基于三維點(diǎn)云實(shí)例分割的草莓葉面積測量方法-慧諾瑞德（北京）科技有限公司|葉綠素?zé)晒鈢光合作用|植物表型

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基于三維點(diǎn)云實(shí)例分割的草莓葉面積測量方法

發(fā)布時間：

2025-05-02

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溫室作物因其具有保護(hù)性覆蓋和小氣候控制系統(tǒng)，具有高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、不受季節(jié)變化影響等顯著優(yōu)勢，從而能夠滿足人們對多樣化農(nóng)產(chǎn)品的需求。溫室作物的高效生產(chǎn)依賴于對環(huán)境和養(yǎng)分的精確自動控制。其中，葉面積指數(shù)是影響室內(nèi)小氣候和植物內(nèi)部養(yǎng)分運(yùn)輸?shù)年P(guān)鍵生長參數(shù)。因此，實(shí)時監(jiān)測葉面積對于調(diào)整防治策略至關(guān)重要。

本文以盆栽草莓為研究對象，開發(fā)了半自動的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集平臺（圖3），并結(jié)合深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)提出了植物器官分割方法，以解決利用三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)計算植物葉面積時莖葉分割難題。為強(qiáng)調(diào)每個器官的三維點(diǎn)云特征，引入葉脈和邊界保持采樣（Leaf Vein and Boundary Preservation Sampling，LVBPS）數(shù)據(jù)增強(qiáng)方法（圖2）。此方法特別保留了葉片邊緣和葉脈形態(tài)等關(guān)鍵特征，在減少數(shù)據(jù)量的同時提高了計算效率?；谠鰪?qiáng)的3D點(diǎn)云數(shù)據(jù)，設(shè)計了名為SGC的深度學(xué)習(xí)架構(gòu)（圖4），以完成草莓植株3D點(diǎn)云中莖和葉的精確實(shí)例分割。

結(jié)果表明，該網(wǎng)絡(luò)對實(shí)例分割的平均準(zhǔn)確率達(dá)到90.41%，對葉片分割的平均準(zhǔn)確率達(dá)到93.63%。使用具有邊界處理的泊松表面重建（Poisson Surface Reconstruction）方法計算的重建葉面積的平均絕對誤差為5.51 cm，均方根誤差為6.91 cm，決定系數(shù)為0.867。

本文構(gòu)建了高質(zhì)量、帶注釋的3D點(diǎn)云數(shù)據(jù)集，提出的方法可以實(shí)現(xiàn)葉面積的無損測量。以上發(fā)現(xiàn)為溫室栽培和智能農(nóng)業(yè)應(yīng)用提供了有價值的技術(shù)支持和參考。源代碼和數(shù)據(jù)集可在https://github.com/suyangsuluo/SGC獲得。

圖1. 研究路線概述

圖2. 葉脈和邊界保持采樣過程

圖3. （a）半自動數(shù)據(jù)收集平臺；（b）3D掃描的草莓植株樣本

圖4. SGC結(jié)構(gòu)

圖5. 草莓點(diǎn)云實(shí)例分割結(jié)果

圖6. 可視化草莓點(diǎn)云實(shí)例分割結(jié)果

圖7. 比較傳統(tǒng)網(wǎng)格測量和圖像測量葉面積

表1.不同分割閾值下的試驗(yàn)結(jié)果

表2.LVBP和CBAM的消融分析結(jié)果

來源

Z. Li, S. Wang, Y. Su and D. Yu, "A Method for Measuring Strawberry Leaf Area Based on Three-dimensional Point Cloud Instance Segmentation," in IEEE Access, doi: 10.1109/ACCESS.2025.3539083.

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