Poplar-Studio: skeleton-guided reconstruction of editable 3D poplar seedling models from multi-view point clouds

准确且拓扑一致的三维植物模型对于定量表型分析和功能-结构植物模型（FSPMs）的初始化具有重要意义。运动恢复结构与多视角立体（SfM–MVS）重建能够以低成本生成密集的植物点云，但这些点云缺乏明确的器官连接关系、结构角色和可编辑几何。我们开发了Poplar-Studio，一个集成的拓扑保持建模框架，可将多视角衍生的杨树幼苗点云转换为标准Blender/OBJ格式的可编辑、器官解析的结构模型。该框架由三个设计特性定义。第一，通过两类分割将叶片与聚合茎系统分离，聚合茎系统经拉普拉斯收缩和最小生成树构建被压缩为骨架图。主茎、叶柄、连接点和末端角色从该图中恢复，无需点级别的主茎/叶柄标签，并转换为差异化的参数化几何。第二，每个叶片直接从其自身点云重建，在PCA对齐的局部坐标系中作为边界约束的开放曲面，而非从通用叶片模板实例化。第三，两个分支被集成到统一的度量坐标系中，其中主茎、各叶柄和各叶片保持为可单独编辑的器官级对象，使框架最终输出完整的数字植物模型，而非中间结构表示。在240片完全展开的叶片中，重建叶面积与独立测量结果高度一致（R² = 0.943，相对RMSE = 10.3%，偏差 = 0.65 cm²），所有叶片均重建为完整、无孔洞的叶片，且在四种重建方法中，所提方法在精度、完整性和效率方面提供了最佳的整体平衡。在四种杨属基因型中，茎系统与源点云的平均Chamfer距离范围为0.143至0.227 cm。在40株植物上以1 cm叶柄匹配阈值进行的配对比较中，图引导工作流显示出比几何优先的分割后拟合基线更高的平均叶柄-分支精确率（78.4% vs 74.2%；Holm校正p = 0.015）。召回率和F1无显著差异，而与源点云的表面一致性则有利于基线（平均Chamfer距离0.14 vs 0.20 cm）。从准备好的点云出发，所提出的重建工作流每株所需时间少于2.5分钟。