基于實測數據的小麥葉片模擬模型與三維重建

劉丹 諸葉平 李書欽 劉海龍 李世娟

摘要：以特定品種（偃展4110）小麥為研究對象，基于實測數據，完善了該品種小麥葉片的模擬模型及幾何模型。首先，對其地上部的形態特征數據進行跟蹤記錄，并進行了特征參數提取；然后，基于實測數據進行葉片模擬模型構建，完善了該品種小麥葉片的葉長模擬模型與葉形模擬模型，并取得良好結果；最后，利用NURBS曲面建模技術對葉片進行幾何模擬，并完成了葉片卷曲及扭曲等形變狀態。本研究可為小麥三維動態建模提供技術支持，為田間管理與決策提供研究基礎。

關鍵詞：小麥；偃展4110；實測數據；葉片；三維可視化

中圖分類號：S512.1：S126文獻標識號：A文章編號：1001-4942（2016）07-0137-06

虛擬植物的可視化研究在農林學、生態學、景觀設計、計算機動畫及計算機教學等領域有廣泛的應用前景。作為虛擬植物的重要研究方向，虛擬小麥的研究主要為生理生態模型與可視化建模兩部分[1]。目前國內外對小麥植株的生理生態模型研究較多，其生理生態模型也較成熟，如DSSAT、L-系統等[2]。近年來也加緊了從計算機圖形學的角度對小麥可視化建模進行研究，如基于模型的重建技術、基于圖像的重建技術以及基于掃描數據集的三維技術等[3]。但針對特定小麥品種，且結合實測數據的小麥葉片可視化研究還較少。

本研究基于特定小麥品種的田間采集形態數據，提取具有明確生物學意義的小麥器官形態特征參數，結合NURBS曲面建模技術，構建葉片曲面網格模型，最終構建出具有較高的平滑度和真實感的小麥葉片模型，并對其葉片形變模型進行了一定探究。

1小麥葉片形態數據提取

葉片是小麥的關鍵器官之一，其形態數據及模擬模型的準確性、精確度密切地影響著小麥整株的模擬效果。小麥葉片形態數據即小麥葉片的葉脈位置、葉片輪廓及其數量關系。試驗數據的真實度與準確性決定了小麥葉片模擬模型及其可視化效果。本文采取對特定品種特定植株逐時實地測量的方式獲取試驗所需數據，以期獲得真實度、準確性均較高的實測數據。

1.1數據準備

于河南新鄉基地對特定小麥品種偃展4110進行多頻次實地測量，測量頻次根據小麥生長周期及其特性變化設定。新鄉基地位于全國名鎮河南省新鄉縣七里營鎮，地理坐標為北緯35°18′，東經113°54′。

1.2測定方法與項目

依據歷史資料所涉及的試驗方案[4]，本研究采用下列方法：在基地大田中間位置選取長勢良好、形態相似的3株小麥，系繩標記。長勢較慢的生育期（如越冬期、成熟期）每兩周測量一次，長勢較快的生育期（如拔節期）每4天測量一次，其余生育期每周測量一次。每個測量周期內均對目標小麥植株已有屬性進行測量，分別測量了株高、莖節數、莖稈直徑、莖葉夾角、葉長、葉寬等屬性，并使用數碼相機對小麥形態、紋理表象進行拍照存儲[5，6]。小麥形態特征記錄見表1，以2015年5月14日灌漿期間的測量數據為例。

2基于小麥葉片形態數據的模擬模型構建

2.1葉長模型

葉片作為小麥形態結構的重要組成部分之一，其模擬模型的準確度對整株模型的準確性有著很大的影響。如何模擬葉片生長是小麥形態模擬模型的關鍵，也是實現小麥虛擬生長的基礎。本研究對偃展4110的實地測量顯示，小麥葉片伸長的變化是由快到慢再到快的過程，符合“S”型曲線（圖1）。

式中La和Lb為模型參數，基于實測數據，使用SPSS擬合方程確定其值分別為4和0.06；LeafL（GDD）n表示在 GDD 時刻第 n葉位葉片的葉長；LeafLmax n表示小麥第n 葉位葉片最大長度，其值隨葉位的不同而發生變化；IniLGDDn表示第n葉位葉片抽出時的GDD；LN為主莖葉片總數。

小麥葉片最大長度的變化大致分為兩個階段，拔節前隨葉位的升高而增加，至第三葉位后又隨葉位的增加而降低；拔節后也隨葉位的升高而增加，但自倒數第二葉又隨葉位的升高而降低。小麥這種拔節前和拔節后葉片最大長度的變化趨勢可以用兩個二次方程來擬合：

3基于小麥葉片形態數據的幾何模型構建

小麥葉片始于莖的莖節部，主要由葉片和葉鞘組成，葉片的三維空間形態主要由葉脈曲線、葉邊緣和葉形特征決定，且自然狀況下，葉片會發生扭曲、卷曲等形變，因此，建立完善的葉片幾何模型有一定難度[7]。

NURBS （Non-uniform rational B-splines） 是非統一有理B樣條曲線的縮寫，其中，非統一是指一個控制頂點的影響力范圍能夠改變；有理是指每個NURBS物體都可以用數學表達式來定義；B樣條是指用路線來構建一條曲線，在一個或更多的點之間以內插值替換。該方法被作為定義工業產品幾何形狀的唯一數學方法[8] 。由于NURBS方法同時具有有理樣條和非統一樣條的性質，既能描述自由型曲線曲面又能精確表示二次曲線弧和二次曲面，并且能通過控制點和權重因子靈活地改變形狀[9]

。劉曉東等[10]利用NURBS曲面建模方法對水稻葉片進行了模擬研究，可根據實際情況靈活方便地對葉片模型進行調整。但利用該方法對小麥葉片進行模擬研究的報道還較少，因此，本文采用NURBS曲面來對小麥葉片進行幾何建模。

4結語

本文以特定小麥品種偃展4110為研究對象，結合田間采集不同生長期葉片的形態特征數據，分析葉片生長狀態特征，并提取其形態特征參數，構建了小麥葉片生長模型，并利用NURBS曲面建模技術實現了小麥葉片的幾何模擬，并結合實際情況對葉片模型控制點進行調節，以實現葉片的卷曲及扭曲等形變狀態。基于實測數據的小麥葉片模擬模型及三維重建將理論模型與實際情況相結合，在一定程度上完善了小麥可視化模型，以期能為小麥可視化更深層次的研究提供一定的參考，為小麥三維動態建模提供支持，為田間管理與決策提供研究基礎。

參考文獻：

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