水稻形态的分形特征及其可视化模拟研究

在试验观察的基础上 ,分析了水稻根系、穗、茎叶的分形特征 ,根据水稻的分形特征及L -系统的生成规则 ,建立了水稻根系、穗、茎叶等形态的模拟模型 ,通过模拟 ,实现了水稻形态的计算机三维重建。     

基于分形L系统的水稻根系建模方法研究

【目的】根系建模是虚拟水稻可视化模型中重要的组成部分,是认知以及研究水稻根系形态结构的重要方法,并为精确农业提供依据,本研究旨在构建仿真效果较好的水稻根系模型。【方法】利用水培法开展试验,测定水稻根系各类形态参数。【结果】构建了基于分形L系统的水稻根系模型,包括不定根模型、分枝根模型、旋转角度等信息。首先根据水稻根系形态特征解析出分形L系统的产生式,然后借助MATLAB软件实现了根系的形态模拟,最后根据模拟效果图进一步优化了分形L系统的产生式,提高了模型精度。【结论】构建完成的模型能够较好地模拟水稻根系的生长过程,在智慧农业发展过程中,具有一定的参考价值。     

植物根系的分形及计算机模拟

基于计算机图像技术和分形理论,建立了植物根系分形度量的计算机模型,实现了对植物根系生长过程发育形态的计算机模拟。应用上述模型计算植物根系的分形维数与实际度量的维数基本一致,构造模拟的根系形态与实物不仅具有相近的分形维数,而且形态也非常相似。     

苜蓿根系形态结构的分形分析

根系形态结构是影响植物生长的重要因素。应用分形理论推导出根系长度与粗度（直径）的分形维数的计算方程,初步研究了苜蓿（Medicago sativa L.）根系形态特征。结果表明：推导出的分形维数计算公式可以应用于苜蓿根系结构的研究,并且分形维数的大小能够表征苜蓿根系形态结构特性。     

苜蓿根系形态结构的分形分析

根系形态结构是影响植物生长的重要因素。应用分形理论推导出根系长度与粗度（直径）的分形维数的计算方程,初步研究了苜蓿（Medicago sativa L.）根系形态特征。结果表明：推导出的分形维数计算公式可以应用于苜蓿根系结构的研究,并且分形维数的大小能够表征苜蓿根系形态结构特性。     

分形理论在植物根系结构研究中的应用

根系结构是影响植物生长的重要因素，本首次探讨了分形模型在植物根系结构研究中的应用，并以马尾松为例分析了马尾松根系结构与分形维数的关系，结果表明：马尾松细根含量越低，根桩含量越高，生长越好，分形维数越小，根系结构的各级含量，根桩量以及胸径，树高与植物根系结构分形维数之间存在显的回归关系，分形模型可以应用于植物根系结构特征的研究，从而为植物根系结构研究提供新方法。     

分形理论应用于植物根系形态分布的研究进展及其应用前景

综述了非线性科学热点之一——分形理论的研究现状,及其在植物根系研究方面的应用进展,强调利用分形维数研究植物根系分形特征的优越性,最后对分形理论在植物根系研究领域应用前景进行了展望。     

南方稻麦轮作系统下小麦根系的三维分形特征

【目的】根构型直接影响作物的水肥吸收,而定量根构型的相关指标多局限于二维分析,缺乏有效的3D分析指标。论文探讨计算分析根构型3D特征的指标与操作方法,用于定量稻麦轮作制不同耕作方式对小麦根构型的影响。【方法】使用自制的根构型数字化仪,测取田间小麦根系的真实空间拓扑数据,获得根系构型的空间坐标。然后运用Matlab编程实现小麦根构型拓扑数据的虚拟重构,令虚拟根系再现实体根系的空间拓扑。结合分形理论与软件的计算分析功能对虚拟根构型进行分形维计算,分别获取3D分形维数、3D分形丰度、2D分形维数、2D平面分形丰度和单株总根长5个特征指标,以此表达小麦根构型在不同年度、不同耕作方式处理下的时空动态。同时建立不同年度及耕作处理下单株总根长动态与根构型3D分形维数、3D分形丰度、2D分形维数、2D平面分形丰度间的相关关系。【结果】研究发现随着作物生长期的变化,不同年份及不同耕作处理下的小麦根构型指标都表现出稳定增长的趋势。不同之处在于2010—2011年度的小麦根构型指标平稳增长,而2011—2012年度的根系生长速率变化较为剧烈。对比两个年度间的小麦根构型指标发现,免耕和旋耕两种耕作方式对小麦根构型的影响效果相反,在2010—2011年度,旋耕处理方式下的根系指标优于免耕处理方式,而在2011—2012年度,免耕处理方式下的根构型指标表现更优。对于作物生长前期(0—98 d)而言,年度变化引起的根构型指标差异显著大于耕作处理引起的差异,在作物生长后期(98—112 d),年度变化和耕作处理方式对小麦根构型指标的影响较为相近。对比小麦根构型的3D分形维指标和平面分形维指标发现,3D分形维明显区别于平面分形维,这表明根系的三维分形是根构型的必要分析指标。在不同的年度与耕作措施下,单株小麦的总根长与3D分形维数、3D分形丰度、2D分形维数、2D分形丰度都满足指数模型,且显著相关,说明年度因素和耕作措施仅是影响模型的常量参数项。【结论】由计算机软硬件结合分形理论构建的田间小麦根构型的可视化和定量化分析手段是实现小麦根构型精确分析的保证,该分析过程真实再现了田间小麦根构型的时空动态。3D分形指标可以准确定量作物根构型真实的时空动态,在进行根系生长策略的选择及根土关系优化时需要考虑到田间作物根系的实际生长条件和耕作制度。     

黄土高原油松人工林地土壤颗粒的分形特征

为了全面了解人工林地的生态环境状况,采用分形理论,研究了黄土高原油松人工林地不同深度土壤颗粒的分形特征。结果表明,在油松人工林凋落物和根系等的作用下,人工林能够提高林地土壤的团聚能力,降低土壤的分形维数;不同深度油松人工林地的土壤颗粒分形维数在土壤剖面趋于均一,而且小于同种质地的其他土壤;土壤颗粒分形维数可以反映森林土壤粒径分布的变化,因而可作为评价森林土壤生态特征的指标。     

根系分形维数及其研究进展

系统介绍了分形理论的形成和实际内容,并综述了根系分形维数的计算方法以及分形维数在植物根系研究方面的重要作用。分形维数作为一种简便地描述植物根系形态、生理特性的方法,给根系的研究带来了很大的方便。     

极端干旱地区胡杨林根系分布的非线性分析

依据2006年5—7月在极端干旱区额济纳旗的实测资料，对胡杨林的根系分布特征进行了分析与研究，期望对全面认识胡杨根系、根系吸水及胡杨SPAC系统进一步的研究提供有力的试验依据和理论支持.该文将根系分为输运根系（d02 cm）和吸水根系（d≤02 cm）.输运根系的分布存在分形现象，根系土壤水分的变化对胡杨输运根系的分布有着直接影响.分析过程引入了土壤含水率期望的概念，当土壤含水率期望的平均值为25.03 cm·g/g时，输运根系分布的分维值为2.000 7；当土壤含水率期望的平均值为55.95 cm·g/g 时，输运根系分布的分维值为1.627 5.即当土壤含水率期望值较低时，输运根系分布的分维值较大；当土壤含水率期望值较高时，输运根系分布的分维值较小.对于吸水根系，该文建立了根长密度在垂直和水平方向的一维分布函数以及二维分布函数.采用指数函数对吸水根系的根长密度分布函数进行拟合，拟合函数与实测数据的R2分别为:0.89、0.68、0.73和0.69，说明胡杨吸水根系根长密度的分布基本符合指数衰减规律.      

Effects of drought stress on root morphology and spatial distribution of soybean and adzuki bean

Due to global climate change, Korea is facing severe droughts that affect the planting and early vegetative periods of upland crops. Soybean and adzuki bean are important legume crops in Korea, so it is critical to understand their adaptations to water stress. This study investigated the changes in root morphological properties in soybean and adzuki bean and quantified the findings using fractal analysis. The experiment was performed at the National Institute of Crop Science in Miryang, Korea. Soybeans and adzuki beans were planted in test boxes and grown for 30 days. The boxes were filled with bed soil with various soil moisture treatments. Root images were obtained and scanned every two days, and the root properties were characterized by root length, depth and surface area, number of roots, and fractal parameters(fractal dimension and lacunarity). Root depth, length and surface area and the number of roots increased in both crops as the soil moisture content increased. The fractal dimension and lacunarity values increased as the soil moisture content increased. These results indicated that the greater the soil moisture, the more heterogeneous the root structure. Correlation analysis of the morphological properties and fractal parameters indicated that soybean and adzuki bean had different root structure developments. Both soybean and adzuki bean were sensitive to the amount of soil moisture in the early vegetative stage. Soybean required a soil moisture content greater than 70% of the field capacity to develop a full root structure, while adzuki bean required 100% of the field capacity. These results would be useful in understanding the responses of soybean and adzuki bean to water stress and managing irrigation during cultivation.     

黄土高原石灰性耕层土壤分形特征

以24个黄土高原石灰性耕层土壤样品数据为基础,运用分形模型研究了黄土高原石灰性耕层土壤颗粒的分形维数,探讨了利用土壤颗粒粒径分布的分形维数来定量表征黄土高原石灰性耕层土壤的特征。结果表明,24个黄土高原石灰性耕层土壤颗粒的分形维数D为2.5936～27094,分形维数表现为干润砂质新成土〉黄土正常新成土〉简育干润均腐土〉土垫旱耕人为土;土壤颗粒分形维数与〈0.001mm颗粒的含量呈显著正相关,土壤颗粒分形维数与土壤有机碳含量、全氮含量和碳/氮比相关性不显著;土壤有机碳含量与全氮含量呈显著正相关。     

基于分形理论的土地利用空间格局分析——以西南某镇为例

综合应用GIS和RS技术及分形理论,对西南某镇2010年土地利用类型进行了分析,获得了各土地利用类型的分形模型、分形维数和稳定性指数,为今后该镇社会经济的持续健康发展和土地资源的合理调控提供科学的决策依据。