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。     

L系统在计算机作物模拟及可视化中的应用

介绍了作物生长模拟的发展状况,叙述了计算机中植物模拟常用的生长形态模型的方法,详细介绍了L系统;在作物模拟可视化的应用中,给出了以VC6．0为平台,采用OPENGL技术实现作物形状绘制的程序框图及部分原程序代码。     

虚拟植物生长技术及其农业应用

近30年来,随着计算机软硬件的发展,虚拟植物的研究也取得很大进展,已成为现代精细农业技术的核心部分之一,在农业生产的智能化管理方面应用前景广阔.介绍了虚拟植物的3种研究方法:分形(Fractal)方法、L-系统和基于随机过程的数学方法(以AMAP方法为代表),探讨了虚拟植物在国内外农业领域的研究应用现状和若干策略问题,包括:建立植物拓扑结构的快速生成算法,植物生长可视化的进一步研究,软件开发及其应用,展望了虚拟植物在农业研究的发展趋势和应用前景.如建立虚拟实验室、虚拟农场进行农业教育和农技推广.     

作物生长模拟模型的研究与应用

作物生长发育模型与模拟是近40年来国际学术界的一个新的生长点,目前已发展为当今最为活跃的农业前沿性研究领域之一,是数字农业的重要基础和关键技术。上世纪90年代以来,作物模拟继续朝着应用多元化方向发展,作物生长模型的机理性和预测性不断得到改进和提高。现作物模型已成功地应用于农业生产及资源环境的管理中,从而在社会经济发展中将会起着日益重要的作用。文章系统介绍了作物生长模型发展的4个主要阶段,指出了各阶段生长模型的研究进展,并对模型的建立过程及涉及的关键技术进行阐述,指出生长模型在农业生产和科研中的应用。     

监测生长状态和环境响应的作物数字孪生系统研究综述

在农业生产数字化和智慧化阶段，需实时、全面、准确地了解作物生长状态和农田环境，并根据相关信息做出相应的分析、反馈、决策。针对这一问题，借鉴工业数字孪生系统的概念，将作物实际生长与模拟生长的同步、作物实时状态与作物实时管理策略之间的交互系统概括为作物数字孪生系统。在梳理国内外研究现状的基础上，指出作物数字孪生系统包含数据获取与传输、模型构建、可视化交互等阶段；其关键技术包括传感器技术、图像分割技术、建模技术以及可视化技术等。同时指出该领域的研究可以从作物基础数据、系统模型能力、多方协同交互等方面进行。监测生长状态和环境响应的作物数字孪生系统的相关研究对农业生产的智慧化和数字化有较大的现实意义，从理论和应用层面也有较大的价值。     

数字植物及其技术体系探讨

数字植物是数字农业的基础,是利用数字化方法研究植物,并为植物生命系统和农业生产过程的数字化表达、生长建模、过程模拟、可视化计算分析、协同科研实验、成果共享及集成应用提供信息服务和技术支撑平台。探讨数字植物及其技术体系对数字农业有重要的意义。本文介绍了数字植物的概念和内涵,分析了数字植物的基本研究问题,在此基础上探讨了数字植物的科学内涵和技术支撑体系,并讨论了该技术体系建设的重点和应采取的对策方法,以期为数字植物的进一步发展提供有益参考。     

作物生长模型的研究进展

作物模型是指通过数学方程把植物生长过程在计算机上表达出来，其可以帮助科学家概化和联系复杂的作物生长现象、理解耕作系统的过程、预测产量、预报气候变化对作物的影响，以及优化、利用、管理土地和水资源，是农业研究的强有力工具。但在实际模拟应用中作物模型仍存在一些不足，如作物模型参数获取与校准难、受气候变化影响严重、模型结构和模型输入存在较大的不确定性等。该文简要地对作物模型的发展历程进行了综述，总结了作物模型研究方面的不足，并对作物模型未来的发展方向进行了展望，为今后的模型研究和应用提供参考。     

作物生长模型（CropGrow）研究进展

农业信息技术是基于信息技术与农业科学的交叉融合而形成的新兴技术,催生了数字农业和智慧农业的快速发展。作物生长模型作为其核心内容之一,可以动态模拟作物生长发育过程及其与气候因子、土壤特性和管理技术之间的关系,从而有效克服传统农业生产管理研究中较强的时空局限性,为不同条件下的作物生产力预测预警与效应评估等提供量化工具。本文重点介绍笔者团队在作物生长模型的构建与应用方面形成的总体技术方法、最新研究进展及未来发展思考。通过20多年系统深入的探索和实践,本团队以小麦、水稻等作物为主要对象,以"生理机制解析-模型算法构建-生产力动态预测-效应定量评估-模拟平台研发"为主线,综合运用系统分析、动态建模、虚拟现实、情景模拟及决策支持等方法,开展了作物生长模型CropGrow的构建与应用研究。首先,利用系统分析方法与动态建模技术,构建了机理性与预测性兼备的综合性作物生长模型(CropGrow),包括阶段发育与物候期、器官发生与建成、光合生产与物质积累、同化物分配与产量品质形成、养分动态、水分平衡以及作物三维形态建成与虚拟显示等子模型,可数字化、可视化表征不同条件下作物生长发育与生产力形成过程;然后,结合地理信息系统(GIS)和遥感(RS)技术,构建了基于模型、GIS和RS有效耦合的区域作物生产力预测技术;进一步量化了气候变化、品种更新、土壤改良、措施优化对区域作物生产力形成的影响,拓展了适宜方案生成、理想品种设计、气候效应评估、耕地利用评价以及农业政策制定等应用技术;最后,运用构件化程序设计思想,基于作物生产数据库、作物模型构件库等,集成开发了基于模型的数字化、可视化作物生长模拟系统与决策支持平台,实现了数据管理、参数优化、生长模拟、遥感耦合、区域预测、方案设计、效应评估、安全预警、产品发布等综合功能。未来作物模拟研究将在完善基础数据库的基础上,进一步提升预测能力、量化基因效应、拓展智能决策、耦合多功能模型等,为粮食生产的预测预警、情景效应的量化评估、生产管理的智能决策、作物品种的优化设计等提供数字化支撑,对于保障国家粮食安全和推进数字农业发展具有重要意义。     

作物生长模型（CropGrow）研究进展

农业信息技术是基于信息技术与农业科学的交叉融合而形成的新兴技术,催生了数字农业和智慧农业的快速发展。作物生长模型作为其核心内容之一,可以动态模拟作物生长发育过程及其与气候因子、土壤特性和管理技术之间的关系,从而有效克服传统农业生产管理研究中较强的时空局限性,为不同条件下的作物生产力预测预警与效应评估等提供量化工具。本文重点介绍笔者团队在作物生长模型的构建与应用方面形成的总体技术方法、最新研究进展及未来发展思考。通过20多年系统深入的探索和实践,本团队以小麦、水稻等作物为主要对象,以“生理机制解析-模型算法构建-生产力动态预测-效应定量评估-模拟平台研发”为主线,综合运用系统分析、动态建模、虚拟现实、情景模拟及决策支持等方法,开展了作物生长模型CropGrow的构建与应用研究。首先,利用系统分析方法与动态建模技术,构建了机理性与预测性兼备的综合性作物生长模型（CropGrow）,包括阶段发育与物候期、器官发生与建成、光合生产与物质积累、同化物分配与产量品质形成、养分动态、水分平衡以及作物三维形态建成与虚拟显示等子模型,可数字化、可视化表征不同条件下作物生长发育与生产力形成过程;然后,结合地理信息系统（GIS）和遥感（RS）技术,构建了基于模型、GIS和RS有效耦合的区域作物生产力预测技术;进一步量化了气候变化、品种更新、土壤改良、措施优化对区域作物生产力形成的影响,拓展了适宜方案生成、理想品种设计、气候效应评估、耕地利用评价以及农业政策制定等应用技术;最后,运用构件化程序设计思想,基于作物生产数据库、作物模型构件库等,集成开发了基于模型的数字化、可视化作物生长模拟系统与决策支持平台,实现了数据管理、参数优化、生长模拟、遥感耦合、区域预测、方案设计、效应评估、安全预警、产品发布等综合功能。未来作物模拟研究将在完善基础数据库的基础上,进一步提升预测能力、量化基因效应、拓展智能决策、耦合多功能模型等,为粮食生产的预测预警、情景效应的量化评估、生产管理的智能决策、作物品种的优化设计等提供数字化支撑,对于保障国家粮食安全和推进数字农业发展具有重要意义。     

小麦作物模型研究进展

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以及作物结构功能模型。本文从小麦生长模型和小麦结构功能模型及可视化两方面,较系统综述了国内外具有代表性的生长模型和小麦地上部与根系的形态模拟及可视化的研究进展。在小麦生长模型方面,对美国的CERES-Wheat模型、荷兰的作物模型、澳大利亚的APSIM-Wheat模型和中国的WCSODS四种小麦生长模型进行了概述,并对小麦生长模型的发展趋势进行了探讨。在小麦结构功能模型方面,根据研究器官的不同对根系、茎杆、叶和麦穗的形态结构模型与可视化的研究进展进行了综述。最后,对小麦作物模型存在的问题及发展前景进行了总结。     

虚拟桃树的可视化研究

虚拟植物是新兴的研究领域,目前用于构造植物形态的计算机模型很多,适合反映植物形态结构的动态变化规律的模型是动态结构模型,能模拟植物的动态生长过程,包括L系统和AMAP模型等。在研究的基础上,提出了一种用L系统建立植物模型,实现虚拟植物可视化的方法。     

数字农作技术研究的若干进展与发展方向

 着重介绍数字农作技术研究的若干最新进展与发展方向。数字农作即通过综合运用数字化技术，研究农作物生产系统中信息获取、处理、管理和利用的关键技术及应用系统，从而对农作系统过程的信息流实现全面的数字化表达和整合。近年来，作者围绕数字农作的关键技术及应用系统，开展了较为深入和系统的研究工作，重点在作物生长模拟模型、作物管理知识模型、作物生长无损监测、农作空间信息管理、数字农作决策系统等5个领域取得了显著的研究进展。数字农作的未来发展将需要综合运用信息管理、自动监测、动态模拟、虚拟现实、知识工程、精确控制、网络通讯等现代信息技术，以农作物生产要素与生产过程的信息化与数字化为主要研究目标，发展农业资源的信息化管理、农作状态的自动化监测、农作过程的数字化模拟、农作系统的可视化设计、农作知识的模型化表达、农作管理的精确化控制等关键技术，进一步研制综合性数字农作技术软硬件系统，实现农作系统监测、预测、设计、管理、控制的数字化、精确化、可视化、网络化。农作生长与生产系统的数字化将带动农业产业的信息化和现代化。     

作物模型研究进展

作物模型是用来模拟作物生长、发育和产量形成的动态生长过程的计算机软件.自20世纪60年代以来,作物模型已从幼年期发展到成熟期,目前已成为各国农业科学研究中最有力的工具之一.文中对作物模型的研究历程和进展进行了综述,并总结了我国在作物生长模型研究方面的经验和不足,为今后的模型研究和应用提供参考.     

玉米数字模拟器研究

以玉米为对象，对作物-环境-技术关系展开了数字化模拟研究。运用系统分析方法和动态模拟技术，构建了基于玉米生长发育过程的玉米产量与品质形成模拟器系统；应用组件化程序设计思想，采用标准化接口和模块化封装技术，研究了玉米生长、管理、调控与设计数字化模拟器系统；应用可视化技术实现了玉米动态模拟的可视化输出；从而实实现了玉米生产系统预测、管理、调控、设计的数字化和科学化。     

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。     

植物吸收养分的数学机理模型研究进展

植物吸收养分的数学机理模型是在土壤肥力与植物营养两个学科的共同深入研究以及电子计算机的应用中建立与发展起来的。近２０年来，国外有关这方面的研究发民快，并已逐步应用到土壤供肥能力与施肥方法的评价，作物的生长模型及产量预报等方面。     

数字植物研究进展:植物形态结构三维数字化

数字植物围绕农林植物生命、生产和生态系统的多维信息高效感知和认知的理论、技术和方法,通过多学科交叉合作,研究农林植物-环境3D数字化、高通量信息获取、情景感知、信息融合、结构和功能模拟、数字化设计和精准管理决策等数字农业的关键性、基础性以及共性理论和技术问题。植物形态结构的三维数字化是数字植物研究的重要组成部分,近年来很多学者从植物组织、器官、植株和群体等不同尺度,或者从植物根系和地上部等不同视角,围绕植物形态结构的参数测量、几何结构解析、三维模型构建、结构与功能建模,以及三维植物模型真实感展现等需要,开展了更深入的研究。在组织尺度方面,随着MRI、CT、显微成像等技术产品的不断成熟,使得利用这些先进测量仪器获取和测量植物组织内部结构数据成为可能,并被越来越多的研究者采用,成为进行植物内部形态结构测量和分析的有效手段。在植物根系的三维数字化方面,由于植物的根普遍生长在土壤里,观察和测量十分困难。虽然近年来XCT、MRI等穿透射线成像技术已越来越多地用于根系的形态结构探测,但这类技术往往仅能获取范围较小的根系局部数据,且价格昂贵。因此植物根系形态结构的准确、无损(原位)、快速测量仍然是一个挑战。在群体尺度方面,基于实测数据的三维重建逐渐成为植物群体三维重建的主要途径,研究者正试图从激光三维扫描仪获取的植物群体三维点云中提取群体的形态参数并实现群体的三维重构。而在三维植物模型的真实感绘制方面,如何准确地测量各种植物器官的光学特性并建立相应的数学模型是当前的研究重点,虽然已有不少研究者提出了相应的解决方案,但这些方法在便捷性和普适性方面仍然难以令人满意,有待更多深入研究。笔者最后结合相关领域的技术进展对数字植物的进一步研究进行了展望。     

作物生长模拟模型在上海精准农业和智能温室中的运用及前景（综述）

作物生长模拟模型是精准农业支持技术的核心部分之一，也是温室生长智能化操作与管理软件的核心部分。本文综述了作物生长模型建立的过程，及目前国内外在精准农业和智能温室中的运用现状，进一步提出现阶段我国开展蔬菜作物模型和专家系统研究的若干方法。并展望了蔬菜作物生长模拟模型在精准确农业和智能温室应用领域中的应用和前景。     

基于几何参数模型和OpenGL的油菜角果可视化研究

以油菜角果为研究对象,通过不同品种和氮肥盆栽试验数据统计分析,拟合得到油菜角果的几何参数模型.在此基础之上,研究了油菜角果的三维建模技术,构建了基于形态特征参数的角果几何模型.用圆柱体模拟果柄;采用组合多个几何图元的方式构建角果果身模型;用圆台体模拟果喙.然后,基于OpenGL图形平台,绘制了角果的三维形态,并进行了颜色渲染和光照处理.最后,通过耦合角果个体形态结构模型以及角果个体之间的相互关系,实现了角果个体-群体2个层次的形态可视化,为构建可视化油菜生长系统奠定了技术基础.