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.     

基于GIS和模型的种植系统设计

本研究在总结、提炼相关农业种植设计理论与技术研究成果的基础上,运用系统分析原理和数学建模技术,构建了生态区划、种植制度设计、精确管理和生产力分析的定量化农业管理知识模型。并运用软构件技术,基于GIS空间信息管理平台,建立了数字化的基于GIS和模型的种植设计系统。系统实现了区域性种植信息的规范化管理及不同层次下的农业种植制度设计与管理,具有文件管理、地图操作、信息查询、生态区划、种植制度设计、精确管理、生产力分析、专家咨询、系统维护以及系统帮助等主要功能。以江苏省为案例区,对系统进行了初步的实例分析,结果表明,系统有效地实现了种植设计功能,从而为农作物种植设计的定量化和数字化奠定了基础。     

基于功能结构模型的鲜切百合群体光截获模拟

针对鲜切百合株型设计和优化栽培手段不足的问题,通过田间试验和系统模拟对单株百合生长发育过程形态变化进行仿真模拟,构建百合功能结构模型,并利用叶倾角、叶序、出芽方向、出苗时间等关键生育参数在合理范围内的随机发生,实现对鲜切百合群体生长动态的三维重建。通过设置不同种植时间（4月10、20、30日和5月10、20、30日）、种植密度（66.7、33.3、22.2、16.7、13.3、11.1株·m-2）和不同株型（叶倾角分别为20°、30°、40°、50°、60°、70°和80°）的模拟情景,利用三维建模平台GroIMP中的辐射模型对百合群体累积光截获进行定量分析。结果表明,4月20日种植有助于百合群体获得最大累积光截获,叶倾角为20°的百合群体能够获得最大累积光截获。百合功能结构模型能够优化栽培管理、设计优势株型,为鲜切百合种质资源评价和株型基因改良提供理论依据和技术支撑。     

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.     

土壤变化及其过程的定量化

在不同的土壤系统层次上，不同土壤特性的变化特征不同。土壤在时间上的变化特性可用特征响应时间ＣＲＴ值来表示。要预测土壤的变化，必须对土壤过程进行定量化研究，对土壤过程的建模，大多机理上建立起动力学模型，包括物质运动的动力学模型与化学反应的动力学模型；目前已有的定量化，其所选取的土壤特征ＣＲＴ值小于１０＾－１年。今后对土壤过程的定量化研究，要注重对ＣＲＴ值＞１０＾０年土壤特征的建模，两个或两个以上过程     

土壤结构定量化研究进展

土壤结构是土壤中各种过程进行的物理框架,土壤结构的定量化对土壤水、气、热和土壤生物、化学过程定量化研究具有重要意义。本文主要讨论了土壤结构研究的内容,介绍了土壤结构研究的主要方法,对分形理论、布尔模型和孔隙网络模型等在土壤结构中的应用作了简要的介绍,并且对未来土壤结构定量化研究进行了展望。     

土方机械工作装置整体结构的强度分析方法

针对土方机械工作装置的结构特点,结合有限元法进行强度分析时计算结果的准确性有待提高的问题,以某小型挖掘机的工作装置整体结构为研究对象,提出了工作装置整体结构有限元分析方法,对动臂、斗杆、铲斗、油缸和连接销轴构成的系统进行整体建模、加载和有限元强度分析,并结合实际产品开发进行了验证.研究结果表明,该方法对土方机械工作装置及同类产品设计分析具有一定的指导意义,为同类问题的解决提供了可行的分析方法.     

区域水土保持生态补偿定量计算方法探究——以淮河流域土石山区为例

针对当前生态补偿工作缺乏定量化研究、可操作性差等问题,以生态系统服务理论和方法为基础,并引入罗吉斯(Logistic)生长曲线模型,通过单位面积生态系统服务价值和单位面积GDP,定量化计算出生态补偿强度;运用机会成本法理论,以淮河流域土石山区为例,构建出一个具有可操作性的区域水土保持生态补偿经济定量化模型。     

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。     

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。     

油菜栽培管理知识模型及决策支持系统研究

将系统分析原理和数学建模技术应用于油菜管理知识表达体系，通过解析和提炼油菜生育指标及栽培技术与生态环境和生产技术水平之间的基础性关系和定量化算法，构建了具有时空规律的油菜栽培管理动态知识模型；并进一步利用软构件技术在Visual C⁺⁺平台上构建了基于知识模型的油菜管理决策支持系统(KMDSSRM)，实现了不同环境条件下的油菜播前方案设计及产中调控指标预测。其中，播前方案设计包括产量目标与产量结构，品种选择，播种期，基本苗和播种量，移栽方案，肥料运筹及水分管理等；调控指标预测包括叶龄动态，叶面积指数动态，角果皮面积指数动态和干物质积累动态等。油菜栽培管理知识模型的建立，克服了传统油菜栽培模式及专家系统地域性强和广适性差的不足，从而为实现油菜栽培管理决策的定量化和数字化奠定了基础。     

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。     

小麦生产管理知识模型系统

A knowledge model with temporal and spatial characteristics for the quantitative design of a cultural pattern in wheat production, using systems analysis and dynamic modeling techniques, was developed for wheat management, as a decision-making tool in digital farming. The fundamental relationships and algorithms of wheat growth indices and management criteria to cultivars, ecological environments, and production levels were derived from the existing literature and research data to establish a knowledge model system for quantitative wheat management using Visual C^＋＋. The system designed a cultural management plan for general management guidelines and crop regulation indices for timecourse control criteria during the wheat-growing period. The cultural management plan module included submodels to determine target grain yield and quality, cultivar choice, sowing date, population density, sowing rate, fertilization strategy, and water management, whereas the crop regulation indices module included submodels for suitable development stages, dynamic growth indices, source-sink indices, and nutrient indices. Ewluation of the knowledge model by design studies on the basis of data sets of different eco-sites, cultiwrs, and soil types indicated a favorable performance of the model system in recommending growth indices and management criteria under diverse conditions. Practical application of the knowledge model system in comparative field experiments produced yield gains of 2.4% to 16.5%. Thus, the presented knowledge model system overcame some of the difficulties of the traditional wheat management patterns and expert systems, and laid a foundation for facilitating the digitization of wheat management.     

作物需水量模拟计算结果有效性检验

作物需水量是确定节水高效灌溉制度、制定灌溉排水规划和水资源合理配置必不可少的重要参数。当前模拟计算作物需水量的主要方法有FAO-56双作物系数法、双涌源能量守恒模型、根系层水量平衡模型和SWAP模型,而各种方法均有利弊和使用条件。不论采用哪种方法模拟计算作物需水量,其结果必须进行有效性检验,否则不能用于上述工程项目。该文用FAO-56双作物系数法基于灌溉试验数据模拟计算了人工牧草——老芒麦、冰草的需水量,并对模拟计算的需水量采用拟合相关图法、回归分析法和残差估计误差指示法进行了有效性检验。拟合相关图法属定性检验,给出了统计相关趋势;回归分析法和残差估计误差指示法为定量检验,给出了模拟计算值与实测值间的拟合优度和残差估计误差的范围。这种定性定量相结合的方法有效地检验了需水量模拟值与其实测值间的一致性,其结果可用于工程项目中。     

Estimation of Leaf Area Index and Foliage Area Index of Rice using an Indirect Gravimetric Method

The aim of this study was to present a gravimetric method for the estimation of leaf area index (LAI) and foliage area index (FAI) of rice. The method estimates indirectly the LAI-FAI variation during the growing season using simple measurements during harvest, based on a module of predetermined relations among agronomic parameters. The method confronts the limitations of other methods under specific conditions, such as (a) high plant densities and high LAI-FAI values, where indirect optical methods are restricted and (b) experiments related to crop modeling applications where direct destructive methods are not allowed because they alter the initial design of the experimental setup. The method was applied for the high-yield cultivar (Oryza sativa L. ssp. indica, cv. Thaibonnet) during 2-year evapotranspiration experiments in lysimeters. The method identified the differences between the replicate lysimeters, and LAI-FAI estimations were significantly correlated with the final grain yields and the crop factors obtained from evapotranspiration measurements.     

作物临界氮浓度稀释模型研究述评

作物临界氮浓度是作物达到最大生长的植株最小氮浓度.临界氮浓度随地上部植株干物质积累量增加而下降,可以用幂函数模型Nc=a×Wmax-b表示.已建立了数十种作物临界氮稀释模型,根据作物收获器官的特点,分为收获籽粒、收获鲜果实、收获块根块茎和收获地上部营养体4类,不同类型临界氮浓度稀释模型在模型参数和氮素诊断应用方面各有特...     

Drought stress effects on two common bean cultivars with contrasting growth habits

In most rainfed production areas where wheat fallow is common, crop yield could be improved by changing to more diverse crop rotations. It seems necessary to identify crop cultivars suitable for such diversification. This study was aimed at determining the responses of two common bean cultivars with different growth habits (Sayyad as an indeterminate and D81083 as a determinate cultivar) to drought stress. The study was conducted in a greenhouse during the 2008 growing season. A factorial experiment in a randomized complete block design with four replications and four water levels [100, 75, 50 and 25% of field capacity (FC) by weight] was used. The results showed that plant height, number of leaves, leaf area, number of pods, pod dry matter (DM) and total plant DM weights of both cultivars were significantly reduced under drought stress. Furthermore, at 50 and 25% FC, all plant pods of both cultivars were aborted. The common bean cultivar with a determinate growth habit appeared to have potential as a dryland rotation crop for farming in arid regions. Further field research might shed more light on the sensitivity of bean cultivars to drought stress with the aim of crop diversification for dryland areas, where adequate moisture supply is a limiting factor for crop production.     

Variations in morphological and agronomic traits among Jerusalem artichoke (Helianthus tuberosus L.) accessions

Jerusalem artichoke is a diversely-utilized crop. Selection for high yield, inulin content and other economically important traits are useful for improving this crop. The objectives of the present study were to evaluate genetic variability for qualitative and quantitative traits among Jerusalem artichoke accessions and to identify different groups of accessions using morphological and agronomic traits. Seventy-nine accessions were evaluated in a randomized complete block design with two replications in the late rainy season 2008, the early rainy season 2009 and the late rainy season 2009 at Khon Kaen University agronomy farm, Thailand. Morphological and agronomic characteristics were evaluated for genetic variations. High variations were found among Jerusalem artichoke accessions for qualitative and quantitative characters, and selection for these characters is possible. High variations were observed for tuber width, number of tubers/plant, biomass, fresh tuber yield and tuber size. Correlation coefficient between fresh tuber yield and tuber size was positive and significant (0.58, P ≤ 0.01). Improvement of tuber size is a means to improve yield and tuber quality. Based on morphological and agronomic characteristics, Jerusalem artichoke accessions were clustered into four distinct groups (R² = 0.88). These groups may be used as parental material to generate progenies for further improvement of this crop. This information will enable breeders to make informed decisions about possible heterotic groups for their breeding programs and germplasm conservation.     

作物模型资源构造平台(CMRCP)的构建研究

为有效促进作物系统数字化研究的深入发展,将集成制造的工业化思想引入作物模型领域,提出了作物模型资源(CMR)及作物模型资源构造平台(CMRCP)的概念.在提炼作物生长通用概念模型的基础上,将作物模型资源分解为通用模型结构、模型算法表示和模型资源映射三部分;并通过模型概念与/或树、模型算法与/或图与模型实现形态相结合,提出了综合性模型资源表示方法.另外,借鉴自适应软件开发方法,基于组件框架、组件组装、模型解析等技术,提出了平台构造原理,表明模型构建任务应该由作物元模型、建模学习机制、模型构造引擎和建模支撑工具共同协作完成.结果表明,构建具有学习能力、自适应和组件化特征的作物模型资源构造平台,可促进作物建模知识资源和软件开发资源的相互转化,并可积累易于共享与复用的作物模型资源库,降低作物模型构建与开发难度,提高农业模型软件开发效率和质量,为作物智能建模提供构建平台.