基于OpenGL的小麦形态可视化技术

形态可视化技术是虚拟植物研究的关键技术之一。本研究以小麦作物为对象,在提出小麦形态可视化技术框架的基础上,首先研究了小麦不同器官的三维几何建模技术,构建了基于器官形态特征参数的几何模型,包括叶、茎秆和麦穗几何模型。用NURBS曲面来模拟叶片和叶鞘;用圆柱体模拟茎秆的节间;并采用组合单器官的方式来构建麦穗模型：用圆柱体模拟穗轴,用椭球体和圆柱体分别模拟小穗的谷粒及小穗枝梗。然后,基于OpenGL图形平台,绘制了小麦器官的三维形态,并提出了颜色渲染、纹理映射、光照处理等真实感图形显示技术;最后,通过耦合小麦植株的拓扑结构模型以及小麦个体之间的相互关系,实现了小麦从器官-个体-群体三个层次的形态可视化,从而为构建可视化小麦生长系统奠定了技术基础。     

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。     

小麦麦穗几何模型构建与可视化

作物器官几何建模是虚拟作物研究的关键技术之一。通过对小麦穗形态结构的观测分析,提出基于形态特征参数的麦穗几何模型及可视化实现方法。在已有麦穗形态模拟模型的基础上,结合麦穗拓扑结构,构建麦穗形态结构几何模型,包括穗轴、小穗（外麸、麦芒、花药等）、麦穗穗形等子模型。其中,穗轴节片使用底面为椭圆的圆柱体进行模拟,节片交错叠加构成穗轴。基于外麸曲面半径变化曲线,以三角面片构造近似半椭球体来模拟外麸;基于麦芒曲线,以三角面片重构横截面近似为等边三角形的麦芒;用非统一有理B样条曲面模拟开花期小花顶端的花药;采用分层模型控制麦穗穗形。然后根据麦穗拓扑结构组合以上各器官,即可构建出麦穗几何模型。进一步结合颜色渲染、纹理映射、光照渲染等真实感显示技术,基于.Net平台,借助CSOpenGL,实现麦穗生长动态的可视化。结果表明,重构出的麦穗具有一定的真实感,能够用于不同品种、不同处理条件下麦穗生长动态的可视化表达。研究结果将有助于实现小麦植株生长动态的数字化、可视化。     

基于生长模型的玉米三维可视化研究

为了实现对玉米形态结构的定量化和可视化描述，提出了基于生长模型的玉米形态模拟及三维可视化的技术框架。通过资料收集和田间观测研究，构建了可描述不同玉米品种叶片、叶鞘和节间等器官的主要形态结构参数随叶序变化的形态知识模型。在玉米生长模型框架内，整合玉米形态知识模型和基于形态特征参数的器官几何模型，使玉米生长模型可输出玉米拓扑结构和各器官的形态特征参数，实现了对玉米形态建成过程的定量化模拟，并进一步驱动几何模型进行玉米植株和冠层的三维重建。根据上述“生长模型-形态模型-数学模型-显示模型”的思路，模拟了玉米“农大108”的三维形态建成过程及冠层的三维形态，具有较强的真实感，为玉米形态结构研究提供了新的思路和手段。     

基于形态参数的水稻根系三维建模及可视化

构建基于形态特征参数的水稻根系几何模型,实现不同生长条件下水稻根系生长动态的三维可视化。本文通过分析水稻根尖生长随生育进程的变化模式,构建了水稻单根三维显示模型,包括根节点初始位置和生长方向的确定以及根轴的空间模拟等;进一步结合水稻根系拓扑结构,以生长度日（GDD）为驱动因子,建立了水稻根系三维重构模型,包括不定根初始发生时间和位置、不定根初始伸展角度、不定根伸长速率、不定根空间分布模型等;然后在Visual C++环境下,结合可视化显示模块、场景控制模块、人机交互界面和数据库模块等,研制了水稻根系三维可     

基于图像处理的小麦叶片形态的三维重建

小麦叶片形态的复杂性使其很难在虚拟场景中真实表现，主要考虑叶片边缘、生长曲线和叶片空间扭曲及卷曲现象，提出一种基于图像的小麦叶片重建方法：采用边缘检测法提取小麦叶片边缘数据，根据小麦叶片生长曲线将边缘数据映射到三维空间，并在此基础上给出了不带约束的叶片模型和带约束的叶片扭曲及卷曲模型。结果表明，该方法采样精度高，便于保持叶片真实形状和实现多细节层次模型(LOD)技术，能较好模拟小麦叶片在空间的扭曲和卷曲现象。     

玉米三维重构及可视化系统的设计与实现

重构出植物的三维形态是数字植物研究的基础。介绍了玉米三维重构及可视化系统的整体结构、数学基础及实现过程。系统由器官几何造型模块、生长模型模块、可视化控制模块、数据库和人机交互界面组成。其中，玉米叶片、茎节、雄穗、雌穗和根系的三维形态是由基于器官形态结构主要特征而构建的参数化的几何模型来描述的。模型参数具有较明确的生物学意义，均可由品种特征或生长模型生成；系统运行时，根据玉米品种特征和玉米生长模型生成植株的拓扑结构参数和器官几何模型参数，通过人机交互操作来确定行株距等农艺措施参数，进而结合VC++和openGL在计算机上重构出玉米器官、个体和群体的三维形态，具有较好地真实感。系统界面友好、使用方便，易于交互，为农学研究者提供了新的手段。     

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.     

植物立体可视化模拟系统原型StereoPlants的构建

随着虚拟植物可视化研究的深入,植物群体以及复杂的植物器官或微观显微结构模拟已成为趋势。目前植物模拟中可视化结果展示方式多是对渲染的图像进行平面显示,不便于对大场景植物群体或复杂微观显微结构可视化结果的认知。为此,该文提出并实现了一个立体显示植物模拟的系统原型,该系统完成植物可视化立体内容的生成到立体展现,系统的软件部分基于跨平台的FLTK界面库与OpenGL图形库完成植物模拟立体可视化架构,支持对现有的基于该图形库的可视化模拟模型的移植,硬件部分由计算机与被动式立体展示系统组成。为了测试系统的可行性与有效性,在立体可视化框架上移植现有植物根系可视化模拟,结果显示,该立体显示植物模拟系统原型可生动地、沉浸地立体显示植物可视化模拟。该原型系统使得植物群体以及复杂的植物器官或微观显微结构的可视化更直观、更容易被认知。     

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。     

基于农学参数的玉米叶片表观建模与可视化方法

为提高农业题材三维数字媒体内容制作效率,提出基于SPAD(soil and plant analyzer development)和生育期农学参数的作物叶片表观建模与可视化方法,并以玉米为例进行实际验证.将玉米叶片分成叶肉、一级叶脉、二级叶脉3种结构,首先获取主要生育期下各结构表观材质(包括漫反射强度、透射强度、高光反射强度、粗糙度4种参数)及SPAD数据;之后构建各类表观材质参数与SPAD及生育期之间的定量化模型;再对玉米叶片纹理样式进行抽象,构建参数化的玉米纹理结构几何表达,并基于定量化模型为纹理结构分配表观参数;最后整合实时光照计算框架,对大田光环境下玉米表观进行可视化模拟.该文方法搭建了农业知识与三维可视化效果间的桥梁,使用户可以通过调整农学参数实现对作物叶片表观的快速、准确设计与制作,为农业题材的三维数字资源开发提供技术工具.     

单图像的植物器官表观纹理生成系统研发

为提高农业题材三维数字媒体内容制作效率,解决植物器官表观纹理制作流程繁琐的问题,研发了基于单图像的植物器官表观纹理生成系统。该系统分为漫反射强度纹理、透射纹理、高光纹理、法向量贴图、环境遮蔽图以及表观纹理实时可视化6个模块。漫反射强度纹理生成模块采用基于能量约束的本征图像分解方法将植物器官图像分解为漫反射纹理以及光照图;透射纹理生成模块以PROSPECT模型为理论基础,反演植物叶片透射与反射的统计学关系,利用漫反射纹理生成透射纹理;高光参数纹理生成模块采用交互式操作,基于用户对少量样本点的高光表观参数设定,根据概率插值出整个器官表面的高光参数,进而形成高光强度纹理和粗糙度纹理;法向量贴图模块在阴影恢复形状技术的基础上,综合低频和高频特征生成法向量贴图;环境遮蔽图生成模块通过简单的亮度倍增操作,将光照图转换成环境遮蔽纹理;表观纹理实时可视化模块利用上述生成的表观纹理进行实时的器官三维渲染,为用户提供反馈。系统仅需调节3个参数即可生成6种样式丰富的器官表观纹理,操作简捷,自动化程度高。在处理512×512分辨率的图像时,生成6种表观纹理的总计算时间小于8 s。结果表明,该系统可以通过简单的操作,高效生成三维植物可视化中常用的表观纹理,为农业题材的三维数字资源开发提供技术工具。     

基于APSIM的黄土丘陵区旱地小麦气候适宜性评价

为提高旱地小麦气候适宜程度动态分析的能力,利用黄土丘陵典型区域定西1971-2005年逐日气象资料及大田资料,建立小麦日气候适宜度模型,计算各生长阶段(营养生长阶段、营养与生殖生长并进阶段、生殖生长阶段)及全生育期综合气候适宜度,确定气候适宜性综合评价标准。通过本土化APSIM(Agricultural Production System Simulator)平台,模拟小麦逐日生物量,采用动态逼近误差平方和方法,确定气候适宜性诊断分析标准。通过等级百分比比较的方法,检验诊断分析标准,并定量、动态分析2002-2005年旱地小麦各生长阶段及全生育期气候适宜程度。结果表明,基于APSIM的诊断分析标准评价结果与基于综合评价标准的结果相比,气候适宜性等级相同和级差为1的占86%~90%;2002-2005年旱地小麦各生长阶段及全生育期诊断分析结果均为较适宜,与研究区实际情况基本相符。该优化方法为旱地小麦气候适宜性分析的动态跟踪提供了一定技术支持。     

基于可视化类库的植株三维形态配准方法及点云可视化

精确的植物三维静态形态结构模型有助于植物空间结构相关的各种研究,是虚拟植物、植物建模等问题研究的一个重要方面。研究植物生长过程中的三维信息的获取可以获得作物生长过程中各参数的动态数据,可为精细农业植物生长模型建立等提供依据。该文以植物为研究对象,介绍了虚拟植物及植物三维可视化的研究现状,讨论了植物叶片三维可视化的可行性及必要性。针对植物三维点云的采集与处理上,讨论了三维扫描仪的精度测定方法,并针对基于基准体的植株点云配准问题,提出采用基准体点云平均法向量计算的方法,去除了部分基准体表面的噪声点,提高了植株体的配准精度;采用迭代最近点（iterative closest point,ICP）算法,对植株叶片进行进一步的高精度配准。最后采用基于可视化类库VTK(visualization toolkit)实现了植物点云配准与三维可视化。     

土壤中施用聚丙烯酸钠保水剂对冬小麦生长及产量影响

聚丙烯酸钠因其特殊的保水性能受到广泛重视,但是其研究仍多限于实验室模拟研究.为了促进其在农业生产中的应用与推广,该文采用大田试验,研究了聚丙烯酸钠对冬小麦生长、产量及水分利用效率(WUE)的影响.结果表明施入聚丙烯酸钠能够促进小麦生长,提高小麦叶绿素含量,提高小麦产量与WUE.采用沟施5.5 m3/hm2的1/2000聚丙烯酸钠水溶液,能够使小麦较对照增产2.9%,WUE增加3.52kg/(hm2·mm);与肥料混合使用时,增产效果更加显著,可增产10.14%,WUE增加4.38 kg/(hm2·mm).     

空间抽样方法估算冬小麦播种面积

为改进现行农作物播种面积空间抽样技术体系,该文以山东省为研究区,以冬小麦播种面积为研究对象,通过"3S"技术(遥感、地理信息及全球定位技术)与传统抽样方法的联合应用,选取4种抽样技术(简单随机抽样、按冬小麦种植区划分层抽样、按耕地类型分层抽样和按分县冬小麦面积大小分层抽样),设计8种样本容量水平(变化范围74～333)进行了冬小麦播种面积空间抽样方法试验研究,结果表明:4种抽样方法中,在外推总体相对误差相近条件下,以分县冬小麦播种面积大小为分层标志的分层抽样方法效率最高;基于8种样本容量下的样本观测值进行研究区冬小麦播种面积总体外推与误差估计时,随着样本容量增加,外推总体总值估计值与真值的相对误差随之减小,但总体总值估计量的变异系数(CV)值仍较大。     

格网化小麦生长模拟预测系统设计与实现

利用作物生长模型模拟小麦区域生产力,分析气候变化对农业生产的影响是研究粮食安全的热点问题之一。拥有操作方便、计算快速特点的小麦区域生产力模拟系统,可有效提高作物生长模型区域应用能力。该研究在分解小麦生长模型WheatGrow算法基础上,利用Python语言构建了格网化小麦生长模型,实现了基于空间格网数据的小麦区域生产力模拟。验证试验结果表明:模拟产量的均方根误差为1 070 kg/hm~2,标准均方根误差小于20%,系统所集成的WheatGrow模型具有较好的预测性;同时,结合格网数据分块构建区域模拟的并行计算策略,优化了区域模拟的性能。在此基础上,采用GIS组件式开发模式,在.NET平台下开发格网化小麦生长模拟预测系统,实现作物生长模型与GIS耦合,为研究区域小麦产量潜力,评估气候变化对小麦生长影响,制定农业决策提供软件工具。     

基于基因表达式编程的植物形态建模智能化方法

针对人为操作L系统进行植物形态建模时存在盲目性和低效性的问题,该文提出一种智能化的植物形态可视化建模方法。该方法利用基因表达式编程思想自动获取L系统产生式规则,进而模拟出特定的植物形态结构。在分析现有工作的基础上,提出限制性的初始种群设计策略和种群个体选择策略,以缩小算法的搜索范围;提出一种综合外围轮廓比较和Hausdorff距离计算的个体适应度评价函数,以自动筛选出每一代中的优良个体。该方法使用OpenGL在NVIDIA GeForce3图形硬件上实现。试验结果表明,该方法不仅能逼真地模拟指定植物的三维形态,还可以仿真出形态各异的植物图形。该方法可为虚拟植物建模提供参考。