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。     

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。     

基于球B样条函数的烟草叶片虚拟实现

植物三维形态的可视化模拟是数字植物研究的基础。该文综合应用球B样条曲线和插值B样条曲面实现了以脉序作为结构骨架的烟草叶片几何建模。首先利用三维数字化仪等数据获取装置获取烟草叶片脉序主要形态特征点的三维坐标和厚度,然后利用球B样条曲线对脉序进行三维建模,生成叶片的形态骨架,与由插值样条生成的叶片曲面合成,实现了烟草叶片的三维重建和真实感显示。结果表明,该方法得到的烟草叶片几何模型与传统方法相比具有较高的真实感,为植物叶片叶脉尺度的高真实感几何建模提供了新的手段。     

小麦群体生长状态实时绘制技术及实现

为了有效提高小麦群体可视化的真实感与实时性,该文提出一种基于多技术融合的小麦群体生长实时绘制的方法。首先,根据小麦群体形态建成规律,定量分析了小麦群体中个体间差异性。其次,在改进群体显示实时性方面,基于已有的小麦个体生长可视化,采用细节层次（LOD）模型,根据视点、视角和视线来动态指导空间剖分以及细节层次的选择;采用视域裁剪技术,通过减少被检测节点的数量和提高单个节点视域裁剪的处理速度来提高系统的渲染速度;基于小麦群体中个体器官形态的组成,结合树形多级显示列表技术,通过改进数据结构设计,提高场景的显示效率;在增强群体可视化真实感方面,基于已有的小麦形态模型输出,通过小麦群体中个体间差异性分析研究,采用外部引用和实例化技术,创建互异的个体实例样本,群体绘制时进行随机引用,提高了显示的真实感;最后,进行基于不同技术小麦群体绘制的效率与实例分析比较,结果表明,基于多技术融合场景绘制算法的小麦群体生长可视化,具有较好的实时性和真实感。研究结果为进一步建立小麦生长可视化系统奠定了基础。     

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。     

基于形态学图像处理的麦穗形态特征无损测量

小麦穗部形态参数是直接反应小麦生长状况的重要参数,是育种和考种专家关心的重要参数。为了实现小麦穗部形态特征的无损测量和基于这些特征的快速品种分类,该文提出了基于形态学的穗部性状：芒个数、平均芒长、穗长和穗型的自动提取方法。首先通过小麦图像的形态学运算将麦芒去除得到只有小麦主部的图像,通过寻找主轴方向角和旋转计算外接矩形长度的方法计算穗长,通过对麦芒图像的细化和角点检测方法计算芒长和芒个数,通过宽度系数比例判断穗型,然后利用提取的其中8个特征参数,设计了一个3层的BP神经网络,对4个小麦品种240张图片进行分类识别,识别准确率达到88%。该方法可为小麦快速品种分类提供参考。若能将小麦的其他外部参数同时作为品种识别的输入数据,将会大大提高品种识别的准确性。     

小麦根系长度的估算方法与参数分析

构建小麦根系伸长过程的动态模型,并对模型参数进行定量分析,可为植株形态建成模拟和可视化显示提供关键技术。根据根系生长发育的基本结构单元,利用根系与地上部叶片生长之间的同伸关系,以生长度日为时间尺度,建立了小麦初生根、节根与分枝根发生过程的模型;通过计算不同类型根系的生理年龄,建立了不同类型根系发育阶段预测模型;以线性方程为基础,建立了不同类型根的伸长过程模型,并实现了对总根长变化过程的动态模拟。利用独立的试验资料对所建模型进行了检验,结果显示模型对小麦总根长和主轴数量的模拟值与观测值的均方根差分别为370.68 cm和1.27个,相对误差分别为0.27和0.16;对模型参数的灵敏性分析表明,模拟结果对参数变化的响应比较适中,可以较好地反映小麦根系长度和拓扑结构的动态变化过程。     

Relationship between spike morphology and habitat of four <Emphasis Type="Italic">Aegilops</Emphasis> species of section Sitopsis

This study examines the relationship between spike morphology and natural habitat for 84 accessions of four Aegilops species, belongs to section Sitopsis, Ae. bicornis, Ae. longissima, Ae. searsii, and Ae. sharonensis in genus Aegilops, section Sitopsis, wild relatives of Triticum aestivum L. These species are considered valuable genetic resources for future cultivation and breeding of domesticated wheat. The goals of the study were to: (1) document variation in spike morphology among these four species; (2) examine the relationship between spike morphology and native habitat; (3) document geographical distribution of distinct spike morphology; and (4) examine the relationship between spike morphology and heading time and value for these four species. The results reveal significant differences in spike morphology among species of section Sitopsis. The most noteworthy variation involved the absence/presence of lateral awn, such that species with lateral awn were restricted in coastal, though species without lateral awn were mainly distributed in inland. This suggests that local climate may be a determinant of variation in lateral awn, and that this trait may be subject to convergent evolution. Differences in heading time in sympatric area were also observed. The differences may enhance species divergence and could represent a lead speciation event. The results of this study will facilitate identification of populations or accessions of wild wheat with favorable traits and/or novel adaptive genes.     

小麦麸皮结构层拉伸力学试样的手工制备方法探讨

制备小麦麸皮结构层试样是开展其机械特性拉伸试验的前提条件。能否利用手工剥离方法实现中间层和糊粉层的完整分离是制备小麦麸皮结构层试样的关键步骤，并形成了“两层说”和“三层说”的观点。该研究结合小麦麸皮结构层试样的制备要求，从小麦麸皮的显微组织结构、几何尺寸特性、实际剥离情况、宏观机械特性和杨氏模量复合法则等方面探讨了手工分离中间层和糊粉层的可行性问题。结果表明：利用手工剥离方法获得完整而纯粹的中间层和糊粉层试样是困难的。同时，明确了“三层说”分离中间层和糊粉层的方法是刮削工艺而不是撕离工艺，导致试样之间互相残留细胞组织，合理解释了两种试样的厚度和机械特性较为接近的原因。基于“两层说”的小麦麸皮结构层拉伸力学试验验证了层合板复合材料混合定律的普适应，表明当前利用“三层说”制备的中间层和糊粉层试样所得的拉伸力学特性参数的准确性不高。以上研究解决了手工分离中间层和糊粉层存在的一些疑惑，为利用小麦麸皮结构层机械特性探究其超微粉碎机理、优化其超微粉碎性能提供指导。