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。     

基于优先分配的玉米单个籽粒生长模拟

精确预测作物产量对于作物生产、栽培措施优化等具有重要意义。玉米单个籽粒的质量差异对玉米产量有显著影响,并且雌穗不同位置的籽粒获取同化物的能力不同。当前的玉米模型中由于缺乏基于单个籽粒生长机制的模拟过程,从而限制了其在更广泛环境下对产量的模拟精度和预测能力。为了量化雌穗不同位置籽粒对于同化物的竞争能力,基于源库理论建立了玉米单个籽粒灌浆过程的模型,并引入“优先权”方程量化雌穗一列籽粒中每个籽粒获取同化物的“优先”能力,整合进入潜在籽粒生长需求计算新的籽粒库强。通过多年多源库水平的玉米田间试验数据对模型的有效性进行系统评估。结果表明,引入“优先权”后明显提高不同位置籽粒的干质量的模拟精度。这为理解单个籽粒的生长发育过程、玉米产量形成过程提供基础依据。     

基于模型的可视化水稻生长系统的构建与实现

在气象因子、土壤条件、品种参数和栽培措施等基础数据的支持下,通过耦合水稻生长模拟模型、形态结构建成模型和虚拟显示模型及策略分析评价模型、气象资料生成模型、品种参数调试模型,利用计算机软构件技术和动态图形技术,建立了基于模型的可视化水稻生长系统。系统在.NET平台上运用C#语言进行开发,接入OpenGL作图工具,初步实现了不同生态环境、品种类型、生产技术条件下水稻生长的动态模拟和逼真显示,具有数据管理、生长模拟、方案评估、因苗预测、时空分析、系统帮助等功能。研究结果将有助于提升农作生长系统表达的数字化和可视化水平,为虚拟农业的发展奠定基础。     

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。     

基于优先分配的玉米单个籽粒生长模拟（英文）

精确预测作物产量对于作物生产、栽培措施优化等具有重要意义。玉米单个籽粒的质量差异对玉米产量有显著影响,并且雌穗不同位置的籽粒获取同化物的能力不同。当前的玉米模型中由于缺乏基于单个籽粒生长机制的模拟过程,从而限制了其在更广泛环境下对产量的模拟精度和预测能力。为了量化雌穗不同位置籽粒对于同化物的竞争能力,基于源库理论建立了玉米单个籽粒灌浆过程的模型,并引入"优先权"方程量化雌穗一列籽粒中每个籽粒获取同化物的"优先"能力,整合进入潜在籽粒生长需求计算新的籽粒库强。通过多年多源库水平的玉米田间试验数据对模型的有效性进行系统评估。结果表明,引入"优先权"后明显提高不同位置籽粒的干质量的模拟精度。这为理解单个籽粒的生长发育过程、玉米产量形成过程提供基础依据。     

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.     

基于气候适宜度建立河套灌区玉米生育期模拟模型

利用河套灌区农业气象试验站近20a的大田生产和气象资料,基于作物生理发育时间恒定原理,并充分考虑光、温、水3种气象条件对玉米发育进程的影响,建立基于气候适宜度的河套灌区玉米发育期模拟模型。利用模型计算巴彦淖尔市和土默特左旗两站的玉米生理发育时间,并模拟两站共10a的玉米发育过程,利用RMSE、配对样本T检验和MAPE3种方法对模拟结果进行检验。结果表明:模型对玉米营养生长阶段和全生育期的模拟较精确,对生殖生长阶段各个发育期的模拟也通过了0.05水平的显著性检验,出苗期、七叶期和全生育期模拟值与观测值的相关系数分别达到0.753、0.786和0.996,RMSE值分别为2.324、2.846和3.771d。说明综合考虑光、温、水气象条件后可提高模型的准确性,该模型可用于河套地区玉米的生育期和产量预报。     

基于虚拟生长模型的温室番茄栽培管理专家系统

为改进传统农业专家系统的决策性能,动态表达其决策结果,提出并实现了基于虚拟生长模型的温室番茄栽培管理专家系统.介绍了系统的总体框架与功能模块,分析了系统实现的若干关键技术,如开发工具、知识表示方法、知识库的构建、虚拟番茄生长模型等.系统综合运用推理、预测、可视化与解释等机制帮助用户设计栽培管理方案,可视化模拟和预测温室番茄的生长发育进程.基于虚拟生长模型的温室番茄栽培管理专家系统初步实现了积温模型、形态发生模型与专家系统知识模型的综合集成,更适合温室番茄栽培管理的实际需要.试验表明该系统具有较好的应用前景.     

基于作物生长模型和遥感数据同化的区域玉米产量估算

为了将遥感观测到的玉米生长期间作物冠层方向反射波谱的时间序列变化信息用于区域玉米产量估算,该文将时间序列中分辨率成像光谱仪(moderate resolution imaging spectroradiometer,MODIS)数据和高空间分辨率LandsatTM遥感观测数据相结合,以叶面积指数(LAI)作为耦合作物生长模型(crop environment resource synthesis-Maize,CERES-Maize)和植被冠层反射率模型(scattering by arbitrarily inclined leaves,SAIL)的关键参数,提出了将耦合模型与时间序列遥感观测数据同化进行区域玉米产量估算的方案。该文选择吉林省榆树市为研究区,采用MODIS和LandsatTM2种尺度数据集,利用SCE-UA(shuffled complex evolution method developed at the University of Arizona)算法分别进行玉米产量同化估产研究,得到玉米单产空间分布的估计结果,结合遥感估算的种植面积求算榆树市玉米总产量。结果表明,与玉米统计总产量相比,2007、2008和2009年遥感数据同化估算的总产量误差分别为9.15%、14.99%和8.97%;与仅利用CERES-Maize模型模拟得到的产量误差相比,3a间遥感估算总产量的误差分别减小了7.49%、1.21%和5.23%,且采用MODIS和TM遥感数据估算的玉米产量表现了其空间差异性。利用榆树市3a间玉米产量的明显差异,分析了时序遥感数据对作物长势和产量变化信息的表达能力,同年份内时序归一化差值植被指数越大,对应的玉米产量越高;年际间遥感观测反射率的差异通过数据同化方法能够反映年际间玉米产量差的变化。该文提出的玉米估产方案为将来进一步结合多源遥感数据、植被冠层反射率模型与作物生长模型进行区域玉米估产研究提供了参考。     

基于聚类法筛选历史相似气象数据的玉米产量DSSAT-CERES-Maize预测

根据陕西杨凌、合阳、长武3个站点各2 a玉米试验,在对玉米生长模拟模型CERES-Maize进行调试、验证的基础上,探索在生育期内进行动态产量预测的方法并验证.研究将目标生育期内未知气象数据分别用试验地的多年历史同期数据代替,结合生育期实时数据对应生成多个完整的气象数据序列运行模型预测产量.随着生育期的推进,逐日在气象数据序列中融入目标年实测的气象数据,从播种至收获动态模拟玉米产量.此外该研究使用改进前后的K-NN算法从历史气象年份中筛选目标年的气象相似年份进而预测产量.通过对3种方法预测精度及预测效率对比,确定改进的K-NN算法最优.研究表明,玉米生育前期产量预测可靠性和准确率均较差,抽雄后预测精度迅速提高;利用改进的K-NN算法在3个站点全生育期预测产量的平均绝对相对误差的均值分别为9.9%、19.8%、17.9%,抽雄后预测产量的平均绝对相对误差在0.2%~12.6%之间,相比于使用全部历史年份数据进行全生育期产量预测,模拟所需时间从61 min缩短至25 min.对该方法中降雨因子的筛选进一步改进可提高预报精度,未来有望达到业务应用水平.     

中国作物生长模拟监测系统构建及应用

该文系统阐述了中国作物生长模拟监测系统（Crop Growth Simulating and Monitoring System in China, CGMS-China）的构建方法及其在国家级农业气象业务中的应用。CGMS-China是基于WOFOST、Oryza2000、WheatSM、ChinaAgroys 4个作物模型构建的系统,在作物长势监测评估、农业气象灾害影响评估、作物产量预报等农业气象业务中均有应用。该系统可进行作物长势监测、产量预报、农业气象灾害影响评估。利用CGMS-China模拟输出的地上生物量、叶面积指数、穗质量,建立作物长势评估指标,可对小麦、玉米、水稻进行实时长势监测与评估。通过CGMS-China对2014年8月中旬华北黄淮夏玉米的干旱产量损失评估和2016年6月22日早稻高温热害的产量损失预估表明,CGMS-China对农业气象灾害影响评估的效果较好。利用CGMS-China对2014年冬小麦主产省进行产量预报,各省的平均预报相对误差为7%。与此同时,在CGMS-China中利用遥感数据同化方法,对山西洪洞县进行产量预报,预报相对误差小于11%。该系统在国家级农业气象业务中具有良好的应用前景。     

基于APSIM模型评估北方八省春玉米生产对气候变化的响应

基于北方地区农业气象试验站春玉米多年田间试验数据和逐日气象数据,分析农业生产系统模型APSIM在北方八省春玉米产区的适用性,在区域尺度上识别春玉米发育期和产量的关键气象响应因子,模拟过去54a（1961?2014年）该地区春玉米的生长发育和产量形成过程,探讨春玉米发育期和产量对气候变化的响应规律。结果表明：验证后的APSIM玉米模型在北方八省春玉米产区具有较好的适用性。气温和土壤温度是北方各地春玉米发育期的首要关键气象响应因子,其中北方春播区春玉米各关键发育期对最高气温响应最明显,西北内陆区春玉米各关键发育期对最低气温响应最明显。平均气温、日最高气温、日最低气温和土壤温度的升高均会导致春玉米生育期（出苗、开花和成熟）日序提前,发育天数减少,春玉米提前成熟。北方春播区春玉米产量对温度、降水、日照时数响应明显,西北内陆区春玉米产量对温度和潜在蒸散响应明显,大部分地区温度的升高和潜在蒸散的增加会引起玉米产量的显著下降。     

地下水埋深对辽宁中部地区膜下滴灌玉米生长及产量的影响

为探讨地下水埋深对膜下滴灌玉米生长和产量的影响,以沈阳地区为例,选择郑单958玉米品种为试验材料,通过地下水埋深模拟系统设置地下水埋深1.0(D1.0),1.5(D1.5),2.0(D2.0),2.5(D2.5),3.0m(D3.0)共5个处理,对玉米生长指标、灌浆期光合作用、产量及耗水量等指标进行分析。结果表明:(1)不同地下水埋深下的株高、茎粗和叶面积指数达到峰值时的具体表现为D1.0D1.5D2.0D3.0D2.5,且D1.0和D1.5处理下的株高和茎粗达到峰值的日期(播后天数)较其他处理提前了10~20天。(2)D1.0处理下的净光合速率和蒸腾速率较其他处理分别提高18.05%~32.89%和18.50%~137.24%。(3)产量随地下水埋深的增加呈降低趋势,其中D1.0处理产量最大,达17 100kg/hm~2,且产量随着地下水补给和全生育期耗水量的增加而增加。通过对玉米产量影响因素与产量间的通径分析可知,地下水埋深通过增加叶面积指数和穗粒数使玉米增产。浅埋地下水(1.0~2.5m)有助于缩短玉米生育进程,增加叶面积指数,从而提高叶片光合作用能力,促进灌浆期玉米籽粒的形成,增加穗粒数使玉米增产。研究结果可为辽宁中部及类似地区不同地下水埋深条件下玉米高产栽培和节水灌溉提供科学依据。     

玉米行距变化对间作系统生产力及玉米生长的影响

间作系统中作物种间距离的变化直接影响着系统的生产力,因此,合理的种间配置是间作获得高产的前提。本研究总结归纳了2010年甘肃武威和2014年甘肃张掖的小麦/玉米、蚕豆/玉米间作系统玉米行距试验,旨在探明间作玉米在不同种植行距下对间作体系生产力的影响及玉米生长的差异。试验设置5个间作玉米的种植行距处理(D0:10 cm、D20:20 cm、D40:40 cm、D60:60cm、D80:80 cm),测定了作物产量、产量构成、生物量累积。结果表明:间作玉米行距变化对间作配对作物产量无显著影响,主要影响间作玉米产量;2010年,两间作体系间作玉米产量、体系混合产量、系统生产力(system productivity)均以D60最高,2014年均以D40最高;随玉米行距增大,系统生产力先增加后减小,拐点均出现在D60;玉米行距变化显著改变了玉米的穗粒数、百粒重、单株粒重;小麦/玉米体系,两年单株粒重峰值分别出现在D60(132 g·株~(-1))和D40(216 g·株~(-1));蚕豆/玉米体系均出现在D40,分别为158g·株~(-1)(2010年)和220 g·株~(-1)(2014年);不同行距处理下玉米共生期和单独生长期生长速率均存在差异,共生期各处理生长速率显著低于单独生长期,无论哪个时期,D40和D60处理的生长速率均占优。河西灌区小麦/玉米和蚕豆/玉米间作中玉米种植的最佳行距为40 cm和60 cm,此行距下间作系统可得到最大系统生产力。     

辽宁省生长季气候变化及其对春玉米产量的影响

为了明确气候变化对辽宁省春玉米产量的影响,基于1968—2017年气象站点数据,结合标准化降水蒸散指数(Standardized Precipitation Evapotranspiration Index,SPEI),运用M-K趋势分析、相关分析及回归分析等数理统计方法研究了辽宁省春玉米生长季各气候要素、干湿变化特征及其与春玉米产量的关系。结果表明:降水量除丹东呈增加趋势外,其它地区呈现减少趋势; 大部分地区温度呈现升高趋势,风速呈显著减弱趋势,相对湿度变化趋势不显著; 日照时数除辽阳、本溪呈不显著增加外,其他地区呈减少趋势。降水、最高温和平均温是影响辽宁省春玉米产量的重要因子,尤其是朝阳、葫芦岛、锦州、阜新和大连地区,春玉米对这些要素更敏感,与降水量正相关,与最高温、平均温负相关,未来降水量减少、温度升高将不利于这些地区春玉米生长。随着位置东移降水量逐渐以负效应为主,温度逐渐表现为正效应。除阜新、抚顺、本溪等部分地区呈现干旱化外,其他地区表现为不显著的湿润化趋势。朝阳、葫芦岛、阜新等地区春玉米产量对6月、7月的干湿变化较敏感,易受旱减产; 干旱化将使阜新春玉米生产形势变得严峻,朝阳、锦州、大连地区湿润化对春玉米生长有利; 沈阳、鞍山、辽阳和营口地区5—9月的干湿状况均对春玉米产量有影响,抚顺、本溪、铁岭等地区则易受6—8月的干湿状况影响,这些地区当前较适宜春玉米生长; 丹东地区易受涝减产,且湿润化趋势将会对该地区玉米生产造成不利影响。辽宁省不同气候要素及干湿变化对不同地区春玉米产量的影响效应有正有负,程度也各不相同,各地应因地制宜采取合理措施促进玉米丰产。     

基于作物生长模型参数调整动态估测夏玉米生物量

针对如何利用作物生长模型定量解析区域夏玉米生物量动态变化的热点问题,该文在沿东海岸的江苏省盐城市大丰区设置大田夏玉米生物量估测试验,在构建夏玉米生物量过程模拟模型的基础上,对夏玉米多个生育阶段的生物量(指地上部生物量)及其变化特征进行分析,并结合试验实测数据探讨利用实测叶面积指数和生物量数据调整生物量模拟模型参数的可行性。结果表明:夏玉米生物量过程模拟模型可以对夏玉米从出苗到灌浆期间的多个生育阶段生物量动态变化进行估测。出苗到拔节前的生长阶段,生物量积累主要来源于叶片形成,模拟模型可以对生物量进行有效预测,预测值与实测值之间的均方根差(root mean square error,RMSE)为18.31 kg/hm~2,相对误差为3.35%。拔节到抽雄前的生长阶段,由于茎节伸长与节数增加,生物量积累加快,预测值与实测值之间的差异较大。拔节初期生物量预测值为535.5 kg/hm~2,实测值为480 kg/hm~2,相对误差11.56%。抽雄前生物量预测值为7 036.46 kg/hm~2,实测值为5 794 kg/hm~2,相对误差21.44%。拔节到抽雄前生长阶段预测值与实测值之间的RMSE为825.94 kg/hm~2。经过模型参数调整,抽雄前生物量预测值为6 036 kg/hm~2,与实测值较为接近,RMSE为219.43 kg/hm~2,相对误差4.18%。利用参数调整后的模拟模型继续对抽雄到灌浆前生长期间生物量进行预测,预测值与实测值较为一致,灌浆期生物量预测值为11 156 kg/hm~2,实测值为10 785 kg/hm~2,相对误差3.44%,而参数调整前预测值为12 492 kg/hm~2,相对误差15.83%。在玉米拔节期进行模型参数调整,对拔节到抽雄和抽雄到灌浆2生长阶段的生物量预测效果较好。该研究可为县域夏玉米不同生长阶段生物量及其动态变化预测提供参考,可辅助县域农业管理部门进行适时生产措施调整。