Estimation of the height and angles of orientation of the upper leaves in the maize canopy using stereovision

La mise au point de maquettes 3-D des cultures par voies informatique ou physique répond au souci d’effectuer diverses simulations : interception du rayonnement, échanges radiatifs, simulation de la réflectance en télédétection, étude du fonctionnement de la plante et de la compétition entre espèces. La construction de telles maquettes, fondée sur des hypothèses géométriques simples et sur des règles de production (croissance, ramification,...), pose 2 problèmes : la nécessité d’effectuer de nombreuses mesures au champ (hauteur et orientation des feuilles) et la validation de la maquette à l’échelle de la parcelle. Le présent article décrit une méthode de saisie et de reconstruction 3-D basée sur la stéréovision, c’est-à-dire sur l’acquisition de données à partir de 2 caméras ou de 2 appareils photographiques synchronisés. Dans un premier temps, on montre que la méthode de calibration de Toscani (Toscani, 1988) peut être utilisée en conditions réelles au champ. La méthode est ensuite appliquée à un couvert de maïs adulte (hauteur 2,50 m) en raison de la commodité qu’offre ce couvert pour effectuer les mesures de contrôle au champ. On montre que la méthode est pertinente pour l’estimation des coordonnées X, Y,Z de points caractéristiques des limbes et des tiges. La capacité de la méthode à fournir les angles d’inclinaison des feuilles a également été testée et a été jugée acceptable. Seules les feuilles appartenant aux 4 strates supérieures ont été reconstruites en raison du problème posé par les parties cachées. Ce problème est discuté et on montre en particulier comment des informations extérieures sur la structure de la culture peuvent venir compléter les données issues de la stéréovision.

3D models of vegetation have been constructed to allow various simulations, such as the interception of incoming radiation, radiative transfer, reflectance simulation in remote sensing, study of plant function, and interspecies competition. The construction of such 3-D models is based upon simple geometric assumptions and several production rules (eg, growing, branching). It poses 2 problems: the acquisition of a large amount of data on leaf heights and orientation angles in the field; and the validation of the model and assessment of its suitability on the scale of the field. This paper presents a method of 3D acquisition and reconstruction based upon stereovision, ie upon the acquisition of data using 2 synchronized CCD or photographic cameras. We first show that Toscani’s method of camera calibration can be used under real conditions in the field. We then apply the method to a tall maize canopy (2.50 m high) because this canopy allows easy control measurements to be made in the field. Results on the estimation of position and orientation of the leaves are presented. This method allows the estimation of the X, Y and Z coordinates of characteristic points of laminae and stems. The ability of the method to provide inclination angles of the leaves was evaluated to be rather good. Only the leaves belonging to the 4 upper layers were reconstructed because of the difficulties due to hidden areas. This problem is discussed and we show how auxilliary information on crop structure may be complementary to data obtained from stereovision.