小麦麦穗几何模型构建与可视化

作物器官几何建模是虚拟作物研究的关键技术之一。通过对小麦穗形态结构的观测分析,提出基于形态特征参数的麦穗几何模型及可视化实现方法。在已有麦穗形态模拟模型的基础上,结合麦穗拓扑结构,构建麦穗形态结构几何模型,包括穗轴、小穗（外麸、麦芒、花药等）、麦穗穗形等子模型。其中,穗轴节片使用底面为椭圆的圆柱体进行模拟,节片交错叠加构成穗轴。基于外麸曲面半径变化曲线,以三角面片构造近似半椭球体来模拟外麸;基于麦芒曲线,以三角面片重构横截面近似为等边三角形的麦芒;用非统一有理B样条曲面模拟开花期小花顶端的花药;采用分层模型控制麦穗穗形。然后根据麦穗拓扑结构组合以上各器官,即可构建出麦穗几何模型。进一步结合颜色渲染、纹理映射、光照渲染等真实感显示技术,基于.Net平台,借助CSOpenGL,实现麦穗生长动态的可视化。结果表明,重构出的麦穗具有一定的真实感,能够用于不同品种、不同处理条件下麦穗生长动态的可视化表达。研究结果将有助于实现小麦植株生长动态的数字化、可视化。     

冬小麦植株生长的形态构造模型研究

植物的结构与其生理功能关系密切。考虑植物经历的平均气候条件，在生长单元周期的水平上，建立了无水肥胁迫环境中冬小麦生长的形态构造模型，模拟了小麦地上植株拓扑结构的生成、鲜物质的生产和分配过程；根据实验数据估算模型的参数，模拟出了冬小麦在不同生长阶段的结构。该模型经完善后可用于指导农业生产。     

基于OpenGL的小麦形态可视化技术

形态可视化技术是虚拟植物研究的关键技术之一。本研究以小麦作物为对象,在提出小麦形态可视化技术框架的基础上,首先研究了小麦不同器官的三维几何建模技术,构建了基于器官形态特征参数的几何模型,包括叶、茎秆和麦穗几何模型。用NURBS曲面来模拟叶片和叶鞘;用圆柱体模拟茎秆的节间;并采用组合单器官的方式来构建麦穗模型：用圆柱体模拟穗轴,用椭球体和圆柱体分别模拟小穗的谷粒及小穗枝梗。然后,基于OpenGL图形平台,绘制了小麦器官的三维形态,并提出了颜色渲染、纹理映射、光照处理等真实感图形显示技术;最后,通过耦合小麦植株的拓扑结构模型以及小麦个体之间的相互关系,实现了小麦从器官-个体-群体三个层次的形态可视化,从而为构建可视化小麦生长系统奠定了技术基础。     

基于稀疏图像的真实树交互式建模方法

真实环境中树的三维重建可在虚拟现实、景观设计及农林业应用方面发挥重要作用,为解决真实环境中树的三维重建问题,该文提出一种基于稀疏图像的交互式建模方法。在自然环境下采集2幅相差90°的树图像及对应4～7幅中间图像,采用交互式编辑方法在夹角相差90°的1幅图像上获取各级树枝二维投影位置及粗度信息,再通过中间图像找到各级树枝在另一幅图像上的匹配树枝,并交互式调整树枝位置信息,然后进行透视校正,生成树枝三维几何模型,最后根据叶序规则添加树叶完成重建。通过对苹果树、樱桃树和枫树的重建结果表明,该方法交互性好,对图像拍摄数量与角度要求不高,重建时间在55～125 min之间,且能较好保持树的拓扑结构,可为虚拟植物建模、虚拟修剪试验和植物拓扑结构分析等提供参考。     

采用改进YOLOv4-Tiny模型的柑橘木虱识别

黄龙病是一种以柑橘木虱为传播媒介的毁灭性病害,其关键预防措施是在果园现场环境对柑橘木虱识别监测,辅助果农进行早期防治。该研究基于YOLOv4-Tiny模型提出一种适用于嵌入式系统的柑橘木虱识别模型。通过改进YOLOv4-Tiny模型的颈部网络,利用浅层网络的细节信息以提高模型识别柑橘木虱的平均精度;采用交叉小批量归一化（Cross mini-Batch Normalization,CmBN）方法代替批归一化（Batch Normalization,BN）方法,通过累计卷积层的输出,提升统计信息的准确度;针对柑橘木虱易被遮挡的问题,模型训练时使用Mosaic数据增强,提升模型对遮挡目标的识别能力。通过自行建立的柑橘木虱图像数据集完成模型的试验验证。结果表明,该模型的柑橘木虱平均识别精度为96.16%,在图形处理器（Graphics Processing Unit, GPU）上的推理速度为3.63 ms/帧,模型大小为24.5 MB,实现了果园环境下快速准确地识别柑橘木虱,可为黄龙病防治技术的进一步发展提供参考。     

基于基因表达式编程的植物形态建模智能化方法

针对人为操作L系统进行植物形态建模时存在盲目性和低效性的问题,该文提出一种智能化的植物形态可视化建模方法。该方法利用基因表达式编程思想自动获取L系统产生式规则,进而模拟出特定的植物形态结构。在分析现有工作的基础上,提出限制性的初始种群设计策略和种群个体选择策略,以缩小算法的搜索范围;提出一种综合外围轮廓比较和Hausdorff距离计算的个体适应度评价函数,以自动筛选出每一代中的优良个体。该方法使用OpenGL在NVIDIA GeForce3图形硬件上实现。试验结果表明,该方法不仅能逼真地模拟指定植物的三维形态,还可以仿真出形态各异的植物图形。该方法可为虚拟植物建模提供参考。     

基于改进包围盒树和GPU的水稻群体叶片间快速碰撞检测

为了解决水稻群体动态生长模拟过程中叶片间碰撞检测效率较低的技术问题,该文利用水稻叶片抛物线的形态结构特性以及CPU/GPU硬件加速特性,提出了水稻叶片混合层次包围盒树(mixed level tree,MLT)快速构造方法以及基于CPU/GPU的群体叶片快速相交检测方法。提出了新的OBB包围盒方向轴计算方式,降低了OBB包围盒构建的复杂度,在此基础上,利用单株叶片之间、群体叶片之间碰撞检测计算关系的依赖性,设计了CPU/GPU加速方案,并使用CUDA在Tesla 40加速卡上实现。对分蘖期大规模水稻群体叶片进行了效率对比试验,结果表明,水稻群体规模从2 000株增长到10 000株的过程中,本文提出的基于MLT的碰撞检测方法耗时是传统的AABB方法耗时的50%,是OBB方法耗时的30%,有效地提升了叶片之间的碰撞检测速度;同时,基于CPU的碰撞检测方法耗时呈线性增长,而利用CPU/GPU并行加速耗时相较于在CPU上的运行时间节省了98%,大幅度提升碰撞检测效率。该研究可为虚拟作物可视化仿真提供参考。     

虚拟树木形态结构的交互式编辑技术及其实现

为解决传统田间管理中树木剪枝操作不可逆的问题,该研究提出了一种虚拟树木形态结构交互式编辑方法。首先采用参数化方法开展树木形态结构三维建模;然后基于后缓冲区技术提出一种结合树木层级拓扑结构的枝干交互式拾取方法,并利用OpenGL（Open Graphics Library）渲染技术实现整枝删除、枝段修剪、枝干长度或半径调整等交互式编辑功能。最后,以园林绿化树木中常见的特殊冠型为约束模型,快速、直观地模拟树木树冠综合整形过程。该技术不仅扩展了参数化单株植物建模系统的功能,还为树木栽培与养护管理中修型整枝或株型设计提供了一个数字化、可视化、智能化的新手段。     

五自由度混联机器人优化设计与运动学分析

为提高农业自动化程度,拓宽并联机构在农业工程领域的应用,提出一种存在连续转轴、关节数目少、易于控制的两移一转运动冗余平面并联机构,该并联机构任意位置的转轴均为相互平行的连续转轴,使其具备良好的灵活性。基于此平面并联机构,构造出了多种五自由度混联机器人,首先建立了五自由度混联机器人的运动学模型,并对其进行了奇异分析,给出了减少机构奇异位型的条件;然后基于灵活性指标,对并联机构进行了尺寸优化,绘制了用于选取结构尺寸的性能图谱,且借助有限元软件对基于优化所得结构尺寸绘制的具有运动冗余特性的平面机构进行了结构拓扑优化,,完成了整体结构优化前后的静力学分析与对比,结果显示优化前后整体变形仅增大0.51%,优化前后机构优化部分的质量减少33.02%,满足机构变形要求。该混联机器人具有结构简单、运动学模型简单、结构刚度高和模块化程度高的特点,且其结构的变胞性有助于实现机构运动和驱动冗余模式的切换,增强了机器人的可研究性。该文可为混联机器人运动学分析及优化设计提供参考。     

玉米三维重构及可视化系统的设计与实现

重构出植物的三维形态是数字植物研究的基础。介绍了玉米三维重构及可视化系统的整体结构、数学基础及实现过程。系统由器官几何造型模块、生长模型模块、可视化控制模块、数据库和人机交互界面组成。其中，玉米叶片、茎节、雄穗、雌穗和根系的三维形态是由基于器官形态结构主要特征而构建的参数化的几何模型来描述的。模型参数具有较明确的生物学意义，均可由品种特征或生长模型生成；系统运行时，根据玉米品种特征和玉米生长模型生成植株的拓扑结构参数和器官几何模型参数，通过人机交互操作来确定行株距等农艺措施参数，进而结合VC++和openGL在计算机上重构出玉米器官、个体和群体的三维形态，具有较好地真实感。系统界面友好、使用方便，易于交互，为农学研究者提供了新的手段。     

基于生长模型的玉米三维可视化研究

为了实现对玉米形态结构的定量化和可视化描述,提出了基于生长模型的玉米形态模拟及三维可视化的技术框架。通过资料收集和田间观测研究,构建了可描述不同玉米品种叶片、叶鞘和节间等器官的主要形态结构参数随叶序变化的形态知识模型。在玉米生长模型框架内,整合玉米形态知识模型和基于形态特征参数的器官几何模型,使玉米生长模型可输出玉米拓扑结构和各器官的形态特征参数,实现了对玉米形态建成过程的定量化模拟,并进一步驱动几何模型进行玉米植株和冠层的三维重建。根据上述“生长模型-形态模型-数学模型-显示模型”的思路,模拟了玉米“农大108”的三维形态建成过程及冠层的三维形态,具有较强的真实感,为玉米形态结构研究提供了新的思路和手段。     

基于虚拟模型的水稻冠层叶面积计算方法

水稻冠层的叶面积是分析水稻生长状况的重要参数,传统叶面积统计方法效率较低且误差较大,难以对植株冠层不同高度层的叶面积进行测量。针对传统水稻冠层叶面积统计方法的薄弱点,该文提出一种基于虚拟模型的水稻冠层叶面积计算方法。该方法首先通过田间试验获取的水稻形态参数,建立虚拟水稻模型,然后基于该模型计算植株整体叶面积以及两株水稻在一定株距下不同高度层内叶片面积的大小,从而为水稻种植管理措施的优化提供参考。该文算法与长宽校正法相比,在整株叶面积统计结果上,二者相差在5%左右;每层叶片面积实际测定和仿真结果的比较,两者误差在10%之内。该方法对于水稻冠层叶片面积统计具有一定的实际意义。     

植物共享光照资源的生长模型改进及可视化仿真

为了模拟共享光照资源情况下的植物生长情况,该文以FON(field-of-neighbo urhood)模型为基础,对影响圈从形状和阴影深浅程度两方面加以改进,提出了共享光照资源植物的一种生长建模方法。该方法引入了植物生长地的纬度值、植物遮光率因子以及植物自身对光的敏感特性等地理学和生物学参数,以更真实地模拟植物在共享光照资源时的生长规律。为了验证共享光照资源植物的生长建模方法的有效性,该文以生物量数据为基础对水曲柳和落叶松的人工混交林的生长情况进行试验结果比较与分析。此外,该文开发了支持共享光照资源的植物生长模拟系统,对不同植物在共享光照资源中所表现出的生长情况进行可视化模拟。仿真试验结果表明,共享光照资源植物的生长建模方法具有较好的准确性和实用性,可以用于实际植物的生长过程模拟。     

基于类二叉树的虚拟植物分枝结构三维重构

为了有效的提取自然界分枝植物的生长规则,该文在深入研究L系统的基础上,提出了一种基于类二叉树结构的虚拟植物生长三维重构方法。该方法用类二叉树结构来简化分枝植株的生长规则,以L系统描述植株的拓扑结构;对实际树木的仿真结果表明,该方法能够有效地描述植物的生长规则,为植物生长规则的提取提供了一条新的途径。     

潜流人工湿地除氮的生态动力学模拟

对某潜流人工湿地建立生态动力学模型,利用MATLAB编程模拟湿地中氮素的迁移转化过程,确定了主要除氮机制。模拟结果显示,该模型能较好地模拟出水中有机氮、氨氮和硝态氮浓度的变化趋势和范围。进一步进行氮素质量平衡分析可知,该人工湿地的主要除氮机制为硝化、反硝化和植物吸收,有机氮、氨氮和硝态氮的总去除率为60.53%,其中反硝化过程去除43.10%,植物吸收去除13.98%,沉淀去除3.45%。     

葡萄树地上部形态结构数据获取方法

葡萄树为多年蔓生植物,其形态结构复杂且受人工修剪及架势的影响。获取葡萄树地上部植株及器官的形态结构及纹理数据,有助于建立3D可视化模型以表征该植株的品种遗传特征、受环境、架式和人工修剪等因素的影响。该文针对葡萄树形态结构数据获取工作量大、效率低、依靠单一手段所获取数据缺乏完整性等特点,提出一种高效的葡萄树地上部形态结构数据获取方法,首先对葡萄树进行拓扑结构解析和数字化表达实现复杂结构的显示表达;然后针对目标植株进行葡萄树三维形态数据采集,包括植株拓扑结构三维数字化数据采集、品种一致性与差异性分析的DUS(植物新品种特异性(distinctness)、一致性(uniformity)和稳定性(stability)的栽培鉴定试验或室内分析测试)数据采集,器官的形态参数测量,三维扫描与纹理数据采集,目标植株的栽培环境及人工管理措施等信息的采集。结果表明,基于所获取形态结构数据结合植物参数化建模方法重建的葡萄树器官与植株几何模型具有较高的真实感。在葡萄树形态结构数据获取方法的基础上,对植物地上部形态结构数据获取标准化流程进行探讨,以期为其他植物主要器官与植株的形态结构数据获取提供方法参考。