作物生长过程模拟模型与形态三维可视化关键技术研究

针对作物产量形成、品种适应性分析的数字化解析和可视化表达需求,以提高作物模拟模型的时效性、协同性和真实感为目标,结合物联网技术与作物模拟模型,进行了田间数据实时采集;应用多智能体技术进行了作物协同模拟方法研究与框架设计;开展了作物生长过程模拟模型及基于作物模型的形态三维可视化关键技术研究,以小麦作物为例,进行了田间试验,阐述了小麦三维形态模拟可视化系统的设计实现并进行了试验验证;构建了Logistic方程模拟小麦叶长、最大叶宽、叶片高度、株高等的生长变化,采用基于曲线、曲面的参数化建模方法和3D图形库OpenGL构造了小麦器官几何模型。结果表明小麦叶长、最大叶宽、叶片高度和株高模拟模型R ²值在0.772~0.999之间,回归方程的F值在10.153~4359.236之间,且Sig.小于显著水平0.05,模型显著性较好,模型的拟合度较高。本研究将作物模拟模型结果和形态结构模型有效结合,实现了以小麦为代表的作物在不同管理措施条件下的生长过程形态三维可视化表达,为作物生产数字化系统应用提供了更有效的途径,该技术体系与方法同样适用于玉米、水稻等作物。     

钟山排土场生物复垦土壤基质改良试验研究

矿山开采过程中形成的排土场对生态环境构成极大的破坏,严重威胁人类生存与安全,因此排土场植被恢复重建工作显得尤为重要,土壤基质改良是植被恢复的关键步骤。以研究适宜排土场土壤基质改良的简单可行方法为切入点,在分析钟山排土场原地表土壤和复垦拟选的覆土材料物理化学性质的基础上,采用室内盆栽试验和现场小区试验相结合的方法,分析比较了土壤基质改良前后土壤理化性质等指标,检测作物植株和果实中重金属含量并以相关标准作为参考依据。结果表明：钟山排土场复垦前土壤较贫瘠,有机质和硫、氮、钾等营养元素较缺乏,重金属砷严重超标;经室内盆栽试验,筛选出了适宜作物生长的流沙作为客土材料;现场小区试验证明,作物种植在经流沙覆盖改良后的土壤中,其产量接近并超过附近农田的产量,土壤肥力得到一定程度的提高,土壤重金属含量均有所增加,但都控制在土壤环境质量标准范围以内,花生植株中汞和铬略微超标,花生果实中的铅含量以及芝麻中铅、铬、砷含量均严重超标。在利用客土覆盖方法改良土壤基质时,若以种植农作物获取果实为目的,建议增加隔离土层厚度和覆土土层厚度,选择浅根系农作物进行种植;而以降低土壤中重金属含量为目的时,应因地制宜选择具有较强吸附能力的植物进行种植。     

转ipt基因杂交水稻F1的遗传特性及其主要农艺性状分析

通过对转基因恢复系转ipt R527和金23A杂交后代F1群体的DNA检测,检测到杂种F1群体中阳性植株和阴性植株的比例为7∶1,不符合孟德尔规律;考察了转ipt R527和金23A杂种F1的株高、单株产量、结实率、千粒重、穗长、穗粒数、穗数等7个性状,与对照(金优527)相比,结实率、千粒重、穗长高于对照,单株产量、穗粒数、穗数低于对照,农艺性状间的相关分析表明,千粒重和穗数是影响转基因杂种F1单株产量的重要因素。     

冬小麦返青后株高模拟模型及生长可视化研究

小麦生长模拟模型对小麦生长管理调控、产量预测和经济效益分析等有重要指导作用,针对小麦生长模拟模型和生长可视化不易实现的问题,以冬小麦品种衡观35、济麦22和衡4399为材料,于2015-2016年小麦生长季内开展不同品种和施氮水平的田间试验,通过分析各品种冬小麦返青后株高和有效积温的定量关系,用Logistic方程构建了冬小麦返青后株高模拟模型,经数据检验,株高模拟模型绝对误差在0.01~2.72cm,根均方差(RMSE)在0.4~1.26cm,平均绝对误差(d_a)在0.36~1.11cm,平均绝对误差与实测值平均数的比值(d_(ap))在1.32%~3.46%,结果表明所建模拟模型精度较高,对不同品种冬小麦株高生长具有较好预测性。借助该模拟模型和已有研究成果,本研究构造了不同品种、不同施氮水平下的冬小麦株高生长状态,逼真模拟冬小麦返青后株高动态生长过程,实现了不同品种冬小麦在不同施氮水平下的生长可视化。     

基于实测数据和NURBS曲面的小麦叶片三维可视化

小麦三维可视化在农业生产、作物生长预测等领域具有重要应用价值,将为作物株型选育,高产、高效栽培等提供有力技术支撑。针对小麦叶片三维形态不易模拟的问题,基于田间试验实测数据和NURBS自由曲面造型技术,构建小麦叶片主脉控制点构造算法,计算小麦叶片NURBS曲面控制点坐标,并借助OpenGL图形库实现了不同控制点序列下的小麦叶片曲面模拟。试验结果表明,该方法计算效率较高,绘制的小麦叶片模型具有较高平滑度和真实感。     

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。     

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。     

坡面水力侵蚀比尺模拟试验设计与验证

 针对黄土高原坡面水力侵蚀调控实体模拟试验中存在验证不充分的问题,利用黄土高原小流域水力侵蚀调控实体模拟试验理论与技术,设计黄土坡面水力侵蚀比尺模拟试验,并对其进行验证。结果表明:在正态条件下,满足几何、降雨强度、入渗、径流运动、输沙、床面变形等相似条件下所建造的坡面模型;在试验条件下,虽然与模型原型流型有所偏离,但降雨、径流流态、平均流速、阻力系数、汇流过程、产沙、输沙及床面变形是基本相似的。表明该方法可以作为坡面治理水土流失、优化治理方案,寻求水土资源高效利用措施的工具。     

选沙对水力侵蚀比尺模拟试验侵蚀过程相似的影响

针对坡面水力侵蚀比尺模拟试验存在的选沙困难、侵蚀过程相似验证不充分的问题,在前人研究的基础上.就降雨条件下选沙对黄土坡面水力侵蚀比尺模拟试验侵蚀过程相似的影响进行了研究.结果表明,无论选用何种模型沙,当雨强比尺满足λi=λ1l/2,土壤含水量比尺满足λθ=1,径流过程都满足相似;依据悬浮相似选择的模型沙,需检验其是否满足起动相似,利用经检验不满足起动相似的模型沙进行的试验,侵蚀过程也不满足相似;利用依据起动相似选择的模型沙进行的试验,侵蚀过程满足相似要求.黄土坡面水力侵蚀比尺模拟试验宜选用依据起动相似为主的选沙方法选择模型沙.     

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。