虛擬果樹修剪系統(tǒng)的研究.pdf

虛擬果樹修剪系統(tǒng)的研究 王劍 周國民 (中國農業(yè)科學院農業(yè)信息研究所 北京 100081) 摘 要：為解決果樹修剪技術推廣過程中所遇到的問題，提出了構建虛擬果樹修剪系統(tǒng)的方法，介 紹了該方法的設計思路和關鍵技術，并總結了此方法的應用前景。 關鍵詞：果樹修剪；虛擬現(xiàn)實；農業(yè) 1 引言 我國是果樹種植大國，全面提高果品質量，穩(wěn)定果品產量是維系到果業(yè)健康、可持續(xù)發(fā)展的關 鍵。果樹修剪技術是果樹管理措施中的重要技術手段，對提高果品質量，調控果品產量起著至關重 要的作用，因此，在廣大果區(qū)推廣和普及先進實用的修剪技術是一項非常重要的工作。然而，在實 際生產和技術推廣工作中，主要存在著兩大困難：一是，掌握果樹修剪技術的科技人員相對短缺； 二是，在農村普及正確的修剪技術有一定難度。由于果樹修剪具有不可逆性，一次錯誤的修剪往往 帶來不可彌補的損失。在實際生產中，這樣的事例比比皆是，嚴重影響了我國果業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。 虛擬現(xiàn)實技術正是可以在虛擬的農田環(huán)境中進行虛擬試驗的先進技術，可以部分的替代現(xiàn)實生 活中比較費時、費力以及昂貴的試驗。如將其應用到果樹修剪技術推廣工作中，將使此項工作的困 境得以改善，為廣大果農掌握先進的修剪技術提供一種全新的途徑。本文在中國農業(yè)科學院多年研 究積累的豐富科學數(shù)據(jù)資源的基礎上，利用虛擬現(xiàn)實技術，探討并研究了面向廣大果農進行技術推 廣的虛擬果樹修剪系統(tǒng)。 2 系統(tǒng)設計 本文研究的“虛擬果樹修剪系統(tǒng)”是一個果樹修剪仿真培訓系統(tǒng)，該系統(tǒng)的設計思路是模擬真 實果樹的各種生長狀況并對各種因素的改變作出近似于實際的反應。應用這個系統(tǒng)學習果樹修剪技 術能讓學員在虛擬的學習環(huán)境中扮演一個角色，全身心地投入到學習環(huán)境中，可以隨心所欲地使用 “虛擬剪刀”試驗各種修剪方法，任意地修剪每一個枝條，而系統(tǒng)則根據(jù)剪枝人的行為，模擬出不 同的修剪后果。在剪枝的同時，馬上看到修剪的狀況，還可以模擬出因修剪而產生的一系列影響和 后果，如：枝量的改變，枝條生長方向的改變，樹形的改變等；以及因這些改變帶來的影響和產生 的結果——花芽的變化、坐果率的變化、產量的變化、果實品質的變化等。通過這種方法，把果樹 基金來源：國家高技術研究發(fā)展計劃(2002AA243041) 王劍(1976一)，男，博士在讀，研究方向：作物信息科學 周國民(1969一)，男，博士，研究員，研究方向：農業(yè)信息技術 104 虛擬墨撾修煎系統(tǒng)的班究 較長的生長周期濃縮到短時間模擬生長中，使抽象的概念、理論直觀化、形象化，方便使用者對抽 象概念的理解。同時，這個虛擬的訓練系統(tǒng)無任何風險，學員可以不厭其煩地反復練習，直至掌握 修剪技能為止。 這個系統(tǒng)的實質是果樹修剪知識和信息技術集成的技術平臺，它主要由軟件系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫系統(tǒng) 和硬件系統(tǒng)組成。數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)包括果樹修剪知識數(shù)據(jù)庫(規(guī)則庫)、三維果樹樹形數(shù)據(jù)庫(對象 庫)、三維環(huán)境數(shù)據(jù)庫和修剪工具數(shù)據(jù)庫。軟件系統(tǒng)包括可視化輸出模塊、交互模塊等。系統(tǒng)模擬 運行和可視化環(huán)境的邏輯結構如圖1所示： 圖1 系統(tǒng)模擬運行和可視化環(huán)境的結構圖 3關鍵技術 3．1 果樹樹形三維模型數(shù)據(jù)庫 三維果樹樹形庫存儲的是果樹樹形的表現(xiàn)，并通過可視化輸出模塊實現(xiàn)果樹修剪數(shù)據(jù)到表現(xiàn)之 間的映射。在此數(shù)據(jù)庫中其主要的對象以三維掃描的方式獲得，像枝條、果實等小型的果樹對象可 以用手持三維掃描完成，如美國的F鷦tscan利用紅外掃描的原理，可以快速形成三維立體模型，在 靜態(tài)掃描時利用其探筆定位，精度可以達到0．5cm；對于那些大型的果樹對象，如果樹的樹冠、大 的果枝等，則可以利用大型三維掃描設備完成。三維掃描得到的圖像可以利用三維圖像處理軟件進 行細致的處理，并轉換成恰當?shù)母袷饺鏥RML格式，存儲在對象數(shù)據(jù)庫中，并將位置固定不變的物 體的真實位置記錄在數(shù)據(jù)庫中。 3．2果樹修剪規(guī)則的表示 在系統(tǒng)的實際操作時，修剪規(guī)則是一個至關重要的內容，用戶的輸入內容最終是要映射成相應 的規(guī)則，才能正確地選取相應的對象模型進行可視化輸出，因此將果樹的修剪知識用規(guī)則表示出來 是一個關鍵性的問題。在本文的果樹修剪知識庫中，修剪知識通過判定樹來轉化為規(guī)則，利用這種

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