雷澤宇 魏宇婷 嚴(yán)俊瀟

(塔里木大學(xué)信息工程學(xué)院，新疆 阿拉爾 843300)

引言

隨著科技的快速進(jìn)步和現(xiàn)代化的不斷深入，三維點(diǎn)云技術(shù)已經(jīng)在各個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[1-3]，并且在一些特定的場(chǎng)景中[4]，尤其是在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域[5-7]，表現(xiàn)出了巨大的應(yīng)用潛力和價(jià)值。這種先進(jìn)的技術(shù)利用高精度和高效率的空間信息，使得土地資源的精準(zhǔn)管理和作物生長(zhǎng)狀況的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)成為可能[8]。在復(fù)雜多變的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，準(zhǔn)確和及時(shí)的空間信息無(wú)疑可以為科學(xué)決策提供了重要依據(jù)，這也是實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的有效途徑。

新疆地區(qū)作為我國(guó)重要的糧食生產(chǎn)基地，同時(shí)擁有豐富的農(nóng)業(yè)資源及環(huán)境優(yōu)勢(shì)，其農(nóng)業(yè)特點(diǎn)主要體現(xiàn)在廣闊的土地面積、種類(lèi)繁多的作物以及卓越但富有挑戰(zhàn)性的自然環(huán)境[9]。然而，盡管新疆地區(qū)擁有如此豐富的優(yōu)勢(shì)和環(huán)境條件，但其農(nóng)業(yè)的生產(chǎn)效率和科技含量仍有待提高。因此在這樣的發(fā)展背景下，三維點(diǎn)云技術(shù)有可能成為提升新疆農(nóng)業(yè)生產(chǎn)水平的關(guān)鍵技術(shù)。

本文主要目標(biāo)是深入探討三維點(diǎn)云技術(shù)在新疆農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀，并詳細(xì)分析新疆地區(qū)在引入和應(yīng)用三維點(diǎn)云技術(shù)過(guò)程中所面臨的各種挑戰(zhàn)和可能的發(fā)展機(jī)遇。為此，本文涉及到三維點(diǎn)云技術(shù)的基本原理和一些主要的應(yīng)用方法，研究這種技術(shù)在新疆的農(nóng)業(yè)各個(gè)子領(lǐng)域中的具體應(yīng)用案例，如作物生長(zhǎng)監(jiān)測(cè)[10]，自然資源評(píng)估[11，12]等；分析應(yīng)用三維點(diǎn)云技術(shù)在新疆農(nóng)業(yè)領(lǐng)域所面臨的具體困難，以及如何利用這種技術(shù)找到合理的解決方案；對(duì)三維點(diǎn)云技術(shù)在新疆農(nóng)業(yè)未來(lái)發(fā)展的趨勢(shì)進(jìn)行深入展望。

1 三維點(diǎn)云技術(shù)簡(jiǎn)介

如同前文所述，三維點(diǎn)云技術(shù)在新疆地區(qū)農(nóng)業(yè)中有著顯著的應(yīng)用潛力。以深入了解其潛力，要提及的是三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)的采集方法。盡管有多種技術(shù)用于采集三維數(shù)據(jù)，但在大規(guī)模及復(fù)雜環(huán)境下獲取準(zhǔn)確點(diǎn)云數(shù)據(jù)，主要采用的方法是激光雷達(dá)、光學(xué)相機(jī)以及深度相機(jī)。

激光雷達(dá)[13]，即Light Detection and Ranging，其通過(guò)發(fā)出激光束并接收反射回的激光信號(hào)，計(jì)算光線(xiàn)傳播的時(shí)間，從而精確獲得被測(cè)目標(biāo)的三維坐標(biāo)，生成大量的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。而光學(xué)相機(jī)主要通過(guò)結(jié)構(gòu)光或雙目立體視覺(jué)等方式，獲取物體的色彩和形狀信息，生成帶有顏色信息的點(diǎn)云數(shù)據(jù)[14]。深度相機(jī)則通過(guò)發(fā)射和接收紅外光線(xiàn)，測(cè)量物體到相機(jī)的距離，從而獲取點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

采集到原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)后，需要通過(guò)數(shù)據(jù)處理來(lái)提升其使用價(jià)值。一般來(lái)說(shuō)，這個(gè)過(guò)程包括點(diǎn)云配準(zhǔn)、點(diǎn)云分割以及點(diǎn)云分類(lèi)等步驟[15]。

點(diǎn)云配準(zhǔn)，也稱(chēng)為數(shù)據(jù)融合，是把從不同視角或不同時(shí)間采集到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，通過(guò)坐標(biāo)變換合并到同一坐標(biāo)系中[16]。這樣可以得到更全面、更大范圍的點(diǎn)云模型。

點(diǎn)云分割是指根據(jù)點(diǎn)云數(shù)據(jù)的空間關(guān)系或點(diǎn)云特征對(duì)點(diǎn)云進(jìn)行劃分，從而得到具有特定形狀或者具有特定屬性的一個(gè)個(gè)小的點(diǎn)云集，這在物體檢測(cè)、物體識(shí)別等任務(wù)中至關(guān)重要。

點(diǎn)云分類(lèi)，是指通過(guò)各種分類(lèi)算法，根據(jù)點(diǎn)云的幾何特性、拓?fù)潢P(guān)系等對(duì)點(diǎn)云進(jìn)行類(lèi)別標(biāo)注，如區(qū)分出樹(shù)木、建筑物、地面等類(lèi)別，對(duì)于進(jìn)一步的圖形學(xué)分析有著深遠(yuǎn)意義。

綜合可以看出，三維點(diǎn)云技術(shù)包括了數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理2大步驟，每一步驟中都涉及到一系列的技術(shù)和方法。這種技術(shù)對(duì)于處理和理解復(fù)雜的三維環(huán)境信息至關(guān)重要。

2 三維點(diǎn)云在新疆農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用

理解三維點(diǎn)云技術(shù)的基本原理和處理方法后，更深一層地探索此項(xiàng)技術(shù)在新疆豐富和復(fù)雜的農(nóng)業(yè)環(huán)境中具體如何應(yīng)用。新疆作為我國(guó)重要的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)基地，廣闊的土地和獨(dú)特的氣候環(huán)境孕育出稀有且豐富的農(nóng)業(yè)資源。在此背景下，引入技術(shù)手段以提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率和精準(zhǔn)度尤為重要。就此，三維點(diǎn)云技術(shù)便顯現(xiàn)出重要的實(shí)用價(jià)值，主要在作物生長(zhǎng)監(jiān)測(cè)與分析、資源與環(huán)境評(píng)估以及農(nóng)業(yè)機(jī)械導(dǎo)航與作業(yè)精準(zhǔn)化等方面發(fā)揮關(guān)鍵作用。

就作物生長(zhǎng)監(jiān)測(cè)與分析來(lái)說(shuō)，利用激光雷達(dá)等設(shè)備獲取的大量點(diǎn)云數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)后續(xù)處理，研究者可以對(duì)作物生長(zhǎng)狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。具體來(lái)說(shuō)，通過(guò)點(diǎn)云數(shù)據(jù)，可以對(duì)作物的高度、冠幅、體積等關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量，這對(duì)作物的生長(zhǎng)情況提供了可量化的評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)。此外，通過(guò)對(duì)連續(xù)采集的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)間序列分析，也能夠得出作物的生長(zhǎng)趨勢(shì)，以此進(jìn)行長(zhǎng)勢(shì)評(píng)估。清晰、直觀(guān)地展現(xiàn)作物的生長(zhǎng)狀況，有助于準(zhǔn)確判斷和預(yù)測(cè)作物的產(chǎn)量，從而引導(dǎo)農(nóng)民進(jìn)行合理的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)管理。

點(diǎn)云技術(shù)還能夠?qū)崿F(xiàn)作物病蟲(chóng)害的早期檢測(cè)。利用高密度的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，可以精細(xì)地描繪作物的形態(tài)特征，進(jìn)一步結(jié)合光譜信息，將對(duì)作物病蟲(chóng)害的發(fā)現(xiàn)從宏觀(guān)層面推進(jìn)到微觀(guān)層面。這代表著一種全新、有效而又非破壞性的作物病蟲(chóng)害檢測(cè)方式，顯著提高了農(nóng)業(yè)病害預(yù)防及控制的準(zhǔn)確性。

三維點(diǎn)云技術(shù)也在農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境評(píng)估領(lǐng)域起到了重要作用，尤其對(duì)于資源稀缺的新疆地區(qū)來(lái)說(shuō)，如何有效評(píng)估和管理農(nóng)業(yè)資源是一項(xiàng)非常重要的任務(wù)。三維點(diǎn)云可以為土壤質(zhì)量分析提供重要依據(jù)。利用激光雷達(dá)、深度相機(jī)等設(shè)備，獲取到的高密度、高精度的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，可以提供關(guān)于地形、地貌的詳細(xì)信息。處理后的數(shù)據(jù)能夠揭示土壤的質(zhì)地、濕度等關(guān)鍵參數(shù)，從而為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供更全面的參考信息。

三維點(diǎn)云技術(shù)以及相關(guān)的地理信息系統(tǒng)可以用于水資源的監(jiān)控與管理。新疆地區(qū)水資源短缺，如何科學(xué)利用和管理水資源成為一大挑戰(zhàn)。三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)可以提供地表水平和立體的精確信息，如流域形態(tài)、河床深度等。能夠幫助研究人員和政策制定者更精準(zhǔn)地評(píng)估和預(yù)測(cè)水資源狀態(tài)，更有效地分配水資源，提高水資源的使用效率。

對(duì)于作物覆蓋度的變化進(jìn)行監(jiān)測(cè)，也是點(diǎn)云技術(shù)的一項(xiàng)重要應(yīng)用。通過(guò)測(cè)繪得到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，可以準(zhǔn)確揭示作物覆蓋度的變化情況，而這對(duì)于了解和預(yù)測(cè)作物生命周期具有重要意義。通過(guò)長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)和評(píng)估作物覆蓋的變化，研究人員可以更精準(zhǔn)地預(yù)測(cè)作物的生長(zhǎng)周期及其對(duì)環(huán)境變化的影響，從而為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)決策提供重要的數(shù)據(jù)支持。

從農(nóng)業(yè)機(jī)械導(dǎo)航與作業(yè)精準(zhǔn)化的角度，三維地形數(shù)據(jù)可以為精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)提供重要技術(shù)支撐。農(nóng)耕機(jī)械如拖拉機(jī)、播種機(jī)、收割機(jī)等操作過(guò)程中，需要依賴(lài)精確的地形信息來(lái)規(guī)劃作業(yè)路線(xiàn)并預(yù)測(cè)可能的障礙。三維地形模型提供了這種可能性，使得農(nóng)機(jī)作業(yè)更加精準(zhǔn)、高效。

采集的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)還可以用來(lái)監(jiān)測(cè)農(nóng)業(yè)作業(yè)的效率與質(zhì)量。如通過(guò)分析農(nóng)田的三維數(shù)據(jù)，可以監(jiān)測(cè)農(nóng)田的整地平整度，這是保證播種質(zhì)量的重要前提。此外，從點(diǎn)云數(shù)據(jù)中可以識(shí)別出農(nóng)田中的障礙物，如石頭、坑洼等，將有助于作業(yè)機(jī)械的避障，進(jìn)而保證農(nóng)業(yè)作業(yè)的質(zhì)量。

綜上所述，三維點(diǎn)云技術(shù)在新疆農(nóng)業(yè)的應(yīng)用至關(guān)重要。無(wú)論是從作物生長(zhǎng)狀況的監(jiān)測(cè)，環(huán)境和資源的評(píng)估，還是農(nóng)業(yè)機(jī)械操作的精準(zhǔn)化等方面，都顯現(xiàn)出了巨大的應(yīng)用空間和優(yōu)越性能。這是三維點(diǎn)云技術(shù)并非單純地被動(dòng)適應(yīng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的現(xiàn)有需求，更是一種創(chuàng)新的驅(qū)動(dòng)，引領(lǐng)新疆農(nóng)業(yè)向著更精準(zhǔn)、更高效、更有持續(xù)性的方向發(fā)展。

3 新疆地區(qū)三維點(diǎn)云在農(nóng)業(yè)應(yīng)用方面的挑戰(zhàn)與機(jī)遇

盡管三維點(diǎn)云技術(shù)在新疆農(nóng)業(yè)應(yīng)用方面呈現(xiàn)出廣闊的前景，但在實(shí)際操作過(guò)程中，依然存在一些技術(shù)和應(yīng)用方面的挑戰(zhàn)需要克服。

3.1 技術(shù)挑戰(zhàn)

3.1.1 數(shù)據(jù)采集與處理速度

對(duì)于大規(guī)模的農(nóng)田應(yīng)用，點(diǎn)云技術(shù)的數(shù)據(jù)采集和處理速度是一大挑戰(zhàn)。特別是對(duì)于數(shù)據(jù)處理，如點(diǎn)云配準(zhǔn)、分割[17]和分類(lèi)等，對(duì)計(jì)算資源需求較大，以目前的技術(shù)，處理大量的點(diǎn)云數(shù)據(jù)往往需要較長(zhǎng)的時(shí)間。因此，如何通過(guò)算法優(yōu)化提高點(diǎn)云處理的效率，是需要解決的技術(shù)問(wèn)題。

3.1.2 數(shù)據(jù)精度與穩(wěn)定性

盡管激光雷達(dá)和深度相機(jī)等設(shè)備能夠采集高精度的數(shù)據(jù)，但由于各種原因，如設(shè)備抖動(dòng)、天氣變化等，可能會(huì)影響到數(shù)據(jù)的精度和穩(wěn)定性。因此，如何保證數(shù)據(jù)采集設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行，以及采集到的數(shù)據(jù)的可靠性，是需要克服的技術(shù)挑戰(zhàn)。

3.2 實(shí)際應(yīng)用挑戰(zhàn)

3.2.1 投資成本

三維點(diǎn)云技術(shù)及其相關(guān)設(shè)備的引入，需要一定的投資成本。對(duì)于部分經(jīng)濟(jì)條件較為困難的農(nóng)戶(hù)，可能難以承擔(dān)這些設(shè)備的費(fèi)用和維護(hù)成本。因此，如何通過(guò)政策引導(dǎo)、金融支持等方法，降低農(nóng)戶(hù)的使用成本，是推廣點(diǎn)云技術(shù)的關(guān)鍵。

3.2.2 技術(shù)普及與培訓(xùn)

雖然三維點(diǎn)云技術(shù)的潛力巨大，但其應(yīng)用和操作相對(duì)復(fù)雜，需要一定的專(zhuān)業(yè)知識(shí)和技能。因此，對(duì)農(nóng)戶(hù)和相關(guān)人員的技術(shù)培訓(xùn)，是三維點(diǎn)云技術(shù)在新疆農(nóng)業(yè)應(yīng)用的一大挑戰(zhàn)。

3.2.3 整合現(xiàn)有農(nóng)業(yè)管理系統(tǒng)

新疆地區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)具有一定的管理體系，而三維點(diǎn)云技術(shù)的引入可能會(huì)對(duì)現(xiàn)有的管理體系產(chǎn)生沖擊。因此，如何有效地將三維點(diǎn)云技術(shù)融入到現(xiàn)有的農(nóng)業(yè)管理系統(tǒng)，是一項(xiàng)重要任務(wù)。

3.3 發(fā)展機(jī)遇

3.3.1 政策支持

近年來(lái)，國(guó)家在農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化方面給予了極大的支持，包括對(duì)新技術(shù)引入的優(yōu)惠政策，為農(nóng)業(yè)應(yīng)用三維點(diǎn)云技術(shù)創(chuàng)造了良好的條件。

3.3.2 行業(yè)需求與市場(chǎng)潛力

隨著農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的推進(jìn)，對(duì)于高效、精準(zhǔn)的農(nóng)業(yè)設(shè)備和技術(shù)的需求越來(lái)越大。這為三維點(diǎn)云技術(shù)在農(nóng)業(yè)應(yīng)用方面開(kāi)辟了廣闊的市場(chǎng)。

3.3.3 創(chuàng)新與國(guó)際合作

點(diǎn)云技術(shù)的發(fā)展，需要科研力量的持續(xù)創(chuàng)新，從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，國(guó)際間的合作也將帶來(lái)技術(shù)的交流和發(fā)展，為新疆農(nóng)業(yè)應(yīng)用三維點(diǎn)云技術(shù)提供動(dòng)力。

雖然新疆地區(qū)在應(yīng)用三維點(diǎn)云技術(shù)進(jìn)行農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的過(guò)程中存在一定的挑戰(zhàn)，但隨著技術(shù)的日益成熟和市場(chǎng)的需求，以及政策的支持，有理由相信，三維點(diǎn)云技術(shù)在新疆農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用將更加廣闊。

4 結(jié)論

三維點(diǎn)云技術(shù)在新疆農(nóng)業(yè)領(lǐng)域中已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用，從實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)作物生長(zhǎng)狀況，到分析、評(píng)估農(nóng)業(yè)資源和環(huán)境，再到農(nóng)業(yè)機(jī)械操作的精準(zhǔn)化，這一技術(shù)的應(yīng)用可謂是相得益彰，大大提高了新疆農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的效率轉(zhuǎn)化，使這片廣闊的土地得以更好地利用和管理。

然而也必須看到，新疆地區(qū)在應(yīng)用三維點(diǎn)云技術(shù)中仍面臨一些挑戰(zhàn)，包括數(shù)據(jù)采集和處理速度的提升，數(shù)據(jù)精度與穩(wěn)定性的保證，以及實(shí)際應(yīng)用中的投資成本、技術(shù)普及與培訓(xùn)以及如何整合到現(xiàn)有農(nóng)業(yè)管理系統(tǒng)等問(wèn)題，這要求在未來(lái)的研究和應(yīng)用中，不斷尋求相應(yīng)的解決策略和方法。

與此同時(shí)，新疆地區(qū)三維點(diǎn)云技術(shù)在農(nóng)業(yè)應(yīng)用中的發(fā)展機(jī)遇不容忽視。隨著政策的力度加大與農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的逐步推進(jìn)，以及科研力量的不斷創(chuàng)新和國(guó)際合作，三維點(diǎn)云技術(shù)的發(fā)展將有一個(gè)廣闊的天地。

未來(lái)，有理由對(duì)新疆地區(qū)三維點(diǎn)云技術(shù)在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用充滿(mǎn)期待。期待帶著挑戰(zhàn)和機(jī)遇，三維點(diǎn)云技術(shù)將會(huì)對(duì)新疆地區(qū)的農(nóng)業(yè)產(chǎn)生更深遠(yuǎn)的影響，推動(dòng)新疆農(nóng)業(yè)的問(wèn)題得以解決，從而走上一個(gè)更加精準(zhǔn)、更加高效的農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化之路。