基于农学参数的玉米叶片表观建模与可视化方法

为提高农业题材三维数字媒体内容制作效率,提出基于SPAD(soil and plant analyzer development)和生育期农学参数的作物叶片表观建模与可视化方法,并以玉米为例进行实际验证.将玉米叶片分成叶肉、一级叶脉、二级叶脉3种结构,首先获取主要生育期下各结构表观材质(包括漫反射强度、透射强度、高光反射强度、粗糙度4种参数)及SPAD数据;之后构建各类表观材质参数与SPAD及生育期之间的定量化模型;再对玉米叶片纹理样式进行抽象,构建参数化的玉米纹理结构几何表达,并基于定量化模型为纹理结构分配表观参数;最后整合实时光照计算框架,对大田光环境下玉米表观进行可视化模拟.该文方法搭建了农业知识与三维可视化效果间的桥梁,使用户可以通过调整农学参数实现对作物叶片表观的快速、准确设计与制作,为农业题材的三维数字资源开发提供技术工具.     

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。     

大田玉米长势的三维图像监测与建模

基于双目立体视觉对大田间玉米生长参数进行测量,并建立玉米三维生长模型,以实现大田玉米生长参数的实时测量和生长过程的三维虚拟显示。以上次测量的平均株高平面为测量区域基准面,利用大津法提取测量区域的玉米叶片。对测量区域进行均匀网格分割,通过对左右网格的匹配,求得覆盖面积和平均颜色。对网格的形心,通过左右视觉的对应进行三维重建,获得形心点云的三维数据和平均株高。利用标杆的测量方法佐证了三维株高测量的正确性。利用上述测量参数,构建了玉米的三维生长模型,并利用OpenGL实现了玉米生长过程的三维虚拟显示。为下一步玉米生物量的实时无损检测以及更精确的玉米三维虚拟建模奠定了基础。     

基于t分布函数的玉米群体三维模型构建方法

为利用少量实测数据快速构建能够反映因品种、环境条件、栽培管理措施等因素产生形态结构差异的玉米群体三维模型,提出基于t分布函数的玉米群体三维模型构建方法。通过实测数据构建主要株型参数的t分布函数,在其约束下生成群体内各植株主要株型参数,通过构造株型参数相似性度量函数调用玉米器官三维模板资源库中的器官几何模板,结合人工交互或图像提取的各植株生长位置与植株方位平面角2组群体结构信息生成玉米群体几何模型。利用三维数字化仪获取的玉米群体田间原位三维数字化数据所构建玉米群体计算得到的LAI与该方法构建玉米群体计算得到的LAI进行对比验证,结果表明:该方法所生成玉米群体叶面积指数与原位三维数字化数据所构建玉米群体计算得到的LAI相比,误差在±2%以内,可以满足面向可视化计算的玉米结构功能分析研究需求。方法可为玉米株型优化设计、耐密性鉴定、品种适应性评价等虚拟试验研究提供技术手段。     

轴流泵3D实体造型的自动实现

针对目前轴流泵三维(3D)实体造型缺乏自动实现的特点，提出了一种自动实现轴流泵3D实体造型的方法。该方法将数据文件作为水力设计软件和三维造型软件Pro/Engineer之间的桥梁，利用叶片表面离散点表达方式灵活的特点，来构造任意形式的叶片柱面截线的平面展开图，以此生成具有足够精度的叶片特征曲线。在该方法中，轮毂利用二次开发工具Pro/Toolkit和特征描述法直接完成造型；叶片则由特征曲线混成叶片的正背面，再融合叶片的所有表面得到封闭曲面，根据封闭曲面得到实体造型。这种方法的特点是：充分利用了Pro/Toolkit快速灵活的优势，所完成的造型程序适用性强，精度高，可实现任意形式的轴流叶轮的三维自动实体造型。文中给出了叶轮实体造型实例。     

整株干物质量分配指数模型模拟冬小麦各器官形态参数

作物生长机理模型可以定量描述作物生长发育及其与环境因子的动态关系,具有通用性、动态性和预测性的特点,但基于生长机理模型模拟结果的作物虚拟技术与方法尚缺乏研究。针对基于生理过程的小麦功能模型与三维结构模型之间不能很好衔接的问题,该文开展越冬期后不同小麦品种的主茎干物质量在不同器官之间的分配研究,以有效积温和干物质量为连接纽带,构建小麦叶片、叶鞘、茎秆、穗各器官的几何特征模拟模型,并用独立数据进行了验证。结果显示:穗干物质量分配指数模拟效果最好,RRMSE值和EF值分别为6.58%和0.98;叶片、叶鞘和茎秆的分配指数模拟效果较好,RRMSE值分别为13.86%、10.83%和14.87%,EF值分别为0.98、0.97和0.91。麦穗形态参数模型和叶鞘长度模型具有非常好的模拟性能;叶片长度和最大叶宽模型、茎秆长度和直径模型具有较好的模拟性能;叶鞘形态参数模型对于叶鞘展开宽度的模拟效果一般,需要在后续研究中对拟合方程和模型参数进一步修正。该系列模型以干物质量为参数输入,能够生成小麦主茎三维形态模拟所需的各器官逐日几何特征参数,参数反映了品种特性、生长环境及气象因素对作物生长的影响,是一种实现小麦功能模型与结构模型实际结合的有效方法。     

基于双目立体视觉技术的玉米叶片三维重建

玉米叶片的三维形态特征是衡量叶片生物学特性的重要指标,为了能够简捷、快速、准确的获得叶片的三维形态,该研究以两个位置相对固定的摄像机组成双目立体视觉系统,采用平面模板法标定摄像机内外参数,照射结构光测量玉米叶片边缘与叶脉点的三维坐标,对稀疏离散点进行Cardinal样条插值,三角面片化插值点重建出部分叶片三维曲面,旋转平移各部分三维曲面拼接成完整的叶片。试验结果表明该文所提出的方法不仅能够准确的重建玉米叶片三维结构,同时具有无损、非接触、自动化程度高等优势。     

基于球B样条函数的烟草叶片虚拟实现

植物三维形态的可视化模拟是数字植物研究的基础。该文综合应用球B样条曲线和插值B样条曲面实现了以脉序作为结构骨架的烟草叶片几何建模。首先利用三维数字化仪等数据获取装置获取烟草叶片脉序主要形态特征点的三维坐标和厚度,然后利用球B样条曲线对脉序进行三维建模,生成叶片的形态骨架,与由插值样条生成的叶片曲面合成,实现了烟草叶片的三维重建和真实感显示。结果表明,该方法得到的烟草叶片几何模型与传统方法相比具有较高的真实感,为植物叶片叶脉尺度的高真实感几何建模提供了新的手段。     

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。     

基于可视化类库的植株三维形态配准方法及点云可视化

精确的植物三维静态形态结构模型有助于植物空间结构相关的各种研究,是虚拟植物、植物建模等问题研究的一个重要方面。研究植物生长过程中的三维信息的获取可以获得作物生长过程中各参数的动态数据,可为精细农业植物生长模型建立等提供依据。该文以植物为研究对象,介绍了虚拟植物及植物三维可视化的研究现状,讨论了植物叶片三维可视化的可行性及必要性。针对植物三维点云的采集与处理上,讨论了三维扫描仪的精度测定方法,并针对基于基准体的植株点云配准问题,提出采用基准体点云平均法向量计算的方法,去除了部分基准体表面的噪声点,提高了植株体的配准精度;采用迭代最近点（iterative closest point,ICP）算法,对植株叶片进行进一步的高精度配准。最后采用基于可视化类库VTK(visualization toolkit)实现了植物点云配准与三维可视化。     

采用SEPLS_ELM模型估算夏玉米地上部生物量和叶面积指数

利用高光谱数据进行作物生长状况监测具有无损和高效的特点,是现代精准农业发展的必要手段。该研究以连续3 a（2018-2020）不同水氮供应下夏玉米营养生长期采集的212份植物样品（地上部生物量和叶面积指数）和高光谱实测数据为数据源,分别采用偏最小二乘回归（Partial Least Squares Regression,PLS）、极限学习机（Extreme Learning Machine,ELM）、随机森林（Random Forest,RF）和基于PLS叠加策略的叠加极限学习机算法（Stacked Ensemble Extreme Learning Machine based on the PLS,SEPLS_ELM）构建了夏玉米营养生长期地上部生物量和叶面积指数估算模型。结果表明：基于PLS和ELM构建的夏玉米地上部生物量和叶面积指数估算模型的精度均较低,前者验证集R2低于0.85、均方根误差高于550 kg/hm2,后者R2低于0.90、均方根误差高于0.40 cm2/cm2。相比之下,基于RF和SEPLS_ELM构建的夏玉米营养生长期地上部生物量和叶面积指数估算模型均有着较高的估算精度,SEPLS_ELM模型表现尤为突出,其地上部生物量和叶面积指数估算模型验证集的R2分别为0.955和0.969,均方根误差分别为307.3 kg/hm2和0.24 cm2/cm2,表明叠加集成模型能够充分利用高光谱数据并提高作物地上部生物量和叶面积指数估算精度。     

玉米地上主要器官形态建成的动态模拟

构建玉米茎秆、叶片和穗等器官的形态建成模型,可为玉米器官建成的定量预测和虚拟玉米生长系统的建立提供理论参考。以‘金山27’、‘先玉335’、‘伟科702’和‘郑单958’等玉米品种为试验材料,构建玉米器官形态建成的动态模拟模型。模型以生理发育时间(PDT)为时间步长,以生理发育日来衡量茎秆、叶片和穗的生长进程与生长次序,以品种遗传参数为基础确定其他模型参数,引入了最小含氮量、最大含氮量和临界含氮量订正氮素的影响。不同品种、不同试验点的检验结果表明,节间长度的模拟误差为0~2.5 cm,RMSE为0.2~0.8 cm;节间粗度的模拟误差为0.001~0.397 cm,RMSE为0.050~0.156 cm;叶片长度的模拟误差为0~2.6 cm,RMSE为0.5~1.1 cm;叶片宽度的模拟误差为0~1.5 cm,RMSE为0.1~0.5 cm;雌穗长度的模拟误差为0.1~1.4 cm,RMSE为0.4~0.7 cm;雌穗粗度的模拟误差为0~0.255 cm,RMSE为0.070~0.141 cm;雄穗长度的模拟误差为0.1~2.1 cm,RMSE为0.5~0.9 cm;雄穗粗度的模拟误差为0.001~0.158 cm,RMSE为0.050~0.066 cm。模型表现出较好的预测性和可靠性。     

不同土壤水分条件下玉米叶片/冠层气孔导度的光谱监测模型

通过玉米水分控制试验,测定不同水分条件下各生育期叶片气孔导度、叶面积指数和冠层光谱反射率等,以分析玉米叶片气孔导度的变化规律及其与光谱植被指数的相关性,从而建立基于光谱植被指数和土壤湿度的叶片气孔导度模型。结果表明：玉米在可见光区和近红外中、长波区的反射率随着土壤水分的降低而上升,但叶片气孔导度（Gs）、叶面积指数（LAI）、比值植被指数（RVI）和归一化植被指数（NDVI）随着土壤水分的下降而降低;玉米NDVI和RVI与单叶片和冠层气孔导度均呈极显著指数函数关系（P〈0.01）,且对单叶片气孔导度的拟合效果优于对冠层导度的拟合效果,而经土壤湿度订正的RVI监测模型优于NDVI监测模型。表明通过测定冠层反射光谱率可实时、迅速地定量监测玉米叶片的气孔导度,为大面积作物气孔导度估算奠定基础。     

冀东地区晚播春玉米氮素积累、分配与转运特性

为明确冀东地区晚播春玉米氮素积累、分配与转运特性,2017—2018年以京农科728和MC812为供试材料进行了2年的田间试验,以常规播期(5月1日)为对照,分析了冀东地区晚播(5月30日)春玉米氮素积累动态和阶段积累特性及其在各器官中的分配和转运特性。结果表明,冀东地区春玉米氮素的积累动态符合Logistic模型,与常规播期比较,晚播春玉米氮素积累的渐增期和缓增期持续时间缩短,而快增期持续时间延长;氮素平均积累速率、渐增期和缓增期积累速率提高,氮素总积累量增加。晚播显著促进抽雄期-成熟期植株对氮素的吸收,此阶段京农科728和MC812氮素吸收量比常规播期分别增加72.56%和18.39%,阶段吸收百分率均达45%以上。晚播使春玉米茎鞘中氮素分配率提高,叶片的氮素分配率降低,同时还促进了叶片向籽粒转运氮素,使其转运量、转运率以及对籽粒的贡献率提高;成熟期晚播春玉米籽粒氮素分配比例达73.82%~77.41%。另外,晚播提高了春玉米产量,使氮素收获指数和氮素偏生产力同步提高;百公斤籽粒氮素吸收量基本不受播期的影响。综上可知,在晚播春玉米生产中,应注意增加氮肥施用量,选择基施肥效较长的缓释肥或在春玉米生长后期追施氮肥,以保证春玉米生育后期土壤有效氮的充足供应,保持叶片活力,维持叶片光合能力,促进春玉米增产。本研究对冀东地区晚播春玉米氮肥合理施用具有一定的指导意义。     

不同沟灌方式下玉米叶片气孔阻力差异

气孔调节在作物适应不同水分环境中起着重要作用,为了阐明作物在不同沟灌措施下的气孔活动规律,在大田分区试验中研究了交替非充分供水与常规沟灌下玉米叶片气孔阻力差异及气孔对水汽传导的贡献。结果表明,在叶片尺度上,玉米叶片气孔阻力自叶基至叶尖处梯度递减;在群体上,叶片气孔阻力自冠层上层向下层呈垂直递增趋势;群体上层叶片气孔阻力相对较小。玉米叶片正面气孔对CO2和水汽的传导贡献大于反面;除玉米苗期外,气孔对CO2和水汽传导贡献的80%以上来自于冠层上、中部叶片。在玉米营养生长阶段,不同叶序的叶片气孔阻力随叶龄的增大而增大,交替非充分供水加大了不同叶龄叶片之间的气孔阻力差异。在玉米生殖生长阶段,较为成熟的玉米叶片气孔阻力受叶龄的影响不明显。与常规沟灌比较,交替非充分供水增大了叶片反面气孔收缩程度,对水分亏缺反应更为敏感,冠层由顶叶至底叶的叶片气孔阻力呈垂直梯度递增,引起气孔导度快速衰减,从而提高了群体上层气孔对水汽的传导贡献。因此,玉米气孔阻力大小受到沟灌方式和土壤水分状况的调控,还与叶龄、叶面积指数等环境因素及气孔自身特性有关,其研究对控制灌溉及土壤—植物—大气连续体(Soil—plant—atmosphere continuum,SPAC)水汽循环研究具有理论意义。     

基于叶片光谱特性的玉米品种抗倒伏性预测

针对玉米叶片各区域光谱特性与玉米品种抗倒伏性能之间关系未知的问题,该研究探讨了叶脉区、正常反射区和整片叶的平均光谱对玉米品种抗倒伏性预测效果的影响。试验采集了2018年和2019年8个玉米品种的叶片高光谱图像,使用阈值分割和K-means聚类方法提取各叶片区域的平均光谱数据。用最大相关最小冗余（Max-Relevance and Min-Redundancy,MRMR）特征选择算法,提取各叶片区域平均光谱的抗倒伏和不抗倒伏品种分类特征。使用交叉验证的方式,对MRMR方法选择的特征数量进行优化,并使用支持向量机（Support Vector Machines,SVM）方法建立各叶片区域的抗倒伏性预测光谱模型,用网格搜索法对各模型参数进行优化。2 a试验结果显示,各叶片区域约有35~50个可以反映品种抗倒伏性的光谱特征,其中非叶脉区光谱相比叶脉区光谱的抗倒伏特征更多,分类效果更好。参数优化训练后,叶片各区域的光谱模型对训练集数据的预测正确率达到98.46%、98.52%和100%,正常反射区的光谱模型对测试集数据的分类效果最好,2018年和2019年测试集数据的预测正确率分别达到了91%和94.34%。与基于整片叶平均光谱的预测模型相比,基于叶片各区域的光谱特征模型可以排除不平整叶面反射的干扰,有助于提高模型预测结果的稳定性。研究表明,基于正常反射区光谱的预测模型更适用于品种抗倒伏预测,研究结果可为基于玉米叶片光谱预测品种的抗倒伏能力提供借鉴。     

考虑植株氮垂直分布的夏玉米营养诊断敏感位点筛选

探明夏玉米氮素营养生化指标(叶绿素a、叶绿素b、类胡萝卜素、叶片氮含量和叶片氮积累量)与叶片SPAD值垂直分布特征及两者间定量回归关系,确立基于叶绿素仪的夏玉米氮营养无损诊断敏感叶位和叶片部位,以实现氮营养时空变化的快捷和精准监测。利用2018-2019年连续2季不同氮营养水平下夏玉米关键生育期主茎各叶位(顶1叶~顶12叶,TL1~TL12)和叶片部位(每张叶片从叶片基部开始根据叶片长度每20%分为1个测试区间) SPAD值及氮营养指标数据,研究基于偏最小二乘(partial least square, PLS)回归模型的夏玉米不同位点SPAD值与氮营养指标间关系,确定可稳定指示夏玉米氮营养空间异质性变化的敏感叶位及叶片部位。结果表明,不同叶位间夏玉米叶片SPAD值和氮营养指标于植株间分布均呈典型的"钟型"特征,至TL5或TL6时达至峰值。同一叶位不同部位间SPAD值由20%至100%位点时则逐步升高,且80%~100%位点间无显著差异(P>0.05)。PLS分析结果显示,夏玉米不同叶位SPAD值与氮营养指标间模型精度决定系数(coefficient of determination, R2)和相对分析误差(relative percent deviation,RPD)范围分别为0.693~0.821和1.425~2.744。不同测试位点R2和RPD值范围则分别为0.660~0.847和1.607~2.451,满足模型精确诊断需求。此后,基于PLS模型中各叶位和叶片部位无量纲评价指标变量重要性投影值(variable importance for projection,VIP),确定顶4叶(TL4)完展叶60%~80%区间为夏玉米氮营养诊断的敏感区域,VIP值均高于临界值1.40,预测效果较为理想。研究可为实现氮营养的高效、快捷诊断和精准施氮提供参考。     

转基因抗矮花叶病玉米及其亲本生理特性的对比研究

为了探明转基因玉米的生理特性,本文研究了转基因抗矮花叶病玉米和亲本玉米(非转基因玉米)的发芽能力及苗期第1真叶的叶绿素含量和淀粉酶、蛋白酶、过氧化物酶(POD)、过氧化氢酶(CAT)、超氧化物歧化酶(SOD)活性以及3种保护酶同工酶的酶谱。转基因玉米与非转基因玉米的发芽能力差异不显著,叶绿素a和叶绿素a+b含量显著高于非转基因玉米。转基因玉米淀粉酶活性和蛋白酶活性显著高于非转基因玉米。转基因玉米与非转基因玉米胚芽中POD、CAT和SOD酶活力均无显著性差异,转基因玉米第1真叶中3种保护酶活性显著高于非转基因玉米。转基因玉米和非转基因玉米胚芽中检测到POD的3种同工酶POD-1、POD-3和POD-4,非转基因玉米第1真叶中检测到4种同工酶POD-1、POD-2、POD-3和POD-4;转基因玉米第1真叶还含有POD-5。转基因玉米和非转基因玉米胚芽和第1真叶中都有4种CAT同工酶CAT-1、CAT-2、CAT-3和CAT-4。转基因玉米和非转基因玉米胚芽中的SOD共有两种同工酶,分别为SOD-1和SOD-2;转基因玉米和非转基因玉米第1真叶中共检测到7种SOD同工酶,分别为SOD-1、SOD-2、SOD-3、SOD-4、SOD-5、SOD-6和SOD-7。综上所述,转基因抗矮花叶病玉米发芽能力及胚芽中保护酶活性与非转基因玉米无显著差异,转基因玉米第1真叶中3种保护酶活性显著高于非转基因玉米。     

玉米与马铃薯的间作优势和种间关系对氮投入的响应

氮是农业生产投入最大的土壤养分资源,有研究表明,氮投入影响间作体系的生产力优势。然而作为重要的旱地间作模式,玉米与马铃薯间作体系对氮投入的响应机理并不清楚。本研究通过大田试验,探讨氮投入下玉米与马铃薯间作的生产力优势特征、种间关系和作物生长以及地上部生物量的分配规律,结果表明:施氮降低玉米和马铃薯间作的土地当量比（LER）;在初花期显著增加间作玉米的竞争能力,抑制间作马铃薯的竞争能力;收获期则增加间作玉米的叶生物量、叶面积和茎叶比,降低间作马铃薯的叶面积、叶生物量、茎生物量和茎叶比,但对两种作物的比叶面积均无影响。综合以上结果,尽管该间作模式在氮投入下产量增加,但种间竞争加剧,间作优势呈现降低趋势。