jié)束。2.3. 掃描數(shù)據(jù)處理及形態(tài)特征參數(shù)的提取方法2.3.1. 點(diǎn)處理階段F持掃描儀獲取的原始數(shù)據(jù)是數(shù)萬個(gè)離散點(diǎn)的位置坐標(biāo)和反射強(qiáng)度值，在建立三維模型前需要對(duì)點(diǎn) 云進(jìn)行初步處理1刃。將獲得的植株點(diǎn)云數(shù)據(jù)以gs格式導(dǎo)入Geomagic Studio中經(jīng)著色后方便觀察。在 掃描時(shí)由于儀器本身和外界環(huán)境的原因，有多余項(xiàng)和噪音被同時(shí)采集，需要經(jīng)過刪除非連

17、接項(xiàng)、去除孤 點(diǎn)、減噪等前期處理獲得冃標(biāo)點(diǎn)云（圖3（a）,分離塑料盆和土壤后就提取到完整的K米杭株的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。2.3.2. 多邊形階段多邊形模型是以相鄰的數(shù)據(jù)點(diǎn)為頂點(diǎn)建立不規(guī)則三角形，形成TIN網(wǎng)模型，對(duì)實(shí)體表而進(jìn)行逼近。 對(duì)2.3.1節(jié)中處理后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行封裝形成表現(xiàn)玉米杭株形態(tài)的不規(guī)則三角網(wǎng)模型（TIN模型）（：冬3（b）00填充孔洞掃描時(shí)會(huì)有部分?jǐn)?shù)據(jù)缺失形成如圖3（c）所示的不同類型的孔洞（孔1為邊界孔，孔2為島嶼孔），需要 選擇不同的“填充孔”命令進(jìn)行填充，其實(shí)質(zhì)就是利用孔洞周邊數(shù)據(jù)分析變化趨勢進(jìn)而填補(bǔ)殘缺部分的 數(shù)據(jù)。2）轉(zhuǎn)換坐標(biāo)系在掃描時(shí)，儀器會(huì)自動(dòng)建立一個(gè)獨(dú)立空間坐標(biāo)系，Z軸與

18、莖稈豎直方向不同向，需要運(yùn)用旋轉(zhuǎn)矩陣， 將獨(dú)立空間坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換為以玉米最低端中心為坐標(biāo)原點(diǎn)，莖桿中心為Z軸的空間坐標(biāo)系。首先選取莖稈 數(shù)據(jù)進(jìn)行闘柱特征模擬，出現(xiàn)貫穿莖稈的中心線，然后運(yùn)用“對(duì)齊”命令，以這條中心線為同定，以Z 軸為參考進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，就得到莖稈方向與Z軸一致的E米模型（冬3（?。＿@時(shí)可以隨意旋轉(zhuǎn)模型從任何 角度對(duì)植株進(jìn)行觀測。2.3.3. 應(yīng)用處理對(duì)于建立完成的TIN模型，可以進(jìn)一步通過探測曲率構(gòu)造曲而片-擬合輪廓-構(gòu)造格柵擬合曲 面步驟，得到視覺效果較好的Kerbs曲面模型。通過對(duì)模型進(jìn)行渲染或者匹配植株的數(shù)碼圖像，可以得 到更加逼眞的暈渲圖和貞彩模型。也可以通過兼容格式導(dǎo)入C

19、AD、3Dmax等圖形處理軟件中處理得到的 等值線圖、斷而圖、投影圖來進(jìn)行光照模擬等研尢。孔 1?L2(a)帶型料盆的玉米點(diǎn)云數(shù)據(jù)Corn point cloud dalawith a plasticbasin(b)玉米三角片面模型Maize triangle surface model(c)出現(xiàn)孔洞的葉片Tlie leaf with holes(d)轉(zhuǎn)變坐標(biāo)后的玉米植株Maize plants after transformation ofcoordinates(e)包圍盒Bounding box(f)葉片面積的測量Measurement of leaf area(g)以特征平面截取莖桿 U

20、sing the plane to intercept the stem(h)莖桿橫截面輪剃曲線Contour curve ofthestem cross section(I)葉片邊界及葉脈輪廓曲線Contour curve of leatboundaryf andleaf veinsFiuun- J Point cloud data processing and acquisition of moiphology index 圖3點(diǎn)云數(shù)據(jù)的處理及形態(tài)指標(biāo)的獲取2.3.4.形態(tài)指標(biāo)的獲取1) 株奇冠幅的量測在TIN模型打開時(shí)選擇顯示模型的邊界框尺寸，出現(xiàn)最小的包圉盒(|?| 3(e),同時(shí)顯示

21、包圍盒的尺寸 信息。則豎直方向的邊框邊界差值就是株髙，水平方向的最大邊界差值就是冠幅。2) 面積的最測直接應(yīng)用“工具-測量”模塊對(duì)選取的任意葉片進(jìn)行面積測量(圖3(f),若是選取全部葉片可一次性 il算葉片總面積。方法是:旋轉(zhuǎn)模型到俯視視角(此時(shí)Z軸垂直屏幕向外),在非貫穿模式下選擇全部叫 片測量出來的葉而積就是投影而積。畢銀麗等3）莖稈橫截面積和扁率的屋測在距根部5 cm 處建立垂直玉米莖稈的特征平面（圖3（g）,“量測”模塊中可量測此截而與玉米莖稈的橫截而積。在曲線模塊中創(chuàng)建以特征平面截取的莖稈的輪廉曲線（R： 3（h）.此時(shí)會(huì)顯示一個(gè)緊緊包圍 輪烯曲線的矩形邊框，這個(gè)邊框表達(dá)著輪綁邊界，

22、此時(shí)顯示的邊框信息就是長短半軸克徑。長短半軸的 差與長軸的比值即為扁率。4）葉片形態(tài)參數(shù)的量測曲線模塊下按曲率提取曲線，得到與葉而密介的沿葉脈的空間曲線和葉片的邊界輪娜曲線（引3）, 進(jìn)行參數(shù)交換導(dǎo)入到與Geomagic Studio相配套的Soliworks軟件中，運(yùn)用戢測工具進(jìn)行葉片長度和寬度 的量測。利用“分析點(diǎn)坐標(biāo)”在植株的三維葉片上沿主葉脈拾取葉枕部位的點(diǎn)、葉片基部挺直的部分 的點(diǎn)，以相應(yīng)的點(diǎn)坐標(biāo)信息計(jì)算出葉片的葉基角（葉片基部直挺部分中脈與莖稈上方間的夾角）。3傳統(tǒng)測方法及其與三維激光掃描法優(yōu)劣對(duì)比分析傳統(tǒng)的測量株高冠幅的方法主耍是通過卷尺量取，在確認(rèn)域奇點(diǎn)和水平最人伸展長度的時(shí)候

23、人為因 素較大。而通過三維激光掃描獲取植株模型后，可以自動(dòng)客觀地獲取株奇冠幅信息.在葉而積測量上，傳統(tǒng)主要有方格紙法、長寬系數(shù)，稱重法等，工作量大且需要離體采集、對(duì)杭株 主長擾動(dòng)較大等缺點(diǎn)，特別是當(dāng)葉片卷曲時(shí)測最精度難以保證20o對(duì)于投影面積的測量，傳統(tǒng)方法是先 把植株投影到地ihi,然后計(jì)算投影面積，不僅繁瑣而且誤差較大，有時(shí)甚至無法實(shí)現(xiàn)。三維激光掃描技 術(shù)可以-鍵式地很方便地實(shí)現(xiàn)而積的量測。并且當(dāng)葉片卷曲時(shí)，通過三維激光掃描技術(shù)建立模型后，沿 著光照方向的視角非貫通模式下選擇口標(biāo)葉片可以進(jìn)行有效光介面積的測量，這是傳統(tǒng)方法難以實(shí)現(xiàn)的。在許多研究中莖的粗壯程度常用直徑來表示，但是玉米的莖桿的

24、橫截面并不嚴(yán)格地呈惻狀，而是 類似橢圓狀.它有一定的扁率，且不同生長時(shí)期的扁率有所不同。用手工最測不同植株莖桿直徑時(shí)較難 在垠大宜徑（長軸）和般小直徑（短軸）間把握同一個(gè)量測尺哎標(biāo)準(zhǔn)，而莖桿的截面積不受莖桿截面形狀的影 響，能比直徑更準(zhǔn)確地表示出Ji米莖桿的粗壯程度。傳統(tǒng)方法很難直接進(jìn)行橫截而積的測量，而三維激 光掃描技術(shù)通過建立垂直莖稈的特征平而很輕易獲取橫截面積，同時(shí)獲得橫截而輪廉，方便后期對(duì)數(shù)7 杭物進(jìn)行深入研究。4.結(jié)果與分析4.1.兩種方法獲取的試驗(yàn)數(shù)據(jù)及其回歸分析為了驗(yàn)證兩種屋測方法的準(zhǔn)確性，取12株生長狀況不同的玉米盆栽植株，在自然狀態(tài)下分別用卷尺 和量角器人工量取株高和12片葉

25、片的葉基角，用游標(biāo)卡尺量取莖桿直徑，以圓而積的計(jì)算公式計(jì)算出莖 桿橫截面積門，并用三維激光掃描方法測量的株高、相同葉片的葉基角和莖桿的長短直徑以及橫截而積 SP結(jié)果如表1和表2所示。由對(duì)比結(jié)果可知，株高的平均相對(duì)誤差為4.18%,敲大相對(duì)誤差為&1%°葉基角的平均相對(duì)誤差為 4.82%,最大相對(duì)誤差為8.8%,町見株高和葉基角的相對(duì)誤差較小。而橫截而積相對(duì)溟星較大，平均為 18.98%,甚至有4個(gè)達(dá)到30%以上，這也卬證了莖稈的橫截而不是嚴(yán)格的圓形狀。在莖稈嵐徑的比較中 發(fā)現(xiàn)，莖稈橫截而都有一定的扁率，人丁測戢直徑介于長短軸之間，并且與長短軸沒有明顯的數(shù)量關(guān)系， 所以在人工測

26、量直徑時(shí)很難把握同一個(gè)量測尺度標(biāo)準(zhǔn)，主觀誤差較大。以人工測量數(shù)據(jù)為自變量x,以激光掃描數(shù)據(jù)為因變量y,分別對(duì)株髙測量數(shù)據(jù)、葉基角和橫截而積 測雖數(shù)據(jù)畫出散點(diǎn)圖（組46）,進(jìn)行線性擬介得出回歸方程。山圖4和勺5的回歸方程得到，株高的決疋 系數(shù)R：達(dá)到0.9906葉基角的R：達(dá)到0.9559程信度為95%,說明人工測量數(shù)據(jù)和三維激光掃描數(shù)據(jù)1 iblc I Result of plant height and angles«1.株高和葉基角的測屋結(jié)果編號(hào)株髙(cm)葉基角C)人工測讀激光掃描柑對(duì)誤差人工測量激光掃描相對(duì)誤差16&765.095.30%32.932.291 90%2

27、71.369.153.00%40638.126 10%349051.364 80%38640073 80%458.555.245 60%35.534.602 50%555.952.286 50%17.217.562 10%646845.113.70%30031.575 20%750.648.105.00%2&526.497.10%830.931.672.50%45347.82560%926.628.728.10%1&017.721.60%1036.536.480.10%33.031.125.70%1125.124.930.70%41.S38.141271.167.68480%4

28、6.543.06740%平均值4.18%482%1 iblt 2 Results of stem flattening and cross-sectional aiea 表2莖桿扁率和橫截面積的測量結(jié)果編號(hào)莖桿直徑(cm)橫般而枳(mm：)短軸長軸扁率人工測量 宜徑激光掃描面枳S1人工測量面枳S2相對(duì)課差17.S12.5037610.375.4183.321050%211.715.30.23414.7130 11169.7230 40%37.S1060264905563636214 40%416.517.20 04117.221022232.3510 60%514017.50 20014.61

29、89 45167 4211.70%613.51660 18713.9171 40151.7511 50%712.917.0024115.317075183.857.70%89.014.7038812.4106 27120.761390%99.212.2024612.188.36114.993040%299.S53.7975.4340.20%119.713.00.25411.895.12109.3614.90%S911.984.96111.2231.50%平均值1&9S%050100人I：測區(qū)數(shù)據(jù)莘說坯Z1 mure 4 Scattered

30、plots of plant height 匪4.株高散點(diǎn)圖人工測馳數(shù)抓F igure 5 Scanered plots of the ang.es between stem and leaf 圖5葉基角散點(diǎn)圖人匸測址數(shù)撫l iiiurc 6 Scattered plots of cross-sectional area 圖6.橫截面積散點(diǎn)圖密切相關(guān)。說明使用三維激光掃描方法完全可以替代人工測量。由圖6可見橫截面積人工測量值和掃描 方法的R2僅為0.8879。再次說明以圓形面積來計(jì)算莖桿的橫截面積與三維激光掃描獲得的真實(shí)值有一定 的差距，傳統(tǒng)方法測得的直徑不能準(zhǔn)確完全地表達(dá)莖稈水平生長方向的信

31、息。4.2.穩(wěn)定性比較為了比較不同方法的穩(wěn)定性，相同條件下對(duì)同 植株的株高、憤截而積和同葉片的葉基角分別進(jìn) 行8次重復(fù)量測，結(jié)果如衣3所示。1 able 3. The comparison of stability of plant height, angels and cross-sectional area data with different methods *3.不同量測方法對(duì)株高' 葉生角和橫嚴(yán)面積的穩(wěn)定性對(duì)比編號(hào)株離（cm）葉基角（J橫哉血枳（mm：）人工測量激光掃描人工測量激光掃描人工測量激光掃描146.545.5635.634.71206.49177.3624545.

32、6132.833.97194.82175.85344.845.3431.834.22133.03175.77445.645.4733.5349165.47177.72545.245.2932.734 7313452171 3647.745.5635.334 5413426172.78746845.7335.534.21S895177.4284645.3332634 64172.59175.75平均值45.9545.48633.72534.488166.266175.493標(biāo)準(zhǔn)差0.9350.1451.4170.30127.6722.16變異系數(shù)2%0.3%4.2%0.9%16.6%1.2%三維

33、激光掃描測戢出的株髙和葉基角均值與人工方法接近，截而積的差別相對(duì)較大，這與莖桿的非 圓形有關(guān)。而三維激光掃描方法對(duì)于三個(gè)指標(biāo)的變異系數(shù)分別為0.3%、0.9%、1.2%,遠(yuǎn)低于人工測量的 2%、4.2%、16.6%,說明三維激光掃描測量結(jié)果穩(wěn)定，重復(fù)性好，受人為因素影響更小。43效率比較試臉中使用傳統(tǒng)方法測量上述的12植株的株高、冠幅、莖桿宜徑，每株取4片葉共48個(gè)葉長、葉 寬、葉面積（長寬系數(shù)法）和48個(gè)葉基角并填寫在記錄本上共耗時(shí)41 min。把三株植株同時(shí)掃描在一個(gè)坐 標(biāo)系中對(duì)同樣的12個(gè)植株進(jìn)行掃描，并處理獲取相同指標(biāo)數(shù)值，共耗時(shí)95 mm三維激光掃描方法比傳 統(tǒng)方法耗時(shí)枚長主要體現(xiàn)在

34、扌彳描前期準(zhǔn)備卜.，而數(shù)抵采集后在一鍵式測定快測定的指標(biāo)巔越多，時(shí)間差 距越小。此外總用時(shí)在與處理時(shí)使用的計(jì)算機(jī)硬件配置也有很大關(guān)系。5.結(jié)論1）三維激光掃描技術(shù)引入植株形態(tài)量測中具有重要盤義，通過相關(guān)分析和穩(wěn)定性分析可知它可以高 精度測量玉米形態(tài)，替代人工測量。此外，三維激光掃描的方法可以獲得曲率半徑、莖稈橫截面積等常 規(guī)方法難以獲取的形態(tài)指標(biāo)，為更細(xì)微深入地研究植物的三維形態(tài)結(jié)構(gòu)提供一條新思路。2）三維激光掃描法獲取的結(jié)果是數(shù)伉化的三維圖像，方便保存和隨時(shí)査看，是橋物數(shù)字化的一條垂 要途徑。由室內(nèi)盆栽拓展到野外大田，由單株監(jiān)測拓展到大范圉監(jiān)測是進(jìn)一步研尢的方向。3）三維激光掃描技術(shù)在采集植

35、物形態(tài)監(jiān)測的應(yīng)用時(shí)也存在一些不足，比如邊緣效應(yīng)適成測量偏差、 受風(fēng)吹擾動(dòng)影響較大、葉片遮描使數(shù)據(jù)獲取不完整等，但是它可以對(duì)植株形態(tài)無損量測，減少人為影響， 方便實(shí)現(xiàn)對(duì)植株的原位動(dòng)態(tài)的監(jiān)測。三維激光掃描技術(shù)在植物形態(tài)監(jiān)測及生態(tài)修復(fù)效應(yīng)方而將會(huì)形成- 個(gè)新的應(yīng)用領(lǐng)域與方向.基金項(xiàng)目國家自然科學(xué)基金（51574253）：國家863項(xiàng)目一一作物生境過程模擬與動(dòng)態(tài)優(yōu)化決策技術(shù)(2013AA102904)；大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練資助項(xiàng)目(20141202, C201502003)。參考文獻(xiàn)(References)1趙春江，陸聲鏈，郭新宇，等一數(shù)字植物及其技術(shù)體系探討幾中國農(nóng)業(yè)科7-, 2010(10): 2023-2030.2陳三茂，田曄林.21世紀(jì)植物標(biāo)本館的發(fā)展方向一一數(shù)了植物標(biāo)木館J北京農(nóng)7阮7報(bào),2003(3): 208210-3溫維亮.郭新宇，陸