基于形态特征参数的稻穗几何建模及可视化研究

 【目的】建立基于形态特征参数的稻穗几何模型,实现稻穗的可视化。【方法】通过对稻穗形态建成过程中关键特征的观测分析,利用三维几何建模技术,构建基于形态特征参数的稻穗几何模型,包括穗曲线、穗轴、次枝梗和小穗几何模型;用Bezier曲线来拟合穗曲线,将二维空间的穗曲线映射到三维空间,构建穗轴几何模型;用一段穗轴及圆柱体模拟一次枝梗和二次枝梗;并分别用椭球体及圆柱体模拟小穗的谷粒及小枝梗,最后基于稻穗的拓扑结构,构建稻穗几何模型。模型参数主要有穗长、穗倾角、一次枝梗长、一次枝梗数目、二次枝梗长、二次枝梗数目、谷粒大小等。【结果】在稻穗几何模型基础上,基于OpenGL图形平台,实现了稻穗生长过程的三维可视化, 较好地描述了稻穗形态建成过程。【结论】稻穗的可视化为建立可视化水稻生长系统奠定了基础,同时对其它作物的可视化表达也有很好的借鉴意义。     

基于高斯函数的水稻叶曲线动态模拟

【目的】以高斯函数为基础构建空间曲线模型,模拟研究水稻叶曲线空间变化特征。【方法】基于不同年份与施氮水平的水稻桶栽试验,定期利用三维激光扫描仪FastScan获取水稻主茎不同叶位叶曲线空间坐标数据,并利用动态建模技术构建水稻主茎不同叶位叶曲线动态模拟模型。【结果】水稻主茎不同叶位叶曲线末端与y轴正方向的夹角（AH）随生长度日（GDD）呈快-慢-快的变化趋势,符合S型曲线;从第1叶到第7叶,AH的最大值随叶位增加而增加,随后随叶位增加而减小;鞘叶夹角∠BFC与AH呈极显著线性关系。本文利用Logistic方程分别描述了不同施氮水平下水稻主茎各叶位叶曲线对应的AH以及叶曲线模型参数Sm随生长度日GDD的变化;使用分段函数描述了AH最大值随叶位的变化;将适宜施氮条件下水稻主茎第7叶位叶曲线末端与y轴正方向的夹角作为品种参数量化品种对叶曲线的影响,引入氮素影响因子量化不同氮素水平对叶片披垂度的影响。利用独立田间试验资料对所建立的模型进行检验后显示,不同施氮水平下主茎不同叶位叶曲线实测点到模拟曲线的改进Hausdorff距离（LTS-HD）的均值在分蘖中期和拔节期分别低于0.88 cm和1.18 cm。【结论】模型对水稻主茎叶曲线的空间动态变化过程具有较好的预测性,研究结果为进一步提高水稻叶片及植株的可视化效果提供了技术支持。     

基于三角形折叠的植物叶片曲面网格简化方法研究

为在保留植物器官形态重要特征的前提下,适度精简原始三角网格数据,以满足计算机三维建模及应用的需要。通过改进Isler等"基于三角形折叠的网格简化方法",提出了能够有效解决简化过程中出现网格交叉、大钝角三角形和狭长三角形现象的算法,构建精简叶曲面网格的新方法,并使用三维激光扫描仪采集得到的烟草叶片结构数据对该方法进行评价。结果显示当冠层简化比例为90.3%时,渲染效率提高86.1%,并且简化后叶片仍然逼近原始结构。结果表明:使用该算法不但能显著减少叶曲面三角形网格的数目,而且能很好地保留叶曲面形态特征。该算法可应用于不同形态类型叶片的简化,包括褶皱度很大的叶片。该研究可为植物冠层可视化与植物冠层光环境模拟等方面提供有力的支持。     

基于图像处理的水稻叶片三维可视化研究

介绍利用数字图像处理技术提取水稻叶片几何参数及边缘轮廓曲线的方法,分别利用三角网格化技术和贝塞尔曲线来描述叶片边缘信息,并对2种方法进行比较。通过二次生长曲线方程实现了水稻叶片的三维建模及可视化表达。     

基于点云数据的植物叶片三维重建

叶片是植物最重要的器官之一,为构建植物叶片的高精度几何模型,提出了一种基于三维点云数据的植物叶片几何建模方法。针对植物叶片形态特征,选定最适三维扫描仪进行叶片点云数据获取,通过点云的配准、简化及去噪等操作得到高质量叶片点云数据,在此基础上进行叶片网格生成与网格优化,最终得到高精度植物叶片网格模型。利用该方法分别对黄瓜、玉米和两个品种的葡萄叶片进行几何建模,结果表明,所构建的叶片模型能够较好地保持叶片形态特征,且较以前的方法在精确度和真实感方面有了较大的提高。该研究对于推动数字植物几何建模及进一步基于几何模型的可视化计算具有重要意义。     

水稻叶片三维可视化建模

根据水稻叶片的三维形态特征,应用Hermite曲线描述的水稻叶片边缘信息和简单一元二次曲线描述的叶中脉空间曲线,构建了一种符合生物学规律的水稻叶片弯曲三维模型。并且通过对叶片边缘点绕叶中脉的旋转构建了叶片的扭曲模型,较真实地反应了自然条件下水稻叶片的三维空间形态。     

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。     

基于多段式等比例点的水稻叶片几何模型研究与三维实现

在试验观测的基础上,通过对水稻叶片在不同时期、等比例截断点的叶长与叶宽之间定量关系的分析,利用一条二维曲线与多段3阶B样条联合曲线共同构建水稻叶片几何模型,以便更准确地模拟出水稻叶片的虚拟生长.实践证明:该方法能够较为准确地根据叶长、叶宽、叶形等参数模拟水稻生长叶片,且与生产中水稻叶特征变化相一致.利用水稻叶片在各时期的空间坐标试验数据对叶曲线方程进行模拟分析,结果表明基于多段式等比例点的叶曲线方程可以更加准确、可靠地表现水稻叶曲线特征.     

Preliminary Studies on Thickness of Nondestructive Rice （Oryza sativa L.） Leaf Blade

Two varieties, Yuexinzhan and Guangchao 3, were used to study leaf thickness in rice in this experiment. The thickness of the leaf blade was measured by the nondestructive leaf thickness instrument, which was modified from the thickness instrument for steel objects （John Bull, England）. The contacting area between the leaf and the probe of the instrument was 0.5 cm^2. There was no significant difference between the thickness of steel materials measured by the nondestructive rice leaf thickness instrument and the micrometer. The correlation between the thickness of the rice leaf blade measured by the nondestructive rice leaf thickness instrument and the specific leaf weight （SLW） was significant （P 〈 0.05 or P〈 0.01）. The results also showed that the rice leaf thickness was uneven and asymmetric. The thickness and SLW of flag leaf tended to increase from the base to the tip of the leaf blade. The middle part of the second and third top leaf was the thickest, but no significant difference in thickness between the basal part and the fore part was found. Drawing a line on the main vein in the top three leaves, the left part was thinner than the right part. The thickness of the lower leaves （6/0-9/0） on the main culm tended to increase with increasing positions of the leaves in the early and middle stages, but the tendency was not the same for the higher leaves （10/0 upwards）, although the higher leaves （10/0 upward） were thicker than the lower leaves （9/0 or downward）. Furthermore, different CO2 concentrations （550±30, 460 ± 30 μmol mol^-1） in the growth boxes had no effect on the thickness of rice leaf blades. It can be concluded that the measurement of rice leaf thickness using the nondestructive rice leaf thickness instrument is simple, precise, and nondestructive.     

Modeling leaf color dynamics of winter wheat in relation to growth stages and nitrogen rates

The objective of this work was to develop a model for simulating the leaf color dynamics of winter wheat in relation to crop growth stages and leaf positions under different nitrogen (N) rates. RGB (red, green and blue) data of each main stem leaf were collected throughout two crop growing seasons for two winter wheat cultivars under different N rates. A color model for simulating the leaf color dynamics of winter wheat was developed using the collected RGB values. The results indicated that leaf color changes went through three distinct stages, including early development stage (ES), early maturity stage (MS) and early senescence stage (SS), with respective color characteristics of light green, dark green and yellow for the three stages. In the ES stage, the R and G colors gradually decreased from their initial values to steady values, but the B value generally remained unchanged. RGB values remained steady in the MS, but all three gradually increased to steady values in the SS. Different linear functions were used to simulate the dynamics of RGB values in time and space. A cultivar parameter of leaf color matrix (M_RGB) and a nitrogen impact factor (FN) were added to the color model to quantify their respective effects. The model was validated with an independent experimental dataset. RMSEs (root mean square errors) between the observed and simulated RGB values ranged between 7.0 and 10.0, and relative RMSEs (RRMSEs) ranged between 7 and 9%. In addition, the model was used to render wheat leaves in three-dimensional space (3D). The 3D visualizations of leaves were in good agreement with the observed leaf color dynamics in winter wheat. The developed color model could provide a solid foundation for simulating dynamic crop growth and development in space and time.     

水稻叶片出生期与器官伸长各期的对应关系

研究通过稻株的解剖、观测,得出了叶片出生期与相应器官（叶片、叶鞘及节间）伸长各期（始期、最盛期及终期）的对应关系。运用此种关系,根据水稻叶龄进程,较准确地推知相应器官生长动态。并为调整水稻群体生态,提供理论依据     

超高产冬小麦冬前光合性能研究初报

为明确冬小麦冬前光合性能的动态变化及其影响因素,为通过栽培措施调控培育冬前壮苗提供研究依据,用光合测定仪在田间条件下对每公顷产量9t左右的超高产冬小麦冬前叶片的光合性能进行了初步研究。结果表明:4个冬小麦品种不同叶位叶片的净光合速率(Pn)、蒸腾速率(TR)和气孔导度(gs)的变化趋势相似,都是在测定始期或稍后出现最高值,之后逐渐下降,并受到冬前初次剧烈降温的影响而骤降至低谷,之后又有所回升。不同叶位个光合参数的回升幅度有所不同,高位叶的Pn较低位叶回升明显,而低位叶的TR和gs较高位叶回升明显。Pn,TR和gs与有关生态条件的相对变化方向及相关分析表明,冬前叶片Pn和gs受气温和光合有效辐射(PAR)的双重影响,而TR主要受气温的影响。不同叶位之间,叶片光合性能的综合能表现为第3叶>第1叶>第2叶>第4叶,它们之间的差异主要由叶面积不同产生。     

水稻地上部单位器官物质分配过程的定量模拟

 【目的】定量描述水稻植株地上部单位器官（叶片、叶鞘、节间、稻穗）干物质的动态分配过程,为作物形态建成模拟和可视化表达奠定基础。【方法】通过不同水稻品种和水氮试验中主茎和分蘖单位叶片、茎鞘及穗的干物质与水分及氮素含量的连续观测和定量分析,构建水稻地上部各单位器官干物质分配指数动态模型。【结果】模型采用线性和指数方程描述了叶片、茎鞘及穗单位器官分配指数随GDD的动态变化过程;分别用指数方程及一元二次方程描述了叶片、茎鞘及穗最大单位分配指数随不同叶位、鞘位以及穗位的动态变化过程;另外,以叶片、茎鞘及穗的氮素和水分因子法分别描述了水氮限制对各单位器官干物质分配过程的定量影响。利用独立的水稻田间试验资料对所建模型进行了初步的测试和检验,主茎与分蘖各单位器官干物重的观测值与模拟值的根均方差分别为0.93、0.81及6.8 kg•ha-1。【结论】本模型可较好地模拟不同生长条件下水稻不同茎蘖各单位器官干物质动态的变化过程。     

基于D0L系统的树木三维可视化模型研究

对树木的形态进行三维模拟 ,以D0L为基本算法 ,运用VC和OpenGL将抽象算法三维可视化 ,从而得到形象逼真的立体树木形态模型 ,并且利用该模型计算出树木的叶面积指数和光斑密度 .结果表明 ,运用D0L系统得到的模型具有一定的形态逼真性和运用价值 ,经扩充后还可用于植物理论生物学和实验观测生物学的仿真研究 .     

不同品种和栽培条件下水稻冠层光合有效辐射传输特征

【目的】揭示水稻冠层光合有效辐射（PAR）传输特征在不同栽培条件下的变化规律。【方法】以2个不同株型水稻品种为材料,于2009—2010年分别设置不同栽插密度和施氮水平的田间试验,系统测定水稻主要生育时期的冠层结构和PAR传输参数,分析冠层结构和PAR传输参数随生育进程的动态变化规律以及PAR传输参数的日变化规律,并研究入射光散射比例对冠层PAR传输的影响。【结果】栽插密度和施氮量对水稻叶面积指数 （LAI）、冠层平均叶倾角和株高有显著影响。冠层PAR透过率、反射率随生育进程先减后增,最小值出现在孕穗至抽穗期;提高施氮量减少了冠层PAR反射率。随生育进程的推进,水稻冠层消光系数（K）逐渐增加,并随栽插密度和施氮量增加而增加,不同条件下的K值随移栽后天数的变化可以用指数递增方程来描述。冠层PAR反射率、截获率和K值的日变化呈向下抛物线状,以正午时刻最小;而PAR透过率则呈相反模式;灌浆期PAR透过率、截获率和K值的日变化幅度明显小于分蘖期和拔节期。消光系数随太阳高度角的变化可以用Doseresp曲线来描述,但受到品种特性和冠层结构的影响。随着入射光散射比例的增加,PAR透过率逐渐减少,K值逐渐增加。【结论】水稻冠层PAR传输特征受栽插密度和施氮量的调控,并存在显著的生育时期变化和日变化规律,同时受入射光散射比例的影响。     

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。     

夏播“京早七号”玉米叶片净光合生产率消长规律的研究

玉米植株各叶片净光合生产率的消长规律不尽相同,大体分为两类,中下位(1-9叶)为双峰曲线,有的年份1-2叶呈单峰曲线,最高值出现在展叶后的初期而后迅速下降,功能期较短。中上位叶(10-21)为多峰曲线,功能期随叶位的上移而加长,顶叶又稍有缩短的趋势。在整个生育期中,出现明显的峰谷变化,于苗期(三叶期左右),雄穗生长锥伸长一裂片期,雄穗小花分化期,抽雄期,籽粒建成初期,籽粒灌浆高峰始期出现六个高峰期。与叶片干物质积累输出动态以及叶绿素含量消长过程大体相对应。不同序位叶组净光合生产率也有显著差异。1981年下位叶>上位叶>中位叶;1982年上位叶>下位叶>中位叶。同一叶片不同部位中上部>中部>基部。光合作用的日变化,上午明显大于下午,而上午在10—12时出现最大值。     

麦类和黍类作物光合器官细胞形态和光合性能的比较（综述）

本文比较了麦类和黍类作物在光合器官细胞形态和光合性能方面的异同点。与黍类作物相比,麦类作物的叶肉细胞较大,且形态和组成较复杂;叶片的气孔密度较低;叶片的细胞形态随叶位上升逐步复杂化的趋势较明显,规律性也较强。黍类作物的光合速率一般高于麦类作物。麦类和黍类作物光合作用的日变化形式也有不同。麦类作物除叶片以外的绿色器官,具有与叶肉细胞类似的光合细胞,且有较强的光合功能,而黍类作物的这一特点不明显。     

水稻叶片气孔的研究 Ⅰ、气孔密度与长度

观察比较了威优64、7944、科辐红等9个水稻品种主茎叶片气孔密度和长度的相关变化动态。结果表明,随着叶位的上升,气孔密度逐渐增大,至剑叶最大;气孔长度则逐层减短,至剑叶最短;根椐气孔长度可把水稻主茎叶片分为4个叶层,体现了叶片气孔数量组成与功能的统一。比较了9个品种,发现剑叶气孔数量组成的合理程度有沿着水稻系统发育顺序,从野生稻到栽培稻逐步提高的趋势。     

不同品种和氮素条件下水稻茎鞘夹角动态模拟

【目的】建立水稻主茎上不同叶位叶片茎鞘夹角动态变化的模拟模型。【方法】基于不同株型品种和氮肥处理的水稻试验,连续观察并记录各处理不同生育时期、不同叶位的茎鞘夹角,进一步利用动态建模技术构建水稻主茎不同叶位茎鞘夹角的动态模拟模型。【结果】水稻茎鞘夹角随生长度日（GDD）不断加大,夹角从开始形成到基本稳定大致经历3个叶龄,且随氮肥施用量的增加而增大;最大茎鞘夹角随叶位的增加呈先增加后减小的趋势,第三叶的最大茎鞘夹角最大。利用Logistic方程可以描述不同品种、不同氮肥处理下,水稻茎鞘夹角随GDD的变化过程,使用直线型分段函数可以描述最大茎鞘夹角随叶位的动态变化规律,通过引入品种参数（第三叶位茎鞘夹角的最大值）量化了品种对茎鞘夹角的影响,同时在模型中添加氮素影响因子来体现氮素对茎鞘夹角的影响。【结论】利用独立的桶栽和池栽试验数据分别对模型进行检验,结果显示茎鞘夹角模拟值与观测值之间的均方根差RMSE分别为2.31°和2.87°;相对均方根差RRMSE分别为11.56%和14.77%,表明模型对水稻主茎茎鞘夹角的动态变化过程具有较好的预测性,可为水稻植株的可视化提供良好的技术支撑。