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。     

不同光截获下番茄形态结构的动态模拟与比较

为研究不同光截获对番茄植株形态结构的影响，基于结构-功能互反馈建模原理建立了番茄结构-功能模型。采用基于番茄拓扑结构的多目标估算方法，利用实验观测数据对模型进行多目标校准和验证。对局部遮阴和无遮阴栽培条件下番茄植株的生长过程进行动态模拟，并对不同生长阶段番茄植株的形态结构、器官周期累积生物量以及器官三维形态输出进行比较，结果表明：无遮阴栽培条件下，番茄植株茎杆节间短粗，叶片和果实较大。而局部遮阴栽培条件下番茄植株茎杆细长，叶片稀薄，果实较小。不同光截获下模型的输出结果与观测数据拟合较好，验证了模型的有效性。     

基于L系统的开心形苹果树枝干模型

虚拟植物模型即用计算机模拟植物的生长发育。本文通过虚拟植物研究方法L系统理论的介绍,结合开心形苹果树的形态结构特点,使用虚拟植物模拟软件L-studio,动态地模拟出开心形苹果树在不同生长阶段的三维形态。通过使用随机规则控制树枝生长方式,并使用管道模型模拟枝干的加粗生长,实现了开心形苹果树的基本形态模型。     

基于光作用的虚拟植物生长模拟与可视化研究

虚拟植物生长模拟研究是数字林业的研究热点。为了在植物生长过程模拟中考虑植物的生理特征,真实地 反映不同光照条件对植物各组织器官形态结构及生长发育特征的影响。基于植物的光生长环境仿真,提出了一种 基于光照模型的植物器官形态结构动态演替生长算法。采用双三次Bezier 曲面构建植物叶片组织器官,并引入曲 面影响因子、植物光属性因子,对植物形态结构和叶序分布进行真实感建模。根据光照对植物叶片生长发育的影 响,提出了基于光作用的碳汇动力学仿真和植物分枝结构的动态演替方法。为了验证本算法的有效性,依据不同 光照条件下绿萝的生理特征数据,对该生长模型算法进行了有效验证,获得了较好的真实感效果。      

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。     

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。     

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。     

虚拟植物研究现状与建模方法分析

虚拟植物是现代数字化农业和精准农业核心部分之一,在计算机、农业、林业、教学等领域应用前景广阔。根据研究策略和研究难点不同将研究对象分为地表上植物模型和根系模型2个部分。针对地表上植物(茎叶系统)模型,在阅读大量国内外文献的基础上,按研究尺度不同将各学者研究成果分为植物整体形态模拟、植物器官三维建模、植物生长过程模拟、植物结构-功能并行模拟四大类,并分别综述其研究现状;针对根系模型,从农业角度出发,综述常见农作物根系生理生态模型的研究进展。综合以上植物模型的研究方法,对虚拟植物建模方法进行总结分析。最后简述了虚拟植物研究重点与难点并对其发展趋势进行展望。     

基于Open L-System的植物生长模拟研究

为了真实地模拟植物生长发育过程，引入了Open L-System建模理论。在植物形态发生模型的基础上，根据植物生长时其形态特征及环境之间的相互作用，构建了综合考虑植物生长发育与环境影响的虚拟植物模型。     

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。     

辣椒茎枝形态发生模拟模型研究

[目的]构建基于有效积温(GDD)的辣椒茎枝形态发生模拟模型,为辣椒功能—结构模型的构建提供理论依据.[方法]在田间试验基础之上,系统分析了温度对辣椒主茎及分枝形态发生的影响,并量化了温度与主茎高度、直径和分枝长度形态的关系,构建了基于GDD和Logistic方程的辣椒主茎高度、直径和分枝长度形态发生的动态模型.[结果]辣椒主茎高度、直径和分枝长度的增长过程符合S型曲线;采用独立的试验资料检验模型,主茎高度、直径和分枝长度的模拟值与观察值之间的均方根差(RMSE)分别为2.854、0.060、3.220 cm.[结论]模拟值与观察值之间的RMSE值均较小,说明模拟结果具有较好的精确度,所构建的辣椒主茎和分枝形态模型为辣椒功能—结构模型的开发奠定了理论基础.     

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。     

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。     

基于NURBS曲面的小麦叶片三维可视化研究与实现

作物三维可视化将为作物生长动态预测、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,从而有力促进虚拟农业和信息农业的发展。针对小麦形态结构复杂、叶片三维可视化不易表达的问题,基于田间实测数据和NURBS曲面建模实现了小麦叶片的三维重建。首先,通过田间实验定期观测小麦形态数据(叶长、叶宽、茎叶夹角、叶片弯曲度、茎秆直径等),建立小麦叶片主脉控制点构造算法,将小麦形态数据转换为主脉控制点坐标;其次,确定所有控制点坐标和节点矢量,构建小麦叶片和叶鞘NURBS曲面;最后,借助Open GL图形库可实现小麦不同生育期的模拟模型,并实现了小麦叶片的扭曲形变。结果表明该方法选取的小麦形态数据具有代表性,重建的小麦叶片模型逼真度较高,接近实测模型,易于实现小麦生长过程的动态模拟。     

基于点云数据的火龙果三维交互系统的设计与开发

为虚拟植物形态结构模型的构建及建立植物形态结构与生长机理的关系提供关键技术和基础框架。基于点云数据和3DS MAX 2012器官精确三维形态建模方法,构建不同生育期火龙果地上部三维形态模型,最终实现火龙果三维交互系统的设计与开发。该系统对于构建其他作物器官的三维模型具有指导意义。     

枣树坐标参数的数字近景摄影测量及数据分析

[目的]研究枣树坐标参数的数字近景摄影测量。[方法]应用Lensphoto多基线数字近景摄影测量系统,对8年生枣树的三维坐标参数进行了近景摄影测量,并将摄影测量数据与全站仪测量数据进行了比较。[结果]对于较多小细枝的枣树,X、Y、Z坐标的绝对误差分别为0～0.014、0～0.018、0～0.004m,相对误差均低于0.145%。摄影测量坐标值和真值配对数据的显著性检验和线性回归分析表明,该测量方法能够获得真实可靠的数据,做到精准监测,满足虚拟植物生长模拟的坐标数据测定要求。[结论]为虚拟植物模拟的树木生长观测提供了理论依据     

2种水稻生长模型比较

[目的]比较ORYZA2000和WOFOST 2种模型对江西省水稻生长的模拟效果。[方法]利用江西省当地田间试验观测数据,收集水稻的关键参数,同时结合同期逐日气象数据等资料分别对ORYZA2000和WOFOST 2种模型进行比较。采用适应性评价对水稻多个生理指标进行评价与验证。[结果]以统一化均方根误差(NRMSE)来衡量作物模型的模拟结果,ORYZA2000模型模拟结果显示水稻各生物量的NRMSE值小于25%,而WOFOST模型对叶面积指数及穗生物量模拟偏差较大,分别为46%和55%。[结论]ORYZA200在穗生物量和叶面积指数的模拟中比WOFOST模型模拟效果较好。     

新疆南部地区长绒棉生长可视化研究

在综合国内外相关研究成果的基础上,运用系统分析原理和数学建模技术,构建符合长绒棉生长的器官集合属性分析模型、根结构模型、器官空间形态机理模型和植株拓扑结构动态模型,并最终实现南疆长绒棉动态三维图形模拟。该系统可促进人们对南疆长绒棉生长过程的理解和感知,为分析长绒棉结构功能关系、设计理想株型和调控生长模式等提供支持。     

蓝莓植株形态研究与虚拟模型建立

根据在蓝莓种植基地进行实际的观测,对蓝莓植株的形态结构进行分析和建模,根据虚拟植物理论,以L系统为依据,研究蓝莓生长形态,使用三维建模软件ProE建模,以VRML和OpenGL虚拟现实技术为手段,依据蓝莓树体结构特征,建立并实现蓝莓树枝干模型,实现蓝莓模型的可视化仿真。