葡萄栽培中的Artec Space Spider:扫描葡萄植株,对抗葡萄病害

概要:研究人员发现,紧致的植株,感染葡萄真菌的可能性更大。3D扫描技术因此引入葡萄栽培,作为全新武器对抗病害。

目标:使用手持式3D扫描仪现场捕获生长过程中的葡萄植株,为其创建3D点云,供科学家分析提取信息。

使用工具:Artec Space Spider

葡萄栽培学,古希腊雅典历史学家修昔底德认为对人类文明起到推进作用的一门学科,可能是最不可能应用到Artec 3D解决方案的领域。

葡萄栽培学,古希腊雅典历史学家修昔底德认为对人类文明起到推进作用的一门学科,可能是最不可能应用到Artec 3D解决方案的领域。但近日,几位研究员在一篇论文中表示,使用这些解决方案可以让葡萄栽培获益良多。在2018年3月出版的期刊《Sensors》中,研究人员针对真菌性病害或“灰霉病”进行了研究。我们知道,灰霉病会引起虫害感染,最终导致作物受损和减产。来自Geilweilerhof葡萄育种研究所和波恩大学的研究员合作研究,开发了创新型图像式分析法,以期减少灰霉病,提高葡萄选种和育种效果。

Artec 3D自有产品Space Spider 3D scanner在这一过程中发挥了不可忽视的重要作用。

实验期间,研究员发现,和目前的方式相比,使用Space Spider制作葡萄可视图像可大幅提升植物特征的数据评估速度。基于蓝色LED结构光科技,Artec Space Spider是一款用户友好、速度飞快、功能强大的3D扫描设备,可以生成丰富的高分辨率数码图像。这款扫描仪已广泛应用于众多行业,能捕获一系列复杂的几何、纹理和色彩,3D点精度高达0.05毫米。此外,它的重量不到2磅(0.9公斤),是一款极其轻便的3D扫描仪,无论实验室还是户外,都表现出色。正是因为这些优点,它完美符合这些研究中研究员设计的扫描环境。

论文中,作者很快发现“果穗紧密度”和灰霉病风险的关联。同样,一些其他研究也发现,葡萄果穗越紧密,虫害感染就更有可能发生。确实,许多葡萄种植者得出了类似的结论,也因此,他们更希望挑选养殖果穗松散的普通品种。

从长远经济角度考虑,灰霉病导致的作物感染风险提升,会带来不利影响,因此消除“果穗紧密”现象定能带来可观的经济效益。毕竟,正如该研究开头部分表述的那样,“葡萄栽培(Vitis vinifera L. subsp. Vinifera)是全球收益最高的作物之一。”

但是,从葡萄种植者角度而言,预防果穗紧密现象并非易事。

首先,葡萄的物理构成相当复杂,品种多样。种植者需要仔细记录每种葡萄独特基因结构所造成的成千上万种不同物理特性。其次,考虑到葡萄“马赛克”般的构成,单串葡萄就能生成大量数据,包括数量、大小、年龄等细节信息。国际葡萄与葡萄酒组织甚至还为葡萄树形态建立了基于不同特性的打分系统。然而,这类打分方式需要消耗大量的时间和人力。而且,研究作者表示,通过这种方法获得的数据最终往往夹带了主观因素和各类错误,这也是最不愿见到的后果。

本研究用于数据获取和参数提取的葡萄植株

相比而言,Artec 3D的Space Spider能提供一种更为高效、客观的葡萄结构评估方法。在实验室中,研究员使用Space Spider捕获了十串鲜食葡萄。在不同旋转速度下,完成了十次扫描。这一方法保证了Space Spider输出数据的准确性,因为不同旋转速度可以体现不同点密度。当Space Spider完成植株3D点云重现,研究员可以开始使用3D-Bunch-Tool分析数据,这是一款专门用来提取葡萄植株信息的应用程序,比如果穗大小与数量。

3D-Bunch-Tool,又称3D-BT,基于修正算法,共包含三个步骤。首先,精简高分辨率点云,用于预处理,可减少计算时间。第二,点云根据“区域”进行分割,大致划分为一颗颗独立的葡萄。最后,基于数据应用RANSAC法重建球体模型。葡萄植株的数字成像即可在最终阶段进行调整。

3D-Bunch-Tool (3D-BT)的图形用户界面

研究员对Space Spider生成的点云数据完成3D-BT操作后,其3D特征将与地面获得的实况数据进行对比。研究员在实验阶段找到了一项重要发现,数据对比结果表明,数据组间存在高度相关。这就意味着3D数据和实测数据间,差异很小。

值得注意的是,研究员指出,3D扫描法还能节省时间与成本。对比葡萄特征评估方法时,他们表示,“根据植株大小和果实总数,每一株所需的时间大约为10分钟(其他方法)。因此,这一过程需要耗费大量劳力,且对植株伤害较大。相比而言,使用Artec Space Spider和数据存储的方法来获得点云数据,每珠平均仅需一分钟,因此速度提升了十倍,性能可靠,不伤植株。此外,还能在自然的3D结构下研究植株构成。”

研究员进一步强调,尽管3D点云图像获得法由来已久,但往往需要价格不菲的激光技术,涉及诸多侵入性操作。高成本和诸多限制自然就无法吸引到研究员的目光。这就是为什么他们转而采用Artec 3D成像解决方案的原因。特别是Space Spider多功能和无创性特征,尤其深入人心,他们说道,“直接使用Artec Spider前往实地扫描,即可快速无创获得3D植株特征。”

实地表型分析应用

Space Spider另一项额外的好处就是它小巧便携,可以在几乎任何环境或研究条件下使用,包括实体考察。研究员也确实看到了实地考察过程中图像法的潜力,尤其当他们需要对大面积不同品种的植株进行对比评估时,优势更是不言而喻。通过像Space Spider这样的3D扫描解决方案,研究员可以长期追踪监测不同环境条件下的葡萄生长过程。

对于葡萄种植者而言,这项3D扫描法可以帮助他们在选种和育种时,做出更明智的选择。同时,他们也能对真菌性病害和感染做好积极的防治措施。而他们唯一要做的,就是将21世纪3D成像技术应用到千年之久的葡萄栽培科学中去。

所有引用内容来自 http://www.mdpi.com/1424-8220/18/3/763/htm

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