aBIOTECH | 上海农科院/宏表型实验室联合开发基于智能手机的三维表型测量技术

在智慧农业与精准育种快速发展的背景下，植物三维表型（3D Phenotyping）已成为研究热点。相比二维方法，三维表型能精准获取体积、冠层结构、生物量等关键形态参数，有效克服信息丢失问题。然而，当前主流的单目3D重建技术（如SfM、MVS）存在尺度信息缺失的固有短板，重建模型仅能反映形态比例，无法获取真实物理尺寸，严重限制了其在田间表型量化与动态监测等场景中的应用。针对该问题，现有方法均存在明显局限：（1）3D标定物法成本高，在遮挡严重的田间环境中易失效；（2）棋盘格/ArUco板标定法对光照和遮挡敏感，检测误差大，且操作繁琐。因此，研发操作简便、在复杂田间环境下保持尺度恢复稳健性的技术方案，已成为推动植物三维表型实用化的关键突破口与核心问题。

近日，上海市农业科学院设施园艺研究所和宏表型实验室联合在aBIOTECH 发表了题为“Hi MagicRing, tell me where I am: Toward affordable, physically-reliable 3D plant phenotyping with MobilePheno3D”的研究论文。在该研究中，作者开发了“小魔环”（MagicRing）——一种基于普通A4纸打印、融合三维几何约束的尺度恢复新方法，并在此基础上构建了MobilePheno3D系统。该系统仅需一部普通智能手机，环绕植物拍摄一段视频，即可全自动实现从原始视频到带有物理尺度与标准坐标系的三维点云的完整转化。

“小魔环”的核心是一个印在A4纸上的红色圆环（外径已知）。它既是物理尺度参照物，也是确立空间坐标系的“锚点”。如图1所示，其操作流程分为四步：（1）多视图重建；（2）旋转矩阵和缩放因子估计；（3）圆拟合鲁棒性评估；（4）尺度恢复。其核心是实现从“像素”到“毫米”的转换。

图1. 技术细节图解

该技术具备全场景、多物种的广泛适用性。

（1）跨物种与器官：成功应用于小麦、水稻、玉米及其根系的三维重建，能够精准提取株高、冠层宽度、叶面积及空间占用率等关键参数 （图2）。

图2. 不同植株的重建效果以及分析

（2）全生长周期监测：通过对青菜进行长期连续拍摄，系统清晰记录了其生长阶段的形态演变（图3）。

图3. 青菜不同生长时期的表型参数

（3）复杂环境适应性：经过系统验证，MagicRing在光照剧烈变化、背景复杂、甚至严重遮挡的田间环境下，依然能保持高精度尺度还原（图4-5） 。

图4. 复杂环境下MagicRing的提取效果

图5. 光照剧烈变化下MagicRing的提取效果

综上所述，基于小魔环尺度恢复技术的MobilePheno3D系统，将原本复杂的实验室级三维重建真正“平民化”。该系统证明无需依赖昂贵的激光雷达设备，仅通过纸张与智能手机，即可为数字化育种研究提供高精度的植物三维表型数据支撑。从“无根之木”到“有据可依”，小魔环赋予植物点云真实的世界坐标；MobilePheno3D系统则进一步降低了高精度三维表型分析的技术门槛与应用成本，推动该技术向田间实际应用场景延伸。

该研究得到了上海市关键技术研发计划（25N32800100）、上海市科技创新行动计划（23N11900200）、上海市农业科学院卓越团队项目（农科卓2022(007)）和慧诺基金的资助。宏表型实验室郑玉辉、上海市农业科学院设施园艺研究所高璐和宏表型实验室张佳菲为论文共同第一作者；上海市农业科学院设施园艺研究所朱为民研究员、李晓锋研究员和宏表型实验室韩志国博士为论文共同通讯作者。上海市农业科学院设施园艺研究所缪黎明，朱红芳，杨学东，张鼎宇共同参与了本研究工作。

引用本文：

Zheng Y, Gao L, Zhang J, Miao L, Zhu H, Yang X, et al. Hi MagicRing, tell me where I am: Toward affordable, physically reliable 3D plant phenotyping with MobilePheno3D. aBIOTECH 2026:100045.

https://doi.org/10.1016/j.abiote.2026.100045