虚拟植物模型及可视化研究

虚拟植物模型是当前农业信息技术与计算机图形领域主要的研究课题之一。所谓虚拟植物模型就是通过计算机来仿真模拟植物生长过程,其在农林业领域拥有广阔的发展前景。本文将对虚拟植物模型的分类进行阐述,并介绍和分析基于X3D技术基础上的一些关键技术与优势,从而进一步的探讨基于该虚拟植物模型技术的原理和方法。最后,针对当前国内外该技术的应用现状及在应用中的一些问题,为未来该领域的研究进行展望。     

虚拟植物模型及可视化研究

虚拟植物模型是当前农业信息技术与计算机图形领域主要的研究课题之一。所谓虚拟植物模型就是通过计算机来仿真模拟植物生长过程,其在农林业领域拥有广阔的发展前景。本文将对虚拟植物模型的分类进行阐述,并介绍和分析基于X3D技术基础上的一些关键技术与优势,从而进一步的探讨基于该虚拟植物模型技术的原理和方法。最后,针对当前国内外该技术的应用现状及在应用中的一些问题,为未来该领域的研究进行展望。     

虚拟间作植物根系竞争生长的可视化系统研究

基于模拟根系形态结构的Simroot系统的几何建模理论,结合计算机图形学方法建立了虚拟间作植物根系竞争生长过程的三维可视化模拟系统。将间作大豆—玉米根系的生长参数输入模拟系统中进行模拟。结果表明,该系统能够形象逼真地显现间作植物根系竞争生长过程中的形态结构和生物特性。     

基于Xfrog的树木建模及生长模拟

为探讨树木模型和生长动画的模拟,真实简单的模拟植物模型及其生长,对Xfrog植物模型生成软件进行研究。在客观分析树木建模及生长模拟难点的基础上,研究了Xfrog中表达树木拓扑结构的核心原理及其制作树木生长动画的基本方法;详细探讨了采用Xfrog进行树木建模和生长模拟的流程及其关键问题;并基于Xfrog实现了油松、侧柏、栓皮栎等多种北京山区的代表性树种的建模和生长模拟,取得了逼真的模拟效果。该法可用于树木几何模型及其生长动画的快速制作,并对研究树木模型表达和生长模拟具有借鉴意义。     

虚拟植物研究进展

当今植物科学和计算机技术得到了迅速发展,作为科学与艺术的结晶——虚拟植物模型的研究也得到了快速发展。在数据采集上,从简单的手工采集发展到以激光扫描、近景摄影等方法,极大地提高了数据获取的速度和质量,加速了植物建模的过程,提高了植物建模的精度。在建模方法上,从结构建模、图像建模发展到结构与图像建模相结合的手段。在模型的类型上,分为功能性模型与非功能性模型。功能性模型的研究范围也从单一的生态性研究发展到生态生理性研究。现在,已经发展到了微观水平,开始研究基因与植物形态关系,形成了以虚拟植物模型为中心,以植物个体形态为主导的宏观、中观和微观3个层次的研究格局。     

龙眼果实几何建模与生长过程模拟研究

通过对虚拟植物植株和器官两级几何建模,提出一种以Bezier曲线为核心、结合三维自由曲线轴和果实外形控制曲线的植物果实建模新技术。根据果实的不同品种,分别确定轴曲线和半径控制曲线,以实现外形各异的果实三维模型。同时,运用消隐处理、光照处理、凹凸纹理映射等多种技术对生成的果实模型进行真实感处理,以提高模型的逼真程度。基于所设计的建模方法,以龙眼果实为例,进行单果建模与仿真,并依据龙眼果实生长发育的生物学特性,结合果园实地考察与观测,对其生长发育过程进行模拟,生成不同生长阶段的虚拟龙眼果实。该果实模型构建方法,模型参数的植物学意义明确、易于理解、便于计算机实现,构建的模型具有可控性好、精确度高、通用性强等优点,适合于多种类果实的几何建模,对于果实三维几何模型的构建和生长过程模拟研究具有一定的借鉴意义,为龙眼果实的生长调控和虚拟果园的经营管理提供一种辅助工具。     

基于L-系统规则组合机制的植物建模新方法

L-系统是基于植物学规则进行树木建模的经典方法之一,已被广泛地应用于虚拟植物生成与应用中,但在实际建模中还存在规则提取难,建模周期长等问题。针对这个问题提出了L-系统规则组合的建模新方法,该方法利于树木形态及生长规则的复用,从构建基本的分枝结构、叶序、花序和果实等器官不同造型库出发,并结合相关的植物形态学、植物生理生态学知识和野外实测的树木形态因子数据,进行器官模型组合,最终形成树木三维几何模型。最后以龙眼树等为建模实例,基于该方法快速实现了三维建模,取得了较好的效果。目前该方法较适于构建具有复杂器官的高大乔木,还不足以模拟所有的植物,通过介绍该方法,希望在一定程度上降低L-系统建模的难度,达到快速建模的目的。     

基于图像特征提取的生菜形态可视化建模

植物形态可视化技术是实现虚拟农业中关键技术之一.该文对生菜图像进行预处理后,研究图像的各个特征,并提取生菜叶片的R、G、B颜色特征和叶片长度、宽度等特征.基于提取的各个特征,在OpenGL平台上,对生菜进行三维可视化建模,并进行颜色、光照模拟等渲染处理,主要建立了生菜二维图像与三维可视化模型之间的联系,实现生菜的可视化,能够直观地表现生菜的成长状态.将虚拟植物技术应用到农业领域的教学中,能够帮助同学直观地学习理解,对于农业科研、教育有积极作用.     

基于分形L系统的水稻根系建模方法研究

【目的】根系建模是虚拟水稻可视化模型中重要的组成部分,是认知以及研究水稻根系形态结构的重要方法,并为精确农业提供依据,本研究旨在构建仿真效果较好的水稻根系模型。【方法】利用水培法开展试验,测定水稻根系各类形态参数。【结果】构建了基于分形L系统的水稻根系模型,包括不定根模型、分枝根模型、旋转角度等信息。首先根据水稻根系形态特征解析出分形L系统的产生式,然后借助MATLAB软件实现了根系的形态模拟,最后根据模拟效果图进一步优化了分形L系统的产生式,提高了模型精度。【结论】构建完成的模型能够较好地模拟水稻根系的生长过程,在智慧农业发展过程中,具有一定的参考价值。     

作物生长实现数字化分析

本项目研究人员经努力实现了玉米、水稻实株型结构数字化设计，为超高产育种、资源高效利用提供了先进的高新技术研究手段。提出了一种植物拓扑结构建模方法和基于结构一功能模型的虚拟植物生长的体系架构，建立了基于数字化技术的植物形态结构信息采集系统与植物器官形态描述模型，对玉米、水稻等主要农作物形态进行了三维数字化测定，构建了器官形态描述模型与参数库，实现了叶片生长过程中的3维空间取向规律与冠层空间光分布的3维模拟的定量分析，并基于双尺度自动机和马尔可夫过程原理，构建了根系生长的模拟模型。     

基于功能-结构互反馈的虚拟植物建模研究

[目的]研究基于功能-结构互反馈的虚拟植物建模方法。[方法]在分析当前虚拟植物建模方法缺点的基础上,提出了基于功能-结构互反馈思想的建模方法,详细阐述了该方式建模的各个步骤,包括形态结构模型的确定、生物量生产模型的确定、生物量分配模型的确定、器官重建模型的确定以及形态结构模型与功能模型的融合方法。[结果]基于功能-结构互反馈的机制突破了生理生态模型与形态结构模型的界限,可以解决2类模型之间数据传输的困难,建立融合2者于一体的模型,能够有效的反映植物形态与功能之间内在的关联关系,更加符合植物的生长机理。该建模方式在动态模拟植物生长方面具有显著的优越性。[结论]基于功能-结构互反馈的虚拟植物建模方法为下一阶段植物生长状态的模拟提供了基础,对动态准确的模拟植物的生长过程有着重要意义。     

基于功能-结构互反馈的虚拟植物建模研究

[目的]研究基于功能-结构互反馈的虚拟植物建模方法。[方法]在分析当前虚拟植物建模方法缺点的基础上,提出了基于功能-结构互反馈思想的建模方法,详细阐述了该方式建模的各个步骤,包括形态结构模型的确定、生物量生产模型的确定、生物量分配模型的确定、器官重建模型的确定以及形态结构模型与功能模型的融合方法。[结果]基于功能-结构互反馈的机制突破了生理生态模型与形态结构模型的界限,可以解决2类模型之间数据传输的困难,建立融合2者于一体的模型,能够有效的反映植物形态与功能之间内在的关联关系,更加符合植物的生长机理。该建模方式在动态模拟植物生长方面具有显著的优越性。[结论]基于功能-结构互反馈的虚拟植物建模方法为下一阶段植物生长状态的模拟提供了基础,对动态准确的模拟植物的生长过程有着重要意义。     

基于Agent的植物生长系统体系结构

介绍了虚拟植物建模的主要方法以及Agent的定义和特征,指出了在虚拟植物研究中引入Agent理论是解决目前植物生长模型构建方法存在局限性的一种有效途径。依据植物生长的生命体特征,建立了一种基于Agent的虚拟植物体系结构,并应用到大豆生长系统中。该体系结构对于模拟植物群体基于竞争的生存过程、研究植物进化具有一定的参考价值。     

根系分泌物的研究现状及其在农业和环境中的应用

根系分泌物是植物与外界环境进行物质交流的重要媒介,是构成植物不同根系微生态环境特征的主要原因之一.因此,研究根系分泌物对于进一步明确植物的生理活动规律及其与环境之间的关系具有重要的理论和实际意义.综述了根系分泌物的研究方法以及影响根系分泌物的环境因素等方面的研究进展,并对根系分泌物在农业和环境中的应用进行了概述,提出了...     

水稻根系三维建模及可视化方法研究进展

根系是水稻获取养分的主要器官,水稻根系三维建模及可视化有助于进一步了解其根系的形态、结构和功能。随着计算机视觉和非侵入性技术的不断发展,根系形态和功能研究已进入数字化和可视化的阶段。近年来许多研究者分别从制作出土根系手绘图、计算机断层扫描(CT)等非侵入性技术、数学建模以及仿真模拟等方面推进水稻根系三维建模及可视化的研究。根系数据的获取是三维建模的有效前提,根据是否破坏根系原有生长环境,根系数据探测被分为破坏性探测和原位探测两类,本文对比分析了两种探测方式的方法和特点。从人工观察测量、机器视觉、光学仪器或断层扫描的三维数字化等方面对水稻根系的三维建模进行了阐述,总结了水稻根系三维建模及可视化的研究进展,并对当下主流三维重构技术进行分类和对比,总结了不同根系三维重构方法在重建效果、成本、操作水平等方面的优劣势。此外,由于根系生长在复杂多变的土壤环境中,不同时期根系的生长发育受土壤紧实度,水分、养分分布等因素的影响而存在差异,且受限于土壤的不透明和不稳定性,更多水稻根系的三维建模研究主要停留在根系基本指标与非环境因素(如土层深度、时间)的统计拟合及单环境因子对水稻根系生理生态的影响上,而根系与多环境因子动态交互方面的研究较少。在高度非结构化的根系数据处理困难的情况下,探究水稻根系与环境的动态转化过程及根系生长与多环境因子的定量关系模型将成为未来根系三维建模研究的重要方向,为构建更具真实意义的可视化模型提供基础。     

基于位置动力学的植物动态虚拟仿真方法

植物真实感动态虚拟仿真不仅是当前现代农业科学与植物学领域面临的难点问题之一,也是计算机应用与虚拟现实技术领域的研究热点。建立基于物理属性的真实感植物动力学模型,并利用基于物理过程的动态虚拟仿真算法是有效提高植物动态模拟真实感效果的途径。基于位置动力学的方法是一种高效模拟物体运动学-动力学过程的新方法,可有效模拟刚体、柔体目标的动态物理过程。建立一种基于位置动力学的植物动态虚拟仿真模型,引入距离约束和角度约束条件,以玉米为例实现自然条件下主要器官、植株和群体的动态虚拟仿真,获得玉米三维可视化仿真结果,与传统的基于质点弹簧模型的模拟方法相比,模拟过程具有较高的执行效率,最后对算法执行效率效果及其局限进行了分析讨论。为植物动态虚拟仿真方法研究提供新的技术参考。     

土壤水动力学模型在SPAC系统中应用研究进展

从土壤水动力学典型的裸地蒸发模型、蒸发蒸腾量模型、土壤水分入渗模型出发,综述了SPAC系统下国内外现行的植物根系吸水模型、溶质运移模型、农业生态系统模型等研究进展,归纳和讨论了目前土壤水动力学模型在SPAC系统建模中存在的问题与不足。并对该领域的研究方向和应用前景进行了展望：建立准确的数值模型来解决实际问题是蒸发蒸腾量模型未来研究的趋势;入渗模型从点至区域的动态扩展,并结合土壤侵蚀、污染物运移等因素的农业倾向性研究为潜在的重要分支方向;根系吸水模型应更多被用于监测土壤水分动态、设计合理的灌溉制度及干旱预警等体系;利用计算机、遥感等技术手段建立农业生态系统物能循环的机理性模型将为模型的实用性和精度提供有力支撑。     

植物根系分泌物与农作物生长发育之间关系的研究进展

植物根系分泌物是植物根系在生长和发育过程中产生的一种生物活性物质,具有多种生物学和生态学作用。本文综述了植物根系分泌物的成分、生物学作用和应用前景,并探讨了其在农业和环境领域的应用价值。研究表明,植物根系分泌物可以作为一种新型生物肥料,提高土壤肥力和农作物产量；可以降低化肥和农药的使用量,减少对环境的污染；还可以促进土壤微生物的生长和繁殖,维持土壤生态平衡。未来的研究应该进一步探究植物根系分泌物的作用机理和调节作用,开展其在不同作物和土壤类型下的应用研究,注重其产业化推广,推动其在农业和环境领域的应用。     

植物三维建模研究现状

植物三维建模是农学、地学、生物学、植物学、生态学等领域的研究热点之一.近年来,伴随计算机图形学、数学、计算机软硬件技术和测量技术的快速发展,虚拟植物三维建模和真实植物三维建模技术得到快速发展.本研究回顾了基于L-系统的虚拟植物三维建模研究现状,并总结了该方法存在的问题;综述了基于激光雷达新技术的两类真实植物三维建模方法,介绍了国内外的新方法,总结了该领域今后的两点重要研究内容.     

植物根际对增强紫外线-B辐射的响应

臭氧层减薄导致地表中波紫外-线B(UV-B,280~320 nm)辐射增强,UV-B辐射能量远高于可见光,并且能被植物体内蛋白质和核酸等生物大分子吸收。当前,植物的UV-B效应研究主要集中在地上部分,对地下部分的研究很少。综述了近年来增强UV-B辐射对植物根际影响的研究进展,主要包括根形态、根系分泌物、根际微生物和根系中矿质营养。并就今后该方面的研究提出建议。