Calcul de volume de bois et de surface foliaire sur des modèles 3D de plantes

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Pour ce sujet, il est possible de bénéficier d'un encadrement spécifique sur le thème des méthodes agiles. Pour plus de détails, voir la page Méthodes agiles en projet de spécialité.

Cadre du projet

  • Encadrant : Franck Hétroy.
  • Nombre d'étudiants : 3 à 4.
  • Prérequis : notions de géométrie, programmation C++, interface graphique issu du projet de modélisation et programmation C++ MMIS. Avoir suivi les cours de graphique 3D et modélisation géométrique est un plus.

Contexte

Dans le domaine agronomique, botanique ou forestier, les ingénieurs et les chercheurs ont besoin de faire des mesures sur des plantes et des arbres : volume de bois, surface foliaire, distribution spatiale des feuilles, ... Pour l'instant, ces mesures se font par digitalisation : des capteurs (type Polhemus) sont placés aux frontières entre les différents éléments constituant la plante (branches, tiges, feuilles, etc.), et calculent les coordonnées 3D des points récupérés. Ensuite, chaque élément est modélisé par une forme géométrique particulière (cylindre ou cône tronqué pour une branche ou une tige, polygone le plus souvent plan pour une feuille). Cette digitalisation est faite manuellement, et souffre de deux défauts majeurs : le processus est très long (plusieurs heures voire plusieurs jours pour une seule plante !) et très approximatif.

Nous travaillons, en partenariat avec un chercheur en sylviculture, sur un projet de recherche dont le but est de résoudre ces problèmes en remplaçant ce processus de digitalisation par un scan laser de la plante. On récupère alors un nuage de points 3D, non structuré, décrivant la plante. Nous avons développé un algorithme qui permet de segmenter ce nuage en régions associées aux entités élémentaires de la plante : branches, tiges, pétioles, feuilles [1] (voir les images ci-dessous).

Poplar-seg.png Eucalyptus-seg.png
Deux exemples de plantes segmentées : une souche de peuplier et un eucalyptus.

Il reste maintenant à calculer, le plus précisément possible, les quantités réclamées par les botanistes à partir de ces régions. Nous nous intéresserons principalement au volume de bois, à partir des branches et des tiges de la plante, et à la surface foliaire.

Travail demandé

L'objectif du projet est de définir et d'implémenter (en C++) des algorithmes de calcul du volume de bois total et de surface foliaire, indépendamment pour chaque feuille, à partir des points 3D appartenant aux branches et tiges et aux feuilles, respectivement. Ces algorithmes devront être robustes : les résultats de la segmentation ne sont pas parfaits et un certain nombre de points sont attribués à tort à une entité (branche, tige ou feuille). On partira de deux hypothèses : les branches et tiges ont des formes cylindriques par morceaux, et les feuilles sont des surfaces (non nécessairement planes). On pourra ainsi essayer de trouver le meilleur (ensemble de) cylindres correspondant à un nuage de points 3D, par exemple par une approche probabiliste type RANSAC dans le cas des branches et des tiges, et la meilleure triangulation (2D) correspondant à un nuage de points 3D dans le cas des feuilles. Le terme "meilleur" reste à définir (distance moyenne sur l'ensemble des points ?).

Les algorithmes conçus devront être testés et évalués sur des données réelles fournies par l'encadrant.

Bibliographie

  • [1] D. Boltcheva, E. Casella, R. Cumont, F. Hétroy, "A spectral clustering approach of vegetation components for describing plant topology and geometry from terrestrial waveform LiDAR data", International Conference on Functional-Structural Plant Models (FSPM 2013).

Détails techniques

La programmation se fera en C++, sous Linux. Pour la visualisation, vous reprendrez l'interface graphique développée en projet de modélisation et programmation C++ MMIS, ou une autre interface déjà développée de votre choix. Le développement de l'interface ne fait pas partie du projet.