植株高度被視為評估作物生長狀態(tài)和預測產量的關鍵指標。在本研究中，我們提出了一種基于固態(tài)激光雷達技術的先進方法，旨在精準捕捉玉米生長周期中的植株高度表型特征。通過對玉米掃描點云進行分割，成功提取了單株玉米的詳細點云數(shù)據(jù)，并準確測量了莖稈信息，從而獲得了精確的植株高度信息。本研究將重點分析單株玉米的生長狀況。相比于整體玉米群體，利用固態(tài)激光雷達技術精確捕捉單株玉米的表型信息，能夠更好地還原玉米的原始生長模式，獲取更準確的植株高度數(shù)據(jù)，并展示固態(tài)激光雷達捕捉詳細表型信息的潛力。

為提升研究結果的普遍性，本研究在玉米的關鍵生長期進行數(shù)據(jù)驗證和比較，包括抽雄期、吐絲期和成熟期。在這些關鍵階段中，隨機選擇了抽雄期的20株玉米、吐絲期的40株和成熟期的40株進行分析，共計100個樣本。每個樣本不僅包含實際測量值，還包括使用點云技術提取的植株高度信息。觀察期設定為2021年6月20日至9月20日，這段時間涵蓋了上述三個關鍵生長期，每個生長期進行了一輪數(shù)據(jù)采集，每輪間隔一周，共進行三輪數(shù)據(jù)采集，總計九輪采集。為確保數(shù)據(jù)的準確性和可靠性，所有采集均在中午進行，且自然風速控制在0至1.5米/秒之間，天氣晴朗。

研究結果表明，通過激光雷達技術獲取的玉米植株高度數(shù)據(jù)的均方根誤差（RMSE）為1.27厘米，平均絕對百分比誤差（MAPE）約為0.77%，峰值R²為0.99。這些指標表明該方法在捕捉植株高度信息方面具有較高的效率和精確度。在不同莖稈生長階段的比較研究中，尤其是在成熟期，植株高度的MAPE降至0.57%，相比于結節(jié)期和萌芽期的表現(xiàn)有顯著改善。研究結果有效證明了基于固態(tài)激光雷達技術的玉米表型信息提取方法不僅準確高效，而且在單株植物上同樣適用，為將該技術應用于更大范圍的植物群體乃至整個農田提供了可靠的參考。

圖1 研究地點的地理位置和田間圖像

左側的兩張圖表示本研究的實驗地點位于中國廣東省廣州市增城區(qū)的華南農業(yè)大學實驗基地（東經113°38'38"，北緯23°14'34"）。右側的子圖顯示了數(shù)據(jù)采集測試田地的俯視圖，其中紅框標記的主要部分為玉米種植區(qū)

圖2 激光雷達掃描方法的示意圖

(a) 展示了單幀激光雷達掃描生成的玉米點云效果；(b) 描繪了單幀激光雷達掃描的點云檢測范圍；(c) 顯示了由連續(xù)多幀激光雷達掃描合成的玉米點云效果；(d) 展示了連續(xù)多幀激光雷達掃描的點云檢測范圍

圖3 (A) 顯示了在田間使用 Livox Mid-40 激光雷達進行玉米植株點云數(shù)據(jù)采集的場景。(B) 展示了數(shù)據(jù)采集過程：點 (a)、點 (b) 和點 (c) 是激光雷達的放置位置，點 (d) 是目標玉米區(qū)域，點 (e) 代表非目標玉米區(qū)域。(C) 顯示了工作條件：點 (f) 是激光雷達，點 (g) 是三腳架，點 (h) 是地面，點 (i) 是激光雷達的掃描范圍，點 (j) 是激光可訪問的玉米區(qū)域，點 (k) 是不可掃描的玉米區(qū)域，點 (l) 是激光的軌跡

圖4 不同生長階段玉米株高的測量標準由人工完成

( A )人工測量拔節(jié)期玉米株高的標準。( B )開花灌漿期和成熟期人工測量玉米株高的標準

圖5 這是使用固態(tài)激光雷達提取多表型玉米植株高度信息的技術路線圖，圖中使用了幾個關鍵術語。ICP 代表迭代最近點算法（Iterative Closest Point）；MAPE 是平均絕對百分比誤差；RSE 表示均方根誤差。'TSR' 和 'TLR' 分別表示真莖率和真葉率；SPV 和 LPV 對應于莖部預測值和葉片預測值。最后，ACC 用于衡量給定測量值（TS 和TL）與其真實值之間的接近程度

圖6 ICP配準過程的示意圖。(A) 需對齊的單株玉米的源點云；(B) 單株玉米的參考點云；(C) 源點云與參考點云配準后的結果

圖7 濾波處理前后玉米植株的點云圖和視點特征直方圖( VFH )。快速點特征直方圖( Fast Point Feature Histogram，F(xiàn)PFH )是一種三維點云特征描述子算法，通過局部幾何直方圖高效地捕獲每個點的空間關系。它簡化了傳統(tǒng)PFH的計算，顯著提高了處理速度，降低了資源消耗。FPFH的魯棒性使其適用于多種3D視覺任務

圖8 基于點云的莖葉分割結果的混淆矩陣。( A )基于濾波點云的莖葉分割結果混淆矩陣。( B )基于原點云的莖葉分割結果混淆矩陣

圖9 以下是玉米莖識別與分割的部分可視化結果：(A, B) 分別展示了玉米在成熟期不完整點云模型的莖分割效果，作為示例1和示例2；(C) 展示了玉米在成熟期完整點云模型的分割效果；(D-F) 分別展示了玉米在抽雄期完整點云模型的分割效果，作為示例1、示例2和示例3

圖10 各時期玉米株高實測值與提取值的比較