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。     

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。     

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。     

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.     

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     

玉米生长三维显示模型研究初探

动态显示玉米的生长、发育和产量形成过程,有利栽培管理。本研究主要目的是建立一个基于生长模拟模型的可视化系统,从而反映玉米生长、发育和产量形成的实时动态。有关玉米生长、发育和产量形成的基本算法与品种、环境和生产水平密切相关,其主要来自于现有文献和研究数据。基于生长模型的逐日输出,耦合玉米种子、根、茎、叶和穗等的形态建成和生长规则,从而建立了玉米形态变化的数学模型。通过计算机图形学、Visual C＋＋和OpenGL,本文建立了基于生长模拟模型和三维动画技术的玉米可视化模型系统,其能基本反映玉米生长、发育和产量形成规律,并具有结构简单、界面友好和图像真实等优点。     

整株干物质量分配指数模型模拟冬小麦各器官形态参数

作物生长机理模型可以定量描述作物生长发育及其与环境因子的动态关系,具有通用性、动态性和预测性的特点,但基于生长机理模型模拟结果的作物虚拟技术与方法尚缺乏研究。针对基于生理过程的小麦功能模型与三维结构模型之间不能很好衔接的问题,该文开展越冬期后不同小麦品种的主茎干物质量在不同器官之间的分配研究,以有效积温和干物质量为连接纽带,构建小麦叶片、叶鞘、茎秆、穗各器官的几何特征模拟模型,并用独立数据进行了验证。结果显示:穗干物质量分配指数模拟效果最好,RRMSE值和EF值分别为6.58%和0.98;叶片、叶鞘和茎秆的分配指数模拟效果较好,RRMSE值分别为13.86%、10.83%和14.87%,EF值分别为0.98、0.97和0.91。麦穗形态参数模型和叶鞘长度模型具有非常好的模拟性能;叶片长度和最大叶宽模型、茎秆长度和直径模型具有较好的模拟性能;叶鞘形态参数模型对于叶鞘展开宽度的模拟效果一般,需要在后续研究中对拟合方程和模型参数进一步修正。该系列模型以干物质量为参数输入,能够生成小麦主茎三维形态模拟所需的各器官逐日几何特征参数,参数反映了品种特性、生长环境及气象因素对作物生长的影响,是一种实现小麦功能模型与结构模型实际结合的有效方法。     

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。     

基于语义驱动的日光温室图纸三维建模方法

为了从日光温室施工图纸中重建出温室结构三维模型,提出基于语义映射的施工图纸三维重建方法。首先解析和分类日光温室施工图纸DXF文件,从中识别和理解主要特征构件,建立日光温室构件语义模型并生成分层控制参数,进而基于参数化驱动日光温室三维建模,最后对日光温室三维模型进行真实感渲染。该方法整合CAD制图与三维建模技术,有利于提高日光温室施工图纸的读图效率,建立的三维温室模型具有保真性、交互性和真实感等特性,可用于工程量和造价计算、温室结构优化以及虚拟展示。     

作物模型研究与应用中存在的问题

该文以CERES-Wheat、Maize模型为例,系统阐述了作物模型的研究与应用发展情况,分析了模型当中仍然存在的问题,指出在冠层结构与作物光能截获计算方法和作物水分、养分对生长过程的胁迫机理与定量方法方面需要深入的实验研究,以探索其机理,提高模型模拟预测性能.该文强调指出目前绝大多数的作物模型是空间一维的田间尺度模型,借鉴区域生物地球化学循环模拟方法或与分布式水文模型耦合进行尺度扩展开发区域尺度作物模型,既是区域水、土资源评价与管理的应用需求,也将能促进作物模型发展并发挥更大作用.     

小麦叶形空间分布的模拟模型及推理系统

对不同类型冬小麦品种叶形空间分布参数进行了定量描述,建立了叶片形状、叶面积指数随生长期的变化、叶面积随高度的分布及叶倾角分布(LAD)等叶形空间分布的模拟模型及推理系统,提出了叶片形状因子和长势模拟模型,单叶空间最高点、高度层间隔内累积投影叶面积及各组分的空间取向与叶倾角分布解析模型系统及其主要设计算法。上述模型为具有普适意义的冬小麦冠层结构机理模型,其推理系统可以精确计算任意高度层次的投影叶面积分布特性,是评价作物株形结构优劣判断群体结构合理与否的有力工具,同时对于解析和利用多角度遥感数据监测作物长势等也具有重要参考价值     

人工混交林的林分可视化研究

随着计算机科学与图形学的快速发展,林分可视化技术已经成为21世纪数字林业和精准林业的重要支撑。以林分可视化系统(stand visualization system,SVS)基本原理为切入点,利用木兰围场国有林场森林植被调查数据,详细介绍了该模型的使用方法,展示了研究区内华北落叶松(Larix principis-rupprechtii)-白桦(Betula platyphlla)单木树形设计与人工混交林林分可视化的基本流程,并对模拟结果进行了分析与讨论。研究结果表明,林分可视化系统可生成直观、立体、精美的林分可视化效果图,并可提供林分树种分布、胸径分布、垂直结构、郁闭度等大量林分基础数据信息;可在虚拟森林环境中设计或调整森林经营方案,模拟森林经营的全过程,是实现森林经营可视化的理想工具;最后,讨论了林分可视化系统现阶段应用的局限性与未来的发展方向。