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。     

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。     

基于生长函数的大豆根系生长的三维可视化模拟

植物的可视化模拟与仿真能为植物生长研究提供直观、迅捷的科学研究方法.植物根系在生长介质中的三维空间造型与分布,对水分养分的利用具有十分重要的作用.为了避免植物根系生长环境的不可见性和次要因素的影响,定量地直观地研究根构型的适应性变化,将植物根构型的多个生长函数和植物根系的形态发生模型耦合起来,结合可视化方法,建立了植物根系生长的三维可视化模拟系统.以大豆根系为研究对象,根构型的生长函数采用前期研究已获得的三次多项式形式;形态发生模型采用微分L系统理论编译其生成规则;可视化方法采用一系列连接在一起并平滑处理的圆台代表根轴.系统设计成只需输入三次多项式形式的生长函数的系数,就可直观地、连续地、可控地获得该根系生长的可视化图形和根构型几何参数.     

玉米和大豆根尖和非根尖部位对Mn(II) 的吸附研究

为了探索玉米和大豆根系根尖部位和非根尖部位对Mn(II)吸附的差异及其机制，用沙培实验获取2种植物的新鲜根，将根系分为根尖部位和非根尖部位2部分，用流动电位法和红外光谱法（ATR-FTIR）分别表征了它们根表的zeta电位和官能团。将根系与Mn(II)反应，然后用KNO3，EDTA-2Na和HCl连续提取的方法确定吸附在植物根表Mn(II)的结合形态和吸附量。研究结果表明吸附在植物根表的Mn(II)主要以交换态存在，根尖部位的交换态Mn(II)和总吸附Mn(II)的量要明显大于非根尖部位。根尖部位所带负电荷和官能团的数量多于非根尖部位，是根尖部位对Mn(II)具有更高吸附容量的主要原因。因此，植物根系的表面电荷特征和官能团的数量在根系及根尖部位吸附锰的过程中起着重要的作用。     

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。     

耦合粘虫胁迫的玉米生长可视化模拟

针对难以定量化模拟虫害影响植物形态结构和生理过程的问题,提出将虫害影响耦合至植物功能-结构模型中的可视化模拟方法。根据粘虫啃食叶片的空间分布特征,改进细胞纹理特征点和基函数,适用于描述粘虫啃食路径,采用单叶被啃食率描述被啃食程度,并以三维可视化形式模拟虫害啃食效果;结合粘虫数量、啃食量以及分布规律,估计各单叶被啃食率,根据单叶虫洞可视化方法,定量化表达粘虫对单株玉米形态结构的影响;根据植物形态结构变化,将粘虫胁迫作用于生物量产量、生物量分配等植物生理过程,确定粘虫对植物形态发育的影响。试验结果表明,单叶虫洞可视化方法能较形象、逼真的仿真不同受灾程度下粘虫对叶片形态的影响,并将虫害影响耦合至功能-结构模型中,实现虫害胁迫下植物生长发育的模拟和仿真,为定量描述和理解灾害程度提供新思路。     

基于稀疏图像的真实树交互式建模方法

真实环境中树的三维重建可在虚拟现实、景观设计及农林业应用方面发挥重要作用,为解决真实环境中树的三维重建问题,该文提出一种基于稀疏图像的交互式建模方法。在自然环境下采集2幅相差90°的树图像及对应4～7幅中间图像,采用交互式编辑方法在夹角相差90°的1幅图像上获取各级树枝二维投影位置及粗度信息,再通过中间图像找到各级树枝在另一幅图像上的匹配树枝,并交互式调整树枝位置信息,然后进行透视校正,生成树枝三维几何模型,最后根据叶序规则添加树叶完成重建。通过对苹果树、樱桃树和枫树的重建结果表明,该方法交互性好,对图像拍摄数量与角度要求不高,重建时间在55～125 min之间,且能较好保持树的拓扑结构,可为虚拟植物建模、虚拟修剪试验和植物拓扑结构分析等提供参考。     

基于组合型L-系统的单树建模工具的设计与实现

该文依据植物形态学和树木生长过程的生理生态学原理,提出由器官尺度上升单树尺度的L-系统文法规则组合拼接方法,该方法有利于L-系统树木形态和生长规则的重用,实现对树木形态拓扑结构的本真还原和科学模拟。该文设计了基于L-系统的单树建模工具软件的功能体系结构,并在VC++开发环境下采用OpenGL图形标准、VRML虚拟现实建模语言开发完成了单树建模工具软件-LSTree。LSTree具有模型输入输出、树木三维可视化、生长过程模拟等业务功能,以及良好的人机交互性能和灵活、科学的单树模型组织管理方式。该软件可用于精准农业,以及植物学和生态学方面的教研、宣教等专业研究与应用。     

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。     

基于微根管技术的玉米根系生长监测

为了研究玉米根系生长规律,该文利用固城农业气象试验站内设置的大型根剖面系统,采用微根管观测法,对试验地上玉米主要生育期的根系生长动态进行定期直接跟踪监测,并以方形整段标本法作为参照标准,对试验数据采用MATLAB软件辅助图像处理和现代统计方法进行分析。结果表明：微根管法与方形整段标本法对得出的根长密度随深度增加呈递减型有较好的一致性,两者相关系数达到0.83以上,通过0.05的显著性检验;由观测数据建立的回归方程能较好地反映土壤中玉米根系生长规律,进一步表明微根管法是一种破坏性较小、可准确定位跟踪植物根系在土壤中生长动态变化的先进技术,对植物根系生长研究有较好的推广应用价值。     

Changes in tissue analysis caused by soil‐borne pathogenic fungl

Abstract

Several different organisms cause corn (Zea mays, L.) root rot. The extent of damage to the root system varies with the aggressiveness of different causal organisms or different strains of the same causal organism. The attack of the roots by disease organisms could cause changes in the tissue analysis that would lead to misdiagnosing the cause of the problem. Studies were conducted to ascertain changes in selected mineral concentrations in the corn tissue and in plant growth resulting from various degrees of root rot caused by root infections of several different soil borne pathogenic fungi. Thermally pasteurized soil was placed in pots and infested with various fungi isolated from root lesions on corn from field studies. Corn was grown in the infested soil for four weeks in the greenhouse. Plants were harvested, roots indexed for disease, above ground visual symptoms noted, dry weight taken, and tissue analyzed for Ca, Mg, P, and K. Results showed that aerial plant parts of infected plants may exhibit typical nutrient deficiency symptoms which are not necessarily reflected in the mineral analysis of the tissue. Elemental uptake and tissue concentration appeared not to be related to changes in mineral analysis regardless of the relative soil mobility of the nutrient. Related fungi did not cause similar changes in mineral tissue concentration for the same or different minerals. Dry matter yields were reduced about 20% for each unit increase in root disease index. The use of the root disease index appears to have potential as a diagnostic tool and should be evaluated for this purpose.     

Comparison of root system architecture and rhizosphere microbial communities of Balsas teosinte and domesticated corn cultivars

The progenitor of maize is Balsas teosinte (Zea mays subsp. parviglumis) which grows as a wild plant in the valley of the Balsas river in Mexico. Domestication, primarily targeting above-ground traits, has led to substantial changes in the plant's morphology and modern maize cultivars poorly resemble their wild ancestor. We examined the hypotheses that Balsas teosinte (accession PI 384071) has a) a different root system architecture and b) a structurally and functionally different rhizosphere microbial community than domesticated cultivars sweet corn (Zea mays subsp. mays accession PI 494083) and popping corn (Zea mays subsp. mays accession PI 542713). In a greenhouse experiment, five plants from each corn variety were grown in individual pots containing a Maury silt loam – perlite (2:1) mixture and grown to the V8 growth stage at which rhizosphere bacterial and fungal community structure was assessed using terminal restriction fragment length polymorphism and fatty acid methyl ester analysis. Functional characteristics of the rhizosphere were assayed by examining the potential activity of seven extracellular enzymes involved in carbon, nitrogen and phosphorus cycling. Root system architecture was characterized by root scans of sand grown plants at the V5 growth stage. Compared to the control the sweet corn rhizosphere had different bacterial and fungal community structure, decreased fungal diversity and increased bacterial abundance. Teosinte caused a significant change in the rhizosphere bacterial and fungal community structure and increased bacterial abundance, but no significant decrease in bacterial or fungal diversity where the former was found to be significantly greater than in the sweet corn rhizosphere. Popping corn did not trigger significant changes in the bacterial or fungal diversity and bacterial abundance in the soil. The individual popping corn plants changed the bacterial and fungal communities in different directions and the overall effect on community structure was significant, but small. Of the enzymes analyzed, potential N-acetylglucosaminidase (NAG) activity was found to contributed most to the differentiation of teosinte rhizosphere samples from the other corn varieties. The teosinte root system had proportionally more very fine (diameter < 0.03 mm) roots than popping corn and sweet corn and it developed the highest root to shoot dry weight ratio, followed by popping corn. Sweet corn had significantly lower average root diameter than popping corn and teosinte and grew proportionally the least below-ground dry mass. The results allude to functional and structural differences in the rhizosphere microbial communities of the corn varieties that, with additional research, could lead to useful discoveries on how corn domestication has altered rhizosphere processes and how plant genotype influences nutrient cycling.     

稀土元素在土壤-玉米体系吸收的剂量效应关系研究

通过盆栽实验研究施加农用稀土微肥后,玉米根、茎和叶中稀土元素的含量变化.结果表明,玉米根和茎中稀土元素含量随外源稀土施入量的增加而增大,存在显著剂量效应关系.玉米根和茎中La/REE比值随外源稀土施加的浓度增大而逐渐与稀土微肥(常乐)的La/REE值趋于一致.发现随着施入稀土元素浓度的增加,玉米吸收的稀土元素逐步转为主要由外源施加稀土微肥贡献为主.随根施剂量加大,玉米根和茎吸收稀土元素的富集系数逐渐增大,说明外源稀土的生物有效性明显高于土壤本身的稀土.稀土元素在苗期的玉米叶片中不产生显著水平的富集.     

地下滴灌夏玉米的初步试验研究

通过观测地下滴灌夏玉米全生育期不同生长阶段的土壤水分、根系的生长发育状况及其生物量、产量等，研究分析了地下滴灌不同的土壤水分处理条件下的土壤水分运移与分布规律，以及其对夏玉米的根系、产量和生物量的影响关系，建立了根系吸水模型，并研究其节水机理。阶段试验结果表明：地下滴灌可以高效地控制灌溉用水量，对作物的根系、产量及生物量产生直接影响；有可能通过土壤水分调控来影响作物能量的协调、平衡关系，达到最优根冠比，合理提高水的利用率和利用效率。     

小麦和玉米叶面标记尿素态15N的吸收和运输

以15N标记的尿素作为叶面施肥和根系后期追肥的N肥品种,分别采用土培与砂培研究小麦与玉米拔节后至灌浆初期不同生育期、不同N、P和K肥叶面配施后作物对叶面N肥利用效率、叶面施用N肥的分配及对全株N、P和K养分状况的影响。无论是小麦还是玉米叶片均能有效地吸收N素并将其迅速转移。玉米拔节期下位叶（第5叶）施肥,植株吸收的15N转移到根部的比例平均为9.0%,而中位叶（第8叶）处理,分配到根系的比例仅为2.4%。叶面施用尿素态氮肥的N在小麦地上部的回收率一般在54.5%～68.9%,在玉米全株体内的回收率可达59.9%～75.3%。随生育期推迟,两种作物叶片吸收N的回收利用率均明显提高。与单施氮肥相比,N,P和K肥配施均有提高氮素回收率和改善作物地上部N素营养的作用,尤以中位叶（第8叶）配施尿素＋KH2PO4的效果最佳,表明植物的叶面营养仍应注意平衡供应和适宜的施用时期与施肥部位。叶面大量元素营养不仅改善了所施肥料成分中相应元素的营养状况,同时也促进了对其他两种成分的吸收,并且提高了N、P转运到籽粒中去的比例。玉米吐丝期根系追施的尿素态N有56%积累在籽粒中,而叶面施肥所利用的N分配在籽粒中的比例为70%。     

基于农业资源与经济数据平台的资源利用决策及应用

在构建北京郊区自然资源与社会经济信息管理平台基础上,针对解决农业资源与环境中实际问题的需求,该文研发了相关专业决策模型和技术方法,完成了与平台的初步集成,形成了北京农业资源定性分析、定量计算和直观展示相结合的空间一体化管理模式。首先简要介绍了决策应用系统模块的结构体系和决策应用交互实现,其次重点阐述了基于综合管理平台的北京农业资源利用决策模型和技术方法研发及其应用的初步结果,最后从与专业决策模型系统集成方法、规范化和标准化建设、制度保障体系角度对综合管理平台未来工作进行了展望。经过4 a建设与运行,决策应用系统模块依托平台已经初步应用在北京市农业和农村相关业务的辅助管理中,对北京社会主义新农村建设和基层三农发展具有重要的意义。     

浙江低丘红壤玉米计量施肥咨询系统研制

利用浙江省多点玉米肥料田间试验的资料建立玉米计量施肥咨询系统。在建立施肥数据库的基础上,用养分平衡公式确定Ｐ和Ｋ用量;“以产定Ｎ”公式确定Ｎ用量。用Ｖｉｓｕａｌ Ｂａｓｉｃ语言建立系统界面和系统集成。