农业数字孪生的三维功能性植物建模框架


发布时间:

2024-03-24

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数字孪生(Digital Twin,TD)是一项核心工业4.0技术,可以虚拟复制现实世界的物体,模仿其整个生命周期的行为和状态。虽然数字孪生在制造业、交通运输和医疗保健等行业显示出巨大的好处,但它们在农业中的应用仍处于起步阶段。它们的实现也带来了重大挑战,例如动态农业对象(例如植物)的创建。关于农业中的数字孪生体的现有文献表明,它们监测物理对象的能力有限,没有预测能力,而且严重缺乏具有功能属性的植物的3D表示。然而,将植物的3D表示与数字孪生的潜在功能结合起来,可以极大地提高生长、产量和疾病预测的准确性。这种增强可以实现各种应用,例如评估和开发修剪策略,为种植者提供教育,指导修剪机器人和优化喷洒技术。为此,功能性结构植物建模(Functional structural plant modelling,FSPM)提供了一种潜在的解决方案,通过表示植物的3D结构并结合不同植物部分的功能。通过对3D植物表型和FSPM进行域分析,本研究解决了农业中数字孪生在FSPM方面的特定需求。该研究通过确定关键概念弥补了现有的知识差距,包括具有潜在功能的3D植物建模和数字孪生的3D植物表型。具体而言,提出了一个将三维FSPM集成到农业数字孪生中的框架。该框架不仅承认了现有文献中确定的相关要求和挑战,而且为农业领域数字孪生的发展奠定了基础。

 

图1  DTs的概念模型,矩形表示层内封装的功能,用正交符号表示,而箭头表示信息流。

 

图2  功能性结构植物模型工作流程。

 

图3  文献综述方法学图。

 

图4  农业领域现有DTs的分层组成。虚线表示不存在具有3D功能建模的DTs。

 

图5  提取植物表型性状的处理数据流程

 

图6  L系统中三维点云到三维结构的转换及关系增长语法。

 

图7  集成FSPM的DT控制模型体系结构。

 

来 源

Christos Mitsanis, William Hurst, Bedir Tekinerdogan, A 3D functional plant modelling framework for agricultural digital twins, Computers and Electronics in Agriculture, 2024, 108733.

 

编辑

王春颖

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