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。     

葡萄树地上部形态结构数据获取方法

葡萄树为多年蔓生植物,其形态结构复杂且受人工修剪及架势的影响。获取葡萄树地上部植株及器官的形态结构及纹理数据,有助于建立3D可视化模型以表征该植株的品种遗传特征、受环境、架式和人工修剪等因素的影响。该文针对葡萄树形态结构数据获取工作量大、效率低、依靠单一手段所获取数据缺乏完整性等特点,提出一种高效的葡萄树地上部形态结构数据获取方法,首先对葡萄树进行拓扑结构解析和数字化表达实现复杂结构的显示表达;然后针对目标植株进行葡萄树三维形态数据采集,包括植株拓扑结构三维数字化数据采集、品种一致性与差异性分析的DUS(植物新品种特异性(distinctness)、一致性(uniformity)和稳定性(stability)的栽培鉴定试验或室内分析测试)数据采集,器官的形态参数测量,三维扫描与纹理数据采集,目标植株的栽培环境及人工管理措施等信息的采集。结果表明,基于所获取形态结构数据结合植物参数化建模方法重建的葡萄树器官与植株几何模型具有较高的真实感。在葡萄树形态结构数据获取方法的基础上,对植物地上部形态结构数据获取标准化流程进行探讨,以期为其他植物主要器官与植株的形态结构数据获取提供方法参考。     

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。     

不同株型冬小麦冠层结构特征多时相分析

同一株型不同生育期、不同株型相同生育期其结构参数均具有不同的变化特点,了解其变化,一方面有利于区分不同株型结构,进一步提高LAI（叶面积指数）等指标参数的遥感反演精度,另一方面可用于定量作物肥水管理,提高肥水利用效率。该文结合冬小麦整个生育期,在北京小汤山试验基地开展两期品种试验,对比分析实测冠层多角度光谱及结构参数,得出通过多角度光谱数据区分株型的最佳波段是红光波段,两期LAI与平均叶倾角(ALA)变化均表明,最佳时期为拔节期;起身期至拔节期所选试验品种均体现直立型品种LAI大于披散型品种。2009年试验表明利用J411 4月底LAI变化趋势差异也可较好的区分作物株型;披散型品种9428特征尺度变化出现“跷板”效应,可以作为株型识别的依据之一。     

黄淮海地区夏玉米株型结构特征分析

利用抛物线法对夏玉米株型结构进行了计算机模拟，结果表明该方法可以较为准确地模拟出夏玉米株型结构特征，其要求确定的参数较少因而使用非常方便。利用抛物线法对黄淮海地区3种典型品种的夏玉米群体株型结构特征进行了全面系统的测定分析，给出了平展型沈丹7号、一般型掖单13号以及竖立型掖单4号不同生育期的叶面积密度分布函数，并对比了3个品种的叶倾角倾斜指数随生育期的变化特点，从而为黄淮海地区夏玉米农业气候资源数值模拟提供了最基本的重要模型参数，同时也为农学领域内玉米耕作栽培及育种提供了一定的理论依据。     

玉米叶片几何造型研究

针对虚拟作物研究中的作物个体或器官几何造型问题,用三次B样条来拟合玉米叶片的三维形态,并用虚拟模型进行玉米叶片几何特征的计算.与其它方法相比,该方法具有精度高,参数少的特点,是一种适合于玉米叶片三维造型的好方法.     

番茄三维形态结构的参数提取及模拟

为了实现番茄植株形态的三维动态重建,通过对其形态结构的周期监测与统计分析,提取番茄主茎器官的形态结构变化规律与主要模型参数。模型中形态结构的演变被看作是生长轴由于节间累积而不断的延伸,果实个数应用二项分布进行随机模拟,番茄叶子典型结构采用马尔可夫过程进行模拟,模型采用悬臂梁弯曲模型实现了叶倾角的动态模拟,并利用计算机图形学技术定义了器官的几何形状,而器官几何尺寸的变化应用贝塔（Beta）分布进行了模拟。模型实现了器官及植株的三维动态模拟并具有较高的逼真效果,器官动态生长与田间测量拟合较好。结果表明模型中引     

基于最大熵模型的玉米冠层LAI升尺度方法

叶面积指数(leaf area index,LAI)是表达农作物冠层结构的关键参数之一,准确获取LAI对于农作物长势监测、估产等研究具有非常重要的意义。由于地物空间复杂性、数据源的不同以及遥感反演模型的非线性,LAI的反演结果会存在尺度效应,因此需要进行尺度转换研究。理想的升尺度转换应该只是数据空间分辨率的降低,而数据内在信息应保存到低分辨率中。最大熵(maximum entropy,Max Ent)模型是基于多种环境因子的广义学习模型,对分析因子的空间分布具有较高的估算精度,因此,该研究利用最大熵模型进行玉米冠层LAI升尺度方法研究,从而将野外实测的LAI点数据扩展到空间分辨率为30 m的面数据,所使用的数据源是Landsat8 OLI遥感影像、气象数据和野外样点上测量的LAI数据。研究结果表明:利用最大熵模型升尺度转换结果与实测LAI相比,R2为0.601、RMSE为0.898,说明两者的相关性较高;由于玉米冠层叶片之间的相互遮挡,导致整体结果偏低,但偏低误差在可接受范围内。因此,Max Ent模型可用于农作物LAI点数据到面数据的升尺度转换。     

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.     

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。     

氮肥对不同耐低氮性玉米品种花后物质生产及叶片功能特性的影响

为明确不同耐低氮性玉米品种花后物质生产及叶片功能特性,采用大田试验,以玉米耐低氮品种‘正红311’和低氮敏感品种‘先玉508’为试验材料,在6个氮水平下研究花后物质生产及叶片功能特性。结果表明:施氮可显著提高玉米干物质积累、叶面积指数和叶片光合速率,延缓花后叶片叶绿素含量和全氮含量的下降,抑制生育后期叶片C/N值的增加,从而提高玉米的最终产量。耐低氮品种‘正红311’花后干物质积累、叶片光合速率、叶面积指数和产量均显著高于低氮敏感品种‘先玉508’,‘正红311’较‘先玉508’平均提高30.5%、9.2%、35.0%和8.8%。两品种吐丝后叶片叶绿素含量差异显著,耐低氮品种‘正红311’平均较低氮敏感品种‘先玉508’提高4.85%。两品种吐丝后叶片氮含量差异不大,但‘正红311’和‘先玉508’吐丝?成熟期叶片全氮含量分别下降31.5%和34.9%,‘正红311’降幅低于‘先玉508’。两品种花后叶片C/N值差异显著,‘先玉508’较‘正红311’平均提高5.95%。与低氮敏感品种‘先玉508’相比,耐低氮品种‘正红311’花后叶片光合速率更高、叶面积指数更大,而叶片叶绿素含量和全氮含量降幅与C/N值增幅更低,延缓了生育后期叶片的衰老,延长了叶片的功能期,增加干物质积累和产量。施用氮肥可有效提高‘正红311’干物质积累、叶面积指数和产量,延缓其生育后期叶片C/N值升高,而‘先玉508’需要较高的施氮水平才能维持其花后叶片光合速率和全氮含量。     

高产高淀粉粮饲兼用型玉米新品种丰玉3号选育报告

为解决甘肃自育优良玉米新品种较匮乏、外引玉米新品种对甘肃的生态条件较难适应且退化严重的问题，张掖市博丰农业科技有限责任公司采用重离子辐照结合分子标记辅助选择等现代育种方法，以自育自交系BT0521为母本、自育自交系0571为父本杂交选育出了高产高淀粉粮饲兼用型玉米新品种丰玉3号。2012 — 2013年参加甘肃省玉米中晚熟高密组新品种区域试验，2 a 10点(次)平均折合产量15 621.0 kg/hm2，较对照品种增产2.7%。其中2012年平均折合产量16 536.0 kg/hm2，较对照品种郑单958增产5.4%；2013年平均折合产量14 706.0 kg/hm2，较对照品种先玉335增产2.3%。2014年参加甘肃省玉米中晚熟高密组新品种生产试验，平均产量为16 122.0 kg/hm2，比对照品种先玉335增产7.8%。丰玉3号在甘肃省张掖市春播生育期132 d，株高273 cm，穗长21.0 cm，穗粗5.2 cm，出籽率88.8%，千粒重347.7 g。容重734.2 g/L。丰玉3号籽粒(干基)含粗淀粉766.0 g/kg、粗蛋白89.7 g/kg、赖氨酸3.1 g/kg、粗脂肪36.9 g/kg，属高淀粉玉米品种。该品种高抗茎基腐病和瘤黑粉病，抗大斑病，中抗丝黑穗病，感矮花叶病和红叶病。适宜在甘肃、新疆及同类生态区种植。     

全国农作物叶面积指数遥感估算方法

目前对农作物叶面积指数LAI的遥感估算研究多是针对单一作物或是作物种植结构单一的区域,该文运用大尺度农作物叶面积指数的遥感估算方法,在像元尺度上对4个代表性实验站的LAI与归一化植被指数(NDVI)的相互关系进行了回归分析后,得到4种代表性作物种植结构的LAI估算模型,然后结合全国农作物种植结构数据对模型外推,建立了一个全国尺度的遥感模型,并估算了全国作物LAI。该文使用“863”项目山东遥感应用综合试验中的作物LAI观测数据进行了验证,结果表明该模型较其它估算模型达到了较高的精度,最大相对误差为39%,平均的相对误差为19%。该模型的计算结果已经在“中国农情遥感速报”系统中得到了广泛的应用。     

用LI－2000冠层分析仪确定作物群体外活动面高度

该文研究定量确定作物群体外活动面的方法。使用美国产LI－2000型冠层分析仪，实测高秆作物（玉米为代表）和矮秆作物（小麦为代表）的群体，从冠层顶向群体内部逐层累积叶面积系数(LAI)，并分析其变化趋势。分别使用雷蒙德皮尔模型和龚珀兹模型模拟其变化。两种模型模拟LAI值与实测LAI值相关系数均大于0.95。方差分析表明，矮秆的小麦冠层，雷蒙德皮尔模型模拟优于龚珀兹模型模拟结果。高秆的玉米冠层，龚珀兹模型模拟相关系数达0.994，相关极为显著。小麦的活动面高度，与小麦2/3株高差异较大。平展型玉米冠层和直立型玉米冠层活动面高度，与其2/3株高相差仅11～17 cm。用2/3株高来估计活动面高度较为合理，而对小麦冠层来讲则误差较大。     

春玉米品种和种植密度对植株性状和耗水特性的影响

品种和种植密度是辽西地区春玉米节水高产栽培的参考依据。以稀植型品种丹玉12(DY12)和密植型品种中地77(ZD77)为试验材料,各设4个种植密度处理,研究了种植密度对玉米植株性状、耗水量、产量性状、水分利用效率(WUE)的影响,同时比较两类型品种之间的差异。结果表明:随着种植密度增加,两品种茎粗、单株叶面积均逐渐降低,株高、群体叶面积指数(Leafarea index,LAI)逐渐增加,DY12茎粗和ZD77株高差异分别达到显著水平(P<0.05);同一种植密度条件下,DY12的茎粗、株高均大于ZD77,而ZD77的LAI大于DY12表现出较强的耐密性。玉米全生育期耗水量随种植密度的增加而增加,同一种植密度条件下,ZD77小于DY12。产量随着种植密度的增加先增加后减少。除穗粗、穗行数及百粒质量外,种植密度对DY12其余产量性状的影响达到显著水平(P<0.05);而种植密度对ZD77各产量性状的影响均不显著。在WUE方面,DY12随种植密度的增加先增大后减小,当种植密度为45000株/hm2时,WUE达到最大值(2.48kg/m3);ZD77则随种植密度的增加而减少。该地区生产上应选择密植型春玉米品种进行合理密植,可以达到明显的节水增产效果。     

基于图像提取技术计算夏玉米覆盖度和反演叶面积指数的精度评价

如何将农作物从复杂动态变化的农田场景中准确提取出来,是作物分割方法后续提取覆盖度或反演叶面积指数准确与否的关键。本文以郑州、泰安和固城站2011年和2012年生长季的夏玉米为研究对象,利用在线式图像自动传输装置实时获取户外不同光照强度以及真实农田复杂背景下的夏玉米群体动态图像,在对原始图像进行几何校正的基础上,采用AP-HI、ExG、ExGR和CIVE4种作物分割方法提取夏玉米覆盖度和反演叶面积指数,通过对比试验定量评价每种作物分割方法对农田复杂背景的适应能力和精度,并从中选取适合农田复杂环境下夏玉米冠层图像覆盖度和叶面积指数的有效提取方法。结果表明：光照强度变化以及植物阴影、植物残渣等复杂背景对作物分割算法的精确性影响较大,AP-HI方法在光照适应性和对抗复杂环境两个方面均优于其它方法,相对误差在0.2以下,高于目估法测量的精度;通过对比分析发现,利用4种作物分割方法通过冠层孔隙率估算不同生长期夏玉米LAI,AP-HI反演模型最优,其估算的LAI与实际测得的LAI值比较的相关系数最高,为0.89~0.96,均方根误差最小,为0.47~0.75。综合考虑模型的精度和稳定性认为,基于AP-HI方法反演叶面积指数的方法具有一定应用优势。     

基于叶面积指数构建滴灌玉米营养生长期临界氮稀释曲线

明确宁夏引黄灌区基于叶面积指数(leaf area index,LAI)的滴灌玉米临界氮稀释曲线模型及其适用性,探讨以氮营养指数(nitrogen nutrition index,NNI)为监测指标对滴灌水肥一体化模式下玉米氮素营养状况诊断的可行性。该研究于2017-2018年开展了不同施氮量(0~450 kg/hm^2)下4个田块的试验,采用系统分析和统计建模的方法,分析了LAI和植株氮浓度(plant nitrogen concentration,PNC)的定量关系,构建和验证基于LAI的临界氮稀释曲线模型,并建立理论框架,将基于LAI的临界氮曲线与基于植株干物质(plant dry matter,PDM)的临界氮浓度曲线关联,比较基于LAI和PDM的临界氮曲线之间的差异。结果表明,玉米营养生长期临界氮和LAI符合幂函数关系,拟合模型的评价指标均方根误差(root mean square error,RMSE)和标准化均方根误差(normalized RMSE,n-RMSE)的结果分别为0.09和4.13%,模型具有较好的稳定性。在试验氮素水平范围内,不同生育时期NNI随施氮量的增加而增加,变化范围为0.53~1.34,NNI可以准确地反映滴灌玉米氮素营养状况。在非限氮处理下,玉米植株氮素吸收与LAI成正比,LAI与PDM的异速生长参数接近理论值2/3。构建的基于LAI的临界氮曲线可以有效地识别玉米拔节期至吐丝期植株所需的氮状态,为宁夏滴灌玉米氮肥精确管理提供了一种新的评价方法。     

玉米产量的品种与环境互作效应空间分布规律

针对作物品种表现的分析缺少对空间和时间因素的考虑,难以揭示环境效应、互作效应的空间规律,更不能将品种在测试点的表现外推到目标推广环境。因此,该文结合北京金色农华种业公司在黄淮海夏播和东华北春播玉米区的多年多点品种测试数据,以产量为例,提出了一种品种-环境互作效应的空间分析方法。首先,计算和确定了环境效应值、互作效应值的空间渲染分级标准;结合地理数据和玉米种植区划分区结果,利用空间可视化技术初步探究玉米种植环境效应、品种基因-环境互作效应的空间分析方法和分布规律。试验结果表明,该方法可分析品种表现的环境效应和互作效应的空间规律,一区(夏播中晚熟区)环境效应普遍为负,即胁迫较重;二区(春播中熟区)环境效应普遍为正,环境胁迫轻。互作效应的正负反映品种对环境的特殊适应性,其年际和空间波动大小则反映品种的稳定性。生态区一区稳定性:农华101郑单958先玉335,适应性:郑单958农华101先玉335。生态区二区稳定性:郑单958农华101先玉335,适应性:农华101郑单958先玉335。该文在地理信息系统支持下,对玉米品种互作效应的空间分析方法和分布规律进行初步探究,可为进一步建立作物表现的空间模型提供依据,也可提高品种评价和推广的准确程度。