基于动态生长模型的植物根系模拟研究

围绕基于动态生长模型的植物根系模拟技术展开研究与讨论,在分析了冬小麦根系动态生长模型的基础上,提出了一种利用改进型L系统规则结合动态数据结构的冬小麦根系模拟方法并予以实现。引入了植物根系的“管道模型”,使系统在模拟根系生长的同时,能完成对根系各生长参数的计算,最后能生成根系图形并计算出根系研究所需要的根长、根重、根体积等重要参数,实现了根系生长发育模型和形态发生模型的有机结合。     

土壤-根系统养分迁移和吸收的数值模拟Ⅰ.植物根系吸收养分的稳态模型

根据养分在土壤-根系统中运移和吸收机制,同时考虑植物的根系生长、根系水分吸收以及土壤养分浓度的变化等特点,通过时段的控制,实现根际环境中稳态的养分剖面,在此基础上建立了根系吸收养分的稳态模型.根据实测的土壤、植物养分运移和吸收参数,用逐步迭代的方法计算植物根系的吸收养分总量,该模型具有计算简单,模拟条件灵活变化的特点.     

土壤-根系统养分迁移和吸收的数值模拟 Ⅰ.植物根系吸收养分的稳态模型

根据养分在土壤-根系统中运移和吸收机制,同时考虑植物的根系生长、根系水分吸收以及土壤养分浓度的变化等特点,通过时段的控制,实现根际环境中稳态的养分剖面,在此基础上建立了根系吸收养分的稳态模型。根据实测的土壤、植物养分运移和吸收参数,用逐步迭代的方法计算植物根系的吸收养分总量,该模型具有计算简单,模拟条件灵活变化的特点。     

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。     

基于参数L系统的水稻根系生长可视化研究

采用"根箱法"分析水稻根系在土壤中的分布形态,并应用三维球形海龟几何解释,结合参数L系统推导出产生式规则;采用二次B样条插值函数的方法,设计了水稻根系参数L系统,并使用Visual C++和Open GL标准图形库,实现水稻根系生长的可视化。对该模型进行实验验证,获得的标准误差趋近0,一致性指数趋近1,参数L系统模型可以有效模拟水稻根系的生长。     

植物根系生长的三维可视化模拟

利用模拟植物形态结构的L系统理论结合计算机图形学方法建立了模拟植物根系生长的三维可视化模拟系统。并利用随机参数L系统方法对豆科作物根系的生长过程进行了模拟。     

基于有效积温的冬小麦返青后植株三维形态模拟

【目的】基于有效积温,利用三维建模技术,实现小麦生长模型与形态模型的有机结合,真实表达环境因素对小麦生长发育和形态结构的影响,最终实现小麦生长过程的三维可视化,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重要参考。【方法】以天津地区主要推广小麦品种衡观35、济麦22和衡4399为材料,于2015—2016年冬小麦生长季内开展不同小麦品种和施氮水平的田间试验,采集各品种冬小麦在不同施氮水平下的叶长和最大叶宽等形态数据,通过分析各品种冬小麦返青后形态数据和有效积温的定量关系,用Logistic方程构建了冬小麦返青后叶片叶长、最大叶宽模拟模型,并对该模型进行检验;基于该模拟模型,计算各品种冬小麦返青后每个生长日的形态数据,借助OpenGL和NURBS曲面造型技术,构建冬小麦几何形态模型,最终实现冬小麦生长模型与形态模型的结合,实现了冬小麦返青后生长过程可视化。【结果】在不同品种、不同施氮水平下,小麦叶长回归方程R2值在0.772—0.983之间,F值在10.153—340.191之间,且Sig小于显著水平0.05,最大叶宽回归方程R~2值在0.853—0.999之间,F值在17.371—4 359.236之间,且Sig小于显著水平0.05,表明上述模型拟合度和显著性均较好。经数据检验,叶长模型绝对误差在0—3.88 cm之间,根均方差(RMSE)值在0.24—1.95 cm之间,最大叶宽模型绝对误差在0—0.28 cm之间,RMSE值在0.02—0.15 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返青后的叶片生长具有较好的预测性;基于所建模拟模型计算冬小麦返青后逐日形态数据,可构造不同品种、不同施氮水平下的冬小麦植株形态,可逼真模拟冬小麦返青后植株动态生长过程。【结论】基于有效积温构建的冬小麦返青后叶长和最大叶宽模拟模型,可较好预测冬小麦返青后叶片生长状态,可实现小麦生长模型和形态模型的有机结合,实现不同品种冬小麦在不同施氮水平下的叶片生长可视化。     

水稻根系空间分布特性的三维建模及可视化研究

为明确水稻根系在土壤中的空间分布特性,应用"根箱法"进行试验,获取水稻根系坐标数据,分析根系生长随水稻生育进程的变化规律,采用植物模拟技术,建立了水稻根系三维形态模型,包括根节点初始位置的确定、根节点生长方向的确定、不定根位置的确定、不定根生长方向的确定等。根据水稻根系几何形态参数,采用Visual C++及Open GL标准图形库,对水稻根系的三维形态结构进行重构,使系统生成更加逼真的水稻根系图像。结果表明该模型对水稻根系形态结构动态生长具有较好的预测效果,同时也可为其他作物根系的可视化研究提供参考。     

基于三维动态生长模型的水稻根系模拟

以水稻‘淦鑫688’‘两优培九’‘金优463’‘陆两优996’为试材,利用根箱栽培试验研究水稻不同生长时期根系的形态结构和分布与生理生态因子之间的相互关系;统计分析水稻根系的形态参数,量化其生物学意义和结构特征,基于水稻根系拓扑结构,提出了一种融合发根时间、发根位置、生长速率和生长方向的水稻根系三维动态生长模型。对模型模拟值与观测值进行相关性分析,纳什效率系数为0.811~0.899,均方根误差为0.121~0.135,平均偏差为0.125~0.137,表明模型的准确度较高。以水稻根系三维动态生长模型作为算法基础,利用Visual C++开发工具和OpenGL开放图形库构建了实现水稻根系三维生长可视化仿真系统。对水稻根系的不定根、一级枝根、二级枝根和三级枝根的拟合度和误差进行分析,结果显示,其平均模拟拟合度分别可达到89.36%、90.12%、90.86%和91.75%。     

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。     

关于旋耕机组加配成组合农具问题的研究

本文通过对国内外部分联合作业机具发展现状的分析,认为联合作业机具具有节能降耗、争取农时季节、提高作业质量等一系列优越性,其发展前景广阔.旋耕、播种、施肥等作业联合机具是联合作业机具重要形式之一,在旋耕机组上加配播种、施肥等部分,应从整个旋耕机系列的角度进行综合研究,可以开发出组合化即积木化系列产品,以提高产品“三化”程度和加速新产品开发的进程.