Важность реалистичных 3D-моделей растительного покрова для анализа перехвата света в полевых условиях

Понимание сложного взаимодействия света и растительного покрова (канопи) критически важно для повышения урожайности и устойчивости сельскохозяйственных культур.

Традиционные методы измерения перехвата света с помощью датчиков фотосинтетически активной радиации и расчёта индекса листовой поверхности плохо справляются со сложной пространственной структурой канопи. Современные подходы используют 3D-модели и оптическое моделирование, но создание реалистичных 3D-моделей канопи (RCM) в полевых условиях остаётся сложной задачей.

В августе 2023 журнал Plant Phenomics опубликовал исследование, в котором проведён сравнительный анализ перехвата света между реалистичной 3D-моделью канопи кукурузы (RCM) и виртуальными моделями канопи (VCM).

Методология:

  • Реалистичная модель (RCM) для большой площади была создана с помощью беспилотного летательного аппарата (UAV/BПЛА), использующего маршрут cross-circling oblique (CCO), и метода Structure-from-Motion Multi-View Stereo (SfM-MVS).
  • Три виртуальные модели (VCM-1, VCM-4, VCM-8) были созданы путём репликации 1, 4 и 8 реалистичных растений из центра RCM.

Ключевые результаты:

  1. Точность моделей: Восстановленные 3D-модели показали высокую точность в оценке размеров листьев (подтверждено значениями R² и RMSE).
  2. Отклонение в перехвате света: Наблюдались значительные отклонения в суточном перехвате света на единицу площади (DLI) между VCM и RCM:
    • VCM-1: относительная среднеквадратическая ошибка (rRMSE) = 20.22%
    • VCM-4: rRMSE = 17.38%
    • VCM-8: rRMSE = 15.48%
    • Отклонение уменьшалось с увеличением числа растений в виртуальной модели, но оставалось значительным даже для VCM-8.
  3. Влияние стадии роста: Различия между RCM и VCM были меньше на 48-й день после посева (DAS), чем на 70-й DAS. Это указывает на то, что по мере созревания растений вариация в структуре канопи и перехвате света становится более выраженной.
  4. Структурные различия: С увеличением плотности канопи одномерные фенотипические различия (высота растений, покрытие) между моделями уменьшались, а двумерные и трёхмерные (индекс площади растений, коэффициент вариации) — увеличивались. Это означает, что RCM лучше отражает структурную сложность канопи, особенно для плотных покровов.

Вывод:

Исследование подтвердило, что реалистичные 3D-модели канопи (RCM) обеспечивают более точное представление о перехвате света в полевых условиях, особенно на поздних стадиях роста. Работа подчёркивает важность учёта реалистичной 3D-структуры канопи для точного анализа распределения света.

Остающиеся вызовы: Сохраняется проблема точного извлечения информации об углах наклона листьев из 3D-облаков точек, что указывает на необходимость дальнейших исследований и инновационных методов для сегментации отдельных растений и листьев.

2023-12-29