油菜作物模型研究进展

作物模型是农业模型的重要内容,主要分为作物生长模型和作物形态结构模型。从油菜生长模型和油菜形态结构模型及可视化两方面,较系统综述了油菜作物的发育、生长（光合、呼吸、分配等）、水分平衡、氮素平衡、器官建成及管理等方面的国内外研究进展,分析了油菜模型的研究现状及存在问题,并展望了未来油菜作物模型的发展前景。     

小麦生长模拟与三维可视化系统构建技术研究

作物生长过程的三维可视化是虚拟作物研究的关键技术之一,针对小麦形态结构复杂,小麦生长可视化不易实现的问题,以小麦作物为对象,在已有研究成果基础上,结合小麦生长模拟模型和形态结构模型,从系统结构与功能、系统设计与实现、真实感图形渲染技术（颜色渲染、纹理映射、光照处理）等方面入手,构建小麦生长模拟与三维可视化系统,实现了小麦生长模型和形态结构模型的有机结合,最终实现了小麦生长过程的三维可视化。小麦生长模拟与三维可视化系统将为小麦作物生长动态预测、栽培管理调控、作物株型设计等提供形象逼真的可视化工具,为小麦理想株型筛选,高产、高效、抗倒伏设计与优化等提供技术支撑。     

小麦苗期根系三维生长动态模型的建立与应用

【目的】构建小麦根系的三维动态模拟模型，并对模型进行初步的评估。【方法】采用GREENLAB植物功能-结构模型的原理，在根系生长发育基本单元基础上，模拟了根系的拓扑结构；通过模拟不同根个体（库）对植株分配给根系的生物量（源）的竞争，实现了生物量在根系中的分配；根据异速生长规则实现了根个体几何结构计算。通过温室土柱栽培试验对小麦苗期根系结构与生物量进行了测定，获取了模型参数，进行了小麦苗期根系结构与生物量分配的模拟与分析，并以三维可视化的方式给出根系的形态结构空间分布。【结果】通过模拟根系生物量在各类根个体中的分配并依据根个体生物量与形态的关系，该模型可以定量化地模拟根系结构生长的动态变化过程；不同类型根的长度测定值与模拟值的均方根差值在1.2～35.0 cm之间变化，相对误差值在0.01到0.23之间变化，R2在0.42～0.94之间变化；对模型参数灵敏性分析表明，模拟结果对参数变化的响应比较适中。【结论】GREENLAB模型的原理可以应用于对作物根系形态结构和生物量分配的动态模拟；模型参数的选择是合理的，构建的模型能够从机理层次反映根系的生长发育过程。     

冬小麦返青后叶片高度模型构建及三维可视化

作物生长模拟模型对作物生长管理调控、产量预测和经济效益分析等有重要指导作用,形态结构模型为作物理想株型筛选、高产、高效、抗倒伏等提供了有力技术支撑。针对小麦形态结构复杂,生长可视化不易实现的问题,以冬小麦品种济麦22、衡观35和衡4399为材料,在天津市武清区开展了不同小麦品种和施氮水平的田间试验,采集小麦叶片高度形态数据,分析各品种冬小麦返青后叶片高度和有效积温的定量关系,用Logistic方程构建冬小麦返青后不同叶位叶片高度模拟模型。经数据检验,叶片高度模型绝对误差在0.01~2.82 cm之间,根均方差(RMSE)在0.32~1.52 cm之间,表明所建模拟模型精度较高,该模型对不同品种冬小麦生长具有较好的预测性。借助该模拟模型和已有研究成果,构造了不同品种、不同施氮水平下的冬小麦植株形态,实现了小麦生长模拟模型和形态结构模型的有机结合,逼真模拟冬小麦返青后动态生长过程,实现了不同品种冬小麦不同施氮水平下的生长可视化。     

作物根系构型三维探测与重建方法研究进展

根系是作物获取水分和养分的重要器官,由于土壤的观测阻碍,根系三维形态的认知与表达成为作物根系深入研究的瓶颈。三维数字化、可视化是研究和认知作物形态结构的重要方法,研究具有表征根系长相长势及土壤中水分、养分等物质对作物根系构型的影响具有重要意义。本文从三维角度,综述了近年来作物根系构型探测手段、三维重构与可视化方面的研究进展。首先从破坏性探测与原位探测两方面介绍了近年来根系构型三维探测的方法。破坏性探测主要包括直接挖掘法、土块保护挖掘清洗法和平板扫描图像分析法,破坏性探测方法在获取全局或局部根系拓扑结构与平面几何构型参数方面具有较大优势;原位探测方法主要包括土壤中安置观察装置法、地面穿透雷达法、特殊培养环境法、CCD相机法、三维数字化方法及穿透射线成像法等,作物根系的原位探测保持了根系构型的空间分布信息,但大部分方法仅能针对作物生长初期或可控生长环境下的作物根系开展数据获取。由于作物根系探测数据大多以局部二维图像形式存在,文章综述了基于二维图像的作物根系平面几何构型解析的相关内容,包括基于二维图像的根系识别与参数提取的算法与相关软件。分析表明,目前作物根系数据获取仍存在:(1)数据获取费时费力;(2)方法局限性大;(3)数据完整性低;(4)各种方法所获取数据融合应用度低等问题。在根系探测的基础上,从三维建模与生长建模两方面介绍了作物根系三维建模与可视化方面的相关工作。其中,根系三维建模包括了基于模拟算法的几何建模和基于原位探测的三维重建两部分,基于模拟算法的几何建模是在人们对作物根系认识的基础上,结合计算机模拟算法,构建与实际根系具有形态相似性的根系三维几何模型;与之相比,基于原位探测的三维重建更能真实地反映作物根系的实际形态,其主要包括XCT、三维数字化等方法。最后,文章展望了数据缺失条件下的作物根系三维重建研究,认为在目前技术手段前提下,已可实现根系拓扑结构三维解析,但根系的空间分布重建难度较大,尤其是在大田环境下作物根系原位测量的前提下;此外,目前作物根系三维数据主要存在着数据缺失、各种数据各为己用等问题,认为有必要将小子样理论与数据融合相关方法引入到作物根系三维重建研究,实现缺失数据条件下有效利用多种数据获取手段的作物根系三维重建。     

小麦根系对水分亏缺的生物学响应

对水分亏缺下小麦根系生物学特性响应的研究进展进行了综述 ,从根系形态、生理生化、基因型进化角度阐述了小麦在水分亏缺下作物的自我反馈调节能力 ,并由此提出了作物在旱地或灌溉条件下 ,开掘土壤水分利用效率 ,进行生物节水的农艺措施     

水稻根系空间分布特性的三维建模及可视化研究

为明确水稻根系在土壤中的空间分布特性,应用"根箱法"进行试验,获取水稻根系坐标数据,分析根系生长随水稻生育进程的变化规律,采用植物模拟技术,建立了水稻根系三维形态模型,包括根节点初始位置的确定、根节点生长方向的确定、不定根位置的确定、不定根生长方向的确定等。根据水稻根系几何形态参数,采用Visual C++及Open GL标准图形库,对水稻根系的三维形态结构进行重构,使系统生成更加逼真的水稻根系图像。结果表明该模型对水稻根系形态结构动态生长具有较好的预测效果,同时也可为其他作物根系的可视化研究提供参考。     

基于有效积温的冬小麦返青后植株三维形态模拟

【目的】基于有效积温,利用三维建模技术,实现小麦生长模型与形态模型的有机结合,真实表达环境因素对小麦生长发育和形态结构的影响,最终实现小麦生长过程的三维可视化,为小麦作物生长动态预测、栽培管理调控、作物株型设计等提供重要参考。【方法】以天津地区主要推广小麦品种衡观35、济麦22和衡4399为材料,于2015—2016年冬小麦生长季内开展不同小麦品种和施氮水平的田间试验,采集各品种冬小麦在不同施氮水平下的叶长和最大叶宽等形态数据,通过分析各品种冬小麦返青后形态数据和有效积温的定量关系,用Logistic方程构建了冬小麦返青后叶片叶长、最大叶宽模拟模型,并对该模型进行检验;基于该模拟模型,计算各品种冬小麦返青后每个生长日的形态数据,借助OpenGL和NURBS曲面造型技术,构建冬小麦几何形态模型,最终实现冬小麦生长模型与形态模型的结合,实现了冬小麦返青后生长过程可视化。【结果】在不同品种、不同施氮水平下,小麦叶长回归方程R2值在0.772—0.983之间,F值在10.153—340.191之间,且Sig小于显著水平0.05,最大叶宽回归方程R~2值在0.853—0.999之间,F值在17.371—4 359.236之间,且Sig小于显著水平0.05,表明上述模型拟合度和显著性均较好。经数据检验,叶长模型绝对误差在0—3.88 cm之间,根均方差(RMSE)值在0.24—1.95 cm之间,最大叶宽模型绝对误差在0—0.28 cm之间,RMSE值在0.02—0.15 cm之间,表明所建模拟模型精度较高,该模型对不同品种冬小麦返青后的叶片生长具有较好的预测性;基于所建模拟模型计算冬小麦返青后逐日形态数据,可构造不同品种、不同施氮水平下的冬小麦植株形态,可逼真模拟冬小麦返青后植株动态生长过程。【结论】基于有效积温构建的冬小麦返青后叶长和最大叶宽模拟模型,可较好预测冬小麦返青后叶片生长状态,可实现小麦生长模型和形态模型的有机结合,实现不同品种冬小麦在不同施氮水平下的叶片生长可视化。     

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。     

植物可视化研究进展

近40年来，以作物群体阶段发育和干物质积累为对象的作物生长模拟研究得到了长足发展，各种模型及基于模型的作物辅助决策系统在农业生产中也已得到初步应用。但以个体或群体形态结构为研究对象的植株可视化却是近几年才发展起来的，目前已成为作物模拟研究新的领域。可视化研究是植物结构模拟技术和虚拟现实技术在作物生长模拟中的应用。随着信息农业的发展，作物生长过程可视化必将进一步深入。本文简要介绍植物可视化研究的国内外研究进展和今后的发展趋势。     

气候变化背景下我国农业模型模拟研究进展

概述了我国在未来气候变化下主要粮食作物(水稻,小麦,玉米)的模型模拟研究的概况,主要包括粮食产量和敏感性、脆弱性研究。作物模型与气候模式相结合的模型模拟研究是目前的主流方法。虽然我国的模型模拟研究取得了一定的进步,但当前研究所用的作物模型大多是国外的模型,国内的模型模拟水平还有待提高。针对目前研究中存在的问题,认为在气候模式本身、温室气体排放情景、应用技术的不确定性、作物生长模拟模型和农业气候变化的脆弱性等方面应进行重点研究,为准确评价气候变化对我国农业生产的可持续发展提供理论依据。     

作物根系结构对干旱胁迫的适应性研究进展

干旱是影响植物生长和作物产量的重要环境因素,全球性的气候变化更加剧了干旱胁迫对作物生产和粮食产量的影响。根系是植株吸收水分的主要器官,它能够调节自身生长发育和对水分的吸收和运输从而对干旱胁迫产生适应性,因而根系在作物适应干旱缺水环境中发挥重要作用。从根系构型和根的解剖结构两方面总结了作物根系形态结构对干旱胁迫的适应性研究进展,并分析了目前根系结构研究方法的现状,指出通过研究方法和技术手段的进步和创新,实现根系表型特征全面、快速和精准鉴定将是未来的发展趋势,这将为抗旱节水作物品种的筛选和评价提供理论指导。     

禾本科作物节单位研究进展

节单位(phytomer)是禾本科作物形态结构基本组成单元,是模块化理论在禾本科作物形态结构认知上的延伸,也是禾本科作物结构与功能的研究尺度之一。基于节单位结构与功能的模块化属性,综述了禾本科作物节单位的概念及其在作物结构与功能研究中的应用。首先从节单位的概念出发,介绍了节单位概念发展过程;然后分别从结构和功能的角度对基于节单位的禾本科作物研究进展进行了总结,结构研究主要从拓扑结构、几何结构、形态建成三方面阐述,功能研究主要从光合产物分配、生育期预测和发育过程等方面进行分析;最后从节单位定义的规范性、几何结构重建、表型数据提取及显微结构等方面对基于节单位的禾本科作物结构功能研究进行了展望。     

基于多视角图像的植物三维重建研究进展

快速重建植株三维结构并以三维可视的方式分析研究农作物的形态结构和生长过程、进行表型测量是数字植物及作物育种研究的热点和难点。概述了植物三维重建的研究现状和主流植物三维重建技术,并对各种技术的方法原理和技术优势进行了分类和对比;重点介绍了基于多视角图像三维重建方法 SFM和MVS的研究进展、技术原理以及相关软硬件系统平台;分析了近几年基于多视角图像三维重建方法在植物三维重建中的应用进展,基于多视角图像三维重建方法具有数据获取成本低、获取点云精度高、植物三维重建质量高等技术优势,同时指出了该技术方法的不足之处和未来技术发展趋势,以期为植物三维重建技术的发展、植物表型组学的研究以及低成本高通量设备的研制提供有益参考。     

土壤水分运动与作物生长过程耦合机理模型初探

根据冬小麦生长发育与土壤水分条件关系的机理研究,建立了田间条件下的土壤水分运动与作物生产耦合机理模型。该模型包括土壤水分运动子模型和作物生长发育子模型,分别模拟了棵间蒸发、根系吸水、生育期、光合、呼吸、同化物分配、根系生长、叶面积增长、产量形成等过程。用1995-10～1996-06的田间试验资料对模型进行验证,结果表明该模型能较好地模拟土壤水分运动与作物生长发育过程的耦合关系。     

光对作物根系影响研究进展

对光照度、光质和光照时间对作物根系生长发育、形态结构、生理生化的影响进行了综述,并提出了光与作物根系关系研究领域的主要研究方向和关键问题.