结合图像重建和L系统的虚拟植物原型系统设计

为模拟植物的生长或形态特性，探索提出了一种结合图像重建和L系统的虚拟植物可视化原型系统；植物主干采用L系统生成；植物细节对视觉效果影响较小，采用植物器官表面重建；采用规则建模来提高模型的可控性，基于图像重建得到更好的可视效果。试验表明该文方法能够降低建模复杂度，较好实现虚拟植物的可视化展现。     

虚拟树木形态结构的交互式编辑技术及其实现

为解决传统田间管理中树木剪枝操作不可逆的问题,该研究提出了一种虚拟树木形态结构交互式编辑方法。首先采用参数化方法开展树木形态结构三维建模;然后基于后缓冲区技术提出一种结合树木层级拓扑结构的枝干交互式拾取方法,并利用OpenGL（Open Graphics Library）渲染技术实现整枝删除、枝段修剪、枝干长度或半径调整等交互式编辑功能。最后,以园林绿化树木中常见的特殊冠型为约束模型,快速、直观地模拟树木树冠综合整形过程。该技术不仅扩展了参数化单株植物建模系统的功能,还为树木栽培与养护管理中修型整枝或株型设计提供了一个数字化、可视化、智能化的新手段。     

植物共享光照资源的生长模型改进及可视化仿真

为了模拟共享光照资源情况下的植物生长情况,该文以FON(field-of-neighbo urhood)模型为基础,对影响圈从形状和阴影深浅程度两方面加以改进,提出了共享光照资源植物的一种生长建模方法。该方法引入了植物生长地的纬度值、植物遮光率因子以及植物自身对光的敏感特性等地理学和生物学参数,以更真实地模拟植物在共享光照资源时的生长规律。为了验证共享光照资源植物的生长建模方法的有效性,该文以生物量数据为基础对水曲柳和落叶松的人工混交林的生长情况进行试验结果比较与分析。此外,该文开发了支持共享光照资源的植物生长模拟系统,对不同植物在共享光照资源中所表现出的生长情况进行可视化模拟。仿真试验结果表明,共享光照资源植物的生长建模方法具有较好的准确性和实用性,可以用于实际植物的生长过程模拟。     

国外作物生长模型区域应用中升尺度问题的研究

系统研究总结了小区或田间尺度上开发的作物生长动力模拟模型应用于更大区域尺度和更高级系统水平时 ,易发生环境变量的时空变异、响应变量的空间归并以及由于空间平均、时间变异和现有模型未考虑的新特性及其新过程时所产生的偏差等升尺度问题 ,归纳并提出有效控制和减小误差的方法     

基于形态模型的小麦器官和单株虚拟生长系统研究

为更加直观的展示小麦的整个生长过程，同时为教学科研提供支持，将系统分析方法和数学建模技术应用于小麦植株的形态建成，通过对小麦形态数据的定量分析，并结合前人的研究成果，构建了小麦形态建成模拟模型，包括叶片形态建成子模型(包括叶长、叶形、叶面积、叶片空中伸展曲线、茎叶夹角、叶色和叶片衰亡)、茎形态建成子模型(包括茎长和茎粗)、叶鞘形态建成子模型(包括叶鞘长和叶鞘粗)和麦穗形态建成子模型(包括穗长和麦芒)等。并以此为基础，结合已有小麦生长模拟模型WheatGrow，在Microsoft Visual C＋＋平台上利用OpenGL构建了基于形态模型的小麦虚拟生长系统(WVGS)，初步实现了小麦生长过程的可视化表达。建立的模型库主要包括形态模型、生长模型、可视化模型以及场景控制模型四部分。所建数据库主要存储气象数据、土壤数据和品种参数。系统运行结果表明该系统能较好地模拟小麦形态特征，能较逼真的实现小麦生长过程的虚拟显示。     

基于结构-功能互反馈机制的植物生长可视化建模与仿真(简报)

为确定植物生长可视化建模的一般方法,在总结国内外相关研究成果的基础上,归纳了基于结构-功能反馈机制的植物生长可视化建模的步骤,研究了建模过程中涉及的植物形态结构描述模型、结构模型与功能模型的结合、可视化模型以及模型的有效性检验等关键性技术问题,最后以具体作物生长可视化建模为例阐述了该技术的应用,并对关键性技术问题进行了讨论.研究结果表明,基于结构-功能反馈机制的作物生长模型,不但能可视化模拟不同环境因素下作物的生长发育状况,而且可在作物理想株型培育、群体产量预测、栽培管理等领域发挥实际作用.     

作物模型研究与应用中存在的问题

该文以CERES-Wheat、Maize模型为例,系统阐述了作物模型的研究与应用发展情况,分析了模型当中仍然存在的问题,指出在冠层结构与作物光能截获计算方法和作物水分、养分对生长过程的胁迫机理与定量方法方面需要深入的实验研究,以探索其机理,提高模型模拟预测性能.该文强调指出目前绝大多数的作物模型是空间一维的田间尺度模型,借鉴区域生物地球化学循环模拟方法或与分布式水文模型耦合进行尺度扩展开发区域尺度作物模型,既是区域水、土资源评价与管理的应用需求,也将能促进作物模型发展并发挥更大作用.     

基于参数L-系统的油菜花朵与花序生长可视化研究

为奠定油菜品种株型设计仿真基础,应用参数L-系统的原理,提出了甘蓝型油菜花朵和花序可视化生长的L-系统模型框架。通过对田间试验测量数据统计分析和归一化处理,用Sigmoid 5参数函数拟合花轴节间长度和直径的生长,用Weibull 4参数函数拟合花柄长度、直径的生长。采用L-系统和预定义Bezier曲面建模方法构建油菜花朵仿真模型。根据Bezier曲面的算法,构建了油菜花朵花瓣和萼片及其曲面模型。最后以L-Studio4.0为平台、结合VC++实现油菜花朵和花序的可视化生长模拟。结果表明,该方法可以真实生成油菜花朵和花序,真实感基本达到要求。     

基于类二叉树的虚拟植物分枝结构三维重构

为了有效的提取自然界分枝植物的生长规则,该文在深入研究L系统的基础上,提出了一种基于类二叉树结构的虚拟植物生长三维重构方法。该方法用类二叉树结构来简化分枝植株的生长规则,以L系统描述植株的拓扑结构;对实际树木的仿真结果表明,该方法能够有效地描述植物的生长规则,为植物生长规则的提取提供了一条新的途径。     

番茄的结构-功能模型 Ⅰ：基于有限态自动机的3D形态构建

根据番茄的形态结构特点及其演变规则,应用有限态自动机的数学理论,研究建立了番茄动态发展的随机结构模型。该模型建立在对番茄结构的宏观抽象和生理年龄(PHYAGE)与生长年龄(GA)这两个最重要的基本概念之上,利用“事件驱动”的状态转移机制模拟了番茄生长过程、分枝过程和死亡过程,其中利用了二项随机分布模拟番茄的动态生长,离散的Markov链用于模拟番茄的分枝模式。番茄的有限态自动机模型完成了对主茎上节间长度、果实个数以及叶子结构的随机模拟。并利用试验统计分析获得的参数结果,模拟出番茄在不同生长阶段的3D结构。该动态的番茄结构模型,为与生理生态模型进行接口建立互影响、互反馈的结构-功能模型打下了基础。     

基于二叉树结构的参数化L系统的计算模型研究

在虚拟植物生长模型的设计与研究中,L系统一直是主要的研究热点。基于二叉树结构的三维植物模型,深入研究了参数化L系统,提出了基于二叉树的参数化L系统模型,并设计了相关的算法。此模型能够清晰地表明三维植物图形的生成以及植物器官间的遗传关系,为虚拟植物生长模型建立提供了新的方法。     

植物物候模型研究

植物物候模型是基于植物对环境因子的响应机理而建立的可模拟植物生长发育的数学方程。本文介绍了树木物候模型和作物物候模型,根据对植物休眠解除过程的不同理解,树木物候模型主要有7种不同的类型;根据作物发育规律而建立的作物物候模型也大体相同。同时,还阐述和探讨了研究植物物候模型的意义、研究中存在的问题及其发展趋势。     

基于不同滴灌方式的苹果幼树根系生长的三维可视化模拟

为研究不同滴灌方式下大田苹果幼树的根系生长行为,提出一种用Otsu方法对根系图像进行分割后统计分析根系空间分布的方法,利用图像处理库通过Python语言编程实现了获取空间分布统计矩阵,以Lynch的根构型模型为结构原型,结合功能模型建立不同滴灌方式下的大田苹果幼树根系生长行为结构功能模型,最后利用OpenAlea对该模型进行三维可视化模拟。以大田苹果幼树为试验对象进行验证,同时依据形态特征的相似度以及仿真数据与实测数据的相关性两个参考指标将模拟结果与实物进行对比,验证了所采用算法的有效性。结果表明,Otsu算法可有效分割苹果幼树根系图像数据,结合常规功能结构参数和空间分布统计矩阵建立的大田苹果幼树根系结构功能模型可科学地模拟不同滴灌方式对苹果幼树根系空间拓扑的影响,大田苹果幼树根系结构功能模型模拟可以可视化不同滴灌方式下的根系生长空间变化行为。可视化模拟结果表明,分根区交替灌溉的苹果幼树根系在根区两侧分布比较均匀,根密度较大,有利于提高根系对水肥的吸收利用效率。研究结果可为分根区交替灌溉在果园的应用提供参考。     

Comparison of Pioneer and Native Woodland Species Growing on Top of an Engineered Landfill,Hong Kong: Restoration Programme

This study dealt with a restoration project conducted at South‐East New Territories Landfill in Hong Kong, in order to screen suitable tree and shrub species (both native and pioneer species) for revegetation. For engineered landfills, landfill gas migration and leachate contamination to the topsoil are rarely problematic, but the lack of nutrients and moisture and poor physical soil conditions may jeopardize potential woodland establishment. The growth performance of 25 woody plant species subjected to 12 different soil amelioration and seedlings planting methods was compared. The results showed that the general performance (mortality rate, apical height, crown diameter and basal diameter) of pioneer species (notably Acacia species) was much better than that of native species in all blocks of woodland mix and scrub mix. The notch planting method was effective in helping seedling roots to have better contact with soil for water uptake, which subsequently increased the survival rates of seedlings, leading to a better tree coverage. Soil ameliorations (horticultural soil with fertilizer and horse and pig manure) generally increased the seedling survival rate and improved plant growth. Tree coverage on all the plant trial blocks was mainly established by the three Acacia species. A planting distance of 1 m was recommended for woodland establishment, and such dense seedlings planting would achieve a better tree coverage under a shorter period of time (than the distance of 3 m). Difficulties in woodland establishment were discussed, and the strategies for achieving a better tree growth were recommended. Copyright © 2015 John Wiley & Sons, Ltd.     

基于模糊顺序形态学的植物叶片脉络边缘提取

植物叶片是作物分类和识别的简单有效方法,叶片的脉络和边缘特征提取是识别叶片的基础步骤。植物叶片图像通常受噪声影响,提取清晰的脉络和边缘比较困难,该文提出了基于模糊顺序形态学的植物叶片脉络边缘特征提取方法。首先,根据像素邻域特性,利用植物叶片脉络边缘及内部区域的差异性,构造了隶属度函数;然后,依据Sugeno模糊模型,定义了能够增大叶片脉络边缘和内部区域差异的模糊规则,进行模糊推理;该文采用了抑制噪声特别有效的顺序形态学边缘检测算子,对图像进行脉络边缘提取,最终得到植物叶片脉络和边缘信息图像。试验结果表明,该文方法克服了自然环境中噪声的影响,提取的植物叶片脉络和边缘更加清晰、定位更加准确。     

基于t分布函数的玉米群体三维模型构建方法

为利用少量实测数据快速构建能够反映因品种、环境条件、栽培管理措施等因素产生形态结构差异的玉米群体三维模型,提出基于t分布函数的玉米群体三维模型构建方法。通过实测数据构建主要株型参数的t分布函数,在其约束下生成群体内各植株主要株型参数,通过构造株型参数相似性度量函数调用玉米器官三维模板资源库中的器官几何模板,结合人工交互或图像提取的各植株生长位置与植株方位平面角2组群体结构信息生成玉米群体几何模型。利用三维数字化仪获取的玉米群体田间原位三维数字化数据所构建玉米群体计算得到的LAI与该方法构建玉米群体计算得到的LAI进行对比验证,结果表明:该方法所生成玉米群体叶面积指数与原位三维数字化数据所构建玉米群体计算得到的LAI相比,误差在±2%以内,可以满足面向可视化计算的玉米结构功能分析研究需求。方法可为玉米株型优化设计、耐密性鉴定、品种适应性评价等虚拟试验研究提供技术手段。     

A New Imitative Model to Predict the Impact of Air Pollutants on Scots Pine Health and Radial Increment

In order to address the problem of pollutant effects on trees against the background of environmental fluctuations a simulation model using radial increment as an indicator of tree productivity is proposed. Ring times series of large trees provide one of the most acceptable biological indicators for the assessment of pollutant impact. This research focused on the tallest severely damaged and healthy trees growing close to each other in the surroundings of Jonava Mineral Fertilizer plant, which primarily emits nitrogen (N) and sulphur (S) compounds. The annual increment was found to be strongly correlated with mean September air temperature of the previous year and S load. The correlation coefficient (k=0.961) between modelled and observed tree ring times series of severely damaged trees proves the impact of S load on growth and vitality of a tree and enables fulfillment of tree condition prognosis.     

Tree Diversity,Carbon Storage,and Soil Nutrient in an Old‐Growth Forest at Changbai Mountain,Northeast China

Abstract

The study of plant diversity and its role in ecosystem functioning is becoming a central issue in ecology. The relationships between carbon storage and tree diversity of natural forest at small scale are still unclear. This research investigated these relationships in an old‐growth forest at Changbai Mountain, Northeast China. It was found that at small scale, tree carbon storage generally increases with increasing tree species richness, but for stands with same species richness, tree carbon storage varies dramatically. At the small scale, tree species evenness has a significantly linear relationship with nature logarithm of total tree carbon storage. The stand carbon storage of trees is mainly controlled by stand tree composition. Fraxinus mandshurica, Pinus koraiensis, Quercus mongolica, Tilia amurensis, and Acer mono contribute more than 85% of stand carbon storage of trees. Stands with similar tree composition at small scale have different soil organic carbon storage and nutrient contents. Tree species evenness has great impact on soil N content at the soil horizon less than 30 cm deep, but its impacts on C/N, P, K, and S contents are small. Tree density has a negative linear relationship with soil organic C and C∶N ratio at the soil horizon is less than 30 cm deep. The implication of our findings here for carbon sequestration in the Kyoto Protocol is also discussed.     

基于分形理论和二叉树结构的植物遗传模型研究

从L系统的定义出发,解释了以二叉树结构为基础的模型设计原理,提出了基于L系统的二叉树结构关系模型以及相应的算法,并以植物器官间的遗传为背景,简单介绍了此模型在植物病虫害防治上的应用,为作物遗传与病虫害的防治提供新的理论与方法。