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。     

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。     

水稻叶片几何参数的模拟分析

【目的】在生长模型输出的基础上，构建预测水稻叶片几何参数的动态模型，以便更准确地实现水稻的虚拟生长。【方法】在试验观测的基础上，分析了不同品种类型水稻分蘖与主茎同伸叶片叶长之间以及叶长与叶宽之间的定量关系，进一步耦合水稻叶龄、叶面积和茎蘖数模拟模型，进行水稻叶片几何参数变化的动态模型构建。【结果】不同品种类型水稻分蘖与主茎同伸叶片的叶长比随分蘖叶序呈二次曲线变化，叶长与叶宽的关系可用幂指数函数描述。运用独立实测资料对模型进行的初步检验显示，本模型可较好地模拟不同生长条件下水稻不同叶位叶片的几何参数。【结论】本研究构建的水稻叶片几何参数分析模型较好地体现了器官几何参数受生态环境、品种类型和栽培措施影响的形态生理规律，为水稻虚拟生长提供了可靠和普适的叶片几何特征确定方法。     

基于改进L-系统的水稻根系建模方法

根系作为水稻生长的“发动机”,其形态特征直接影响植株的生长发育、营养水平和产量水平。水稻根系不便于直接观测,实现根系形态结构三维建模及可视化研究对改善农田管理、水稻育种和遗传改良等具有重要作用。用L-系统描述水稻根系弯曲的算法复杂,较难提取产生式,产生的分枝根根型比较生硬。为了更好地模拟水稻根系直根和曲根的形态结构,研究基于改进L-系统的水稻根系建模和可视化方法。结合二次均匀B-样条曲线的数学表达式改进传统L-系统的产生式,把根系生长节点作为控制中心,运用二次均匀B-样条曲线函数来表达根轴的弯曲程度,并以动态数据结构存储根系生长节点。对模型模拟值与现场观测值进行相关性分析显示,均方根误差在0.022～0.040之间变化,平均偏差在0.107～0.189之间变化,表明基于改进L-系统的水稻根系模型的准确度较高。以模型作为算法基础,利用Visual C++开发工具和OpenGL开放图形库实现了水稻根系生长可视化仿真系统。系统能够表达水稻根系在不同生长时期的形态特征和生长规律,模拟的真实度较为理想,可以有效满足精确农业的研究需求。     

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。     

基于形态特征参数的稻穗几何建模及可视化研究

 【目的】建立基于形态特征参数的稻穗几何模型,实现稻穗的可视化。【方法】通过对稻穗形态建成过程中关键特征的观测分析,利用三维几何建模技术,构建基于形态特征参数的稻穗几何模型,包括穗曲线、穗轴、次枝梗和小穗几何模型;用Bezier曲线来拟合穗曲线,将二维空间的穗曲线映射到三维空间,构建穗轴几何模型;用一段穗轴及圆柱体模拟一次枝梗和二次枝梗;并分别用椭球体及圆柱体模拟小穗的谷粒及小枝梗,最后基于稻穗的拓扑结构,构建稻穗几何模型。模型参数主要有穗长、穗倾角、一次枝梗长、一次枝梗数目、二次枝梗长、二次枝梗数目、谷粒大小等。【结果】在稻穗几何模型基础上,基于OpenGL图形平台,实现了稻穗生长过程的三维可视化, 较好地描述了稻穗形态建成过程。【结论】稻穗的可视化为建立可视化水稻生长系统奠定了基础,同时对其它作物的可视化表达也有很好的借鉴意义。     

水稻籽粒蛋白质积累的模拟模型研究

 【目的】蛋白质含量是稻米的重要品质指标。通过解析和综合水稻植株氮素积累和转运的动态规律及其与环境因子和基因型的定量关系，构建一个基于氮流生理过程的水稻籽粒蛋白质形成模拟模型，以期为水稻生产中籽粒蛋白质指标的动态预测和管理决策提供量化工具。【方法】以田间试验资料为基础，结合已有水稻生长模型，采用生理发育时间作为定量生育进程的尺度，通过解析和综合水稻植株氮素积累和转运动态的基本规律及其与环境因子和基因型的定量关系，构建花前植株氮素吸收与积累、花后氮素吸收与转运及籽粒蛋白质形成过程的模拟模型。【结果】利用不同年份、不同生态点、不同品种类型和不同肥水条件下的大田试验资料对籽粒蛋白质形成模型进行了检验，籽粒蛋白质含量模拟值与观测值之间的决定系数大于0.84，根均方差（RMSE）小于0.26%。表明模型具有较好的通用性和可靠性，可以较准确地预测不同条件下的水稻籽粒蛋白质含量与蛋白质产量。【结论】基于植株氮素积累和转运的生理生态过程，以生理发育时间为主线，建立了较为简化的水稻籽粒蛋白质积累动态的模拟模型，模型的研究不仅为定量预测不同生态与肥水条件下不同水稻品种籽粒蛋白质含量与蛋白质产量的动态变化奠定了基础，而且是对国内外现有水稻生长与产量模拟模型的发展和完善。     

基于生物量的水稻叶片主要几何属性模型研究

 【目的】构建基于生物量的水稻叶片主要几何属性模型,为水稻株型设计与调控提供理论依据。【方法】以两优108、86优8、南粳43及扬稻6号为材料,设置品种、氮肥与密度田间试验,观测水稻主茎不同叶位叶片长度和宽度,分析了水稻主茎叶片长和宽的关系、比叶重（SLW）随叶位的变化规律,以及水稻叶片干重与叶长和叶宽的关系,构建基于生物量的水稻叶片主要几何属性模型。【结果】叶长与叶宽的关系可用幂指数方程表达,比叶重随叶位呈二次曲线变化。采用独立的试验资料检验模型,主茎叶片叶长、叶宽模拟值与实测值的根均方差（RMSE）分别为2.55和0.06 cm。【结论】几何属性模型可较好地模拟不同生长条件下水稻主茎不同叶位叶片的主要几何属性,为生长模型与形态结构模型的结合奠定了基础。     

土壤水分及氮素淋失胁迫下根系吸水过程的模拟

【目的】提出西藏高原农业种植区土壤水分亏缺、氮素淋失等因素耦合作用下的作物根系吸水胁迫响应函数,并基于Penman-Monteith公式构建作物根系吸水模型。【方法】于2015年春青稞生育期,在江达灌区和西藏农牧学院农田水利实验场开展同步试验,测定灌区典型田块及实验室参照模式和常规模式下的春青稞根系吸水过程、土壤水分及NH+4-N和NO-3-N淋失过程,基于全局性最优方法率定了根系吸水模型参数,采用Nash-Sutcliffe系数和相对均方根误差对模拟精度进行检验。【结果】所构建的根系吸水模型可用于边界条件控制及土壤水分亏缺和氮素流失耦合作用下根系吸水胁迫响应关系的模拟,在春青稞全生育期内,模拟结果的Nash-Sutcliffe系数和相对均方根误差分别为0.74和0.050 8,生育阶段中Nash-Sutcliffe系数和相对均方根误差的最大模拟偏差分别为0.63和0.102。【结论】所提出的模型能够有效描述西藏高原农业种植区土壤水分亏缺和氮素淋失条件下的根系吸水过程,具有较高的模拟精度。     

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。     

玉米根系对玉米抗倒伏性影响的研究进展

【目的】研究玉米根系对玉米抗倒伏性的影响,为筛选出抗倒伏性优良、产量高的玉米品种提供理论依据。【方法】本文通过国内外玉米根系对玉米抗倒伏性的影响研究专题进行了归纳总结,从玉米根系的三维图像构建、生长发育质量、延伸形态、抗倒伏指标和遗传性状,对影响玉米抗倒伏重要因素之一的根系性状进行系统的综述。【结果】随着技术的进步构建玉米根系三维模型正逐步应用到实际操作当中,为研究人员提供便利;玉米初生根、次生根、气生根生长发育优良的品种,极大提升了玉米抗倒伏性;横展型根系是玉米理想的抗倒伏根系延伸形态;根干重、根系开张角度、入土次生根条数、根体积、根直径、根层数是大多数学者选用的根系抗倒伏指标;目前常用QTL与GWAS技术对根系基因进行分析,定位了初生根直径、初生根长度、总根长、根尖数等一些根系相关的QTL,筛选出气生根直径、气生根角度等气生根性状相关联的SNP位点。【结论】明确玉米抗倒伏根系的优良性状并用现有的技术对其加强表达,是增产的重要手段。     

基于分形L系统的树木建模方法研究

[目的]虚拟树木是场景可视化的重要组成部分。为建立真实感的树木模型,本文提出了基于分形L系统的树木可视化方法,建立包含枝干,分叉角度等信息的树木拓扑结构模型。[方法]首先根据现实生活中树木的结构解析出分形L系统的生产式和初始串,产生字符串,然后使用MATLAB软件根据字符串中的字符解释成几何图形,实现对树木的建模。[结果]使用该方法逼真地模拟了白杨树的拓扑结构,并且该方法具有一定的可移植性。[结论]使用MATLAB软件基于分形L系统的树木建模方法具有一定的应用性和推广性。     

水稻水分精确管理的知识模型研究

【目的】水稻是中国主要的粮食作物,其生长需消耗大量的水资源,因此水分精确管理对于水稻高效生产具有重要的意义。【方法】在分析和提炼水稻栽培理论与技术研究资料的基础上,通过定量描述水稻需水规律与栽培技术、品种类型、生态环境之间的动态关系,根据土壤水分平衡原理,采用土壤水势作为灌溉指标,建立水稻水分精确管理知识模型;基于系统工程思想,进一步在Microsoft Visual Studio.NET 2005平台上构建水分精确管理知识模型系统。【结果】模型具有灌溉管理方案设计以及动态调控的功能,在杭州和南京两个生态点进行的大田对比试验表明,两生态点按照模型设计方案进行水分管理的田块,其产量平均分别提高了6.9%和9.1%,灌溉水分生产率平均分别提高了53.61%和42.73%。【结论】该模型对于不同条件下的水稻水分精确管理具有较好的适用性和指导性。     

N-硝基-2,4,6-三氟苯胺对水稻种子萌发及幼苗生长的影响

【目的】研究N-硝基-2,4,6-三氟苯胺对水稻种子萌发和幼苗生长的影响,探究N-硝基-2,4,6-三氟苯胺对水稻的适宜作用浓度,为N-硝基-2,4,6-三氟苯胺的应用开发提供理论基础。【方法】选取“黄华占”水稻种子为试材,采用“纸床发芽法”和“平皿生根法”研究N-硝基-2,4,6-三氟苯胺对水稻种子发芽参数(发芽率、芽苗鲜重、种子生活力和α-淀粉酶活性)及根长茎长的影响。用“水培法”研究N-硝基-2,4,6-三氟苯胺对水稻秧苗发育过程中根系活力和根系形态指标的影响。【结果】结果表明：2.5 mg/L的N-硝基-2,4,6-三氟苯胺浸种后,水稻种子的生活力都有所提高,α-淀粉酶活性显著增强,发芽率升高,根长茎长显著增加。水培实验的结果表明,2.5 mg/L-5 mg/L的N-硝基-2,4,6-三氟苯胺对水稻秧苗的主根和侧根在根长,根系比表面积都有促进作用,根系分生更加活跃,根系活力有所增强。【结论】N-硝基-2,4,6-三氟苯胺对水稻具有较好的植物生长调节活性,有一定的应用前景。     

链霉菌JD211对水稻根系形态特征和抗性酶活的影响

【目的】研究链霉菌JD211对水稻根系形态和抗性酶活的影响,为其在水稻旱育秧上的合理利用提供科学依据。【方法】采用施加链霉菌JD211固体菌剂的土壤栽培水稻,测定水稻根系形态指标和主要防御性酶酶活,初步从根系形态和酶学水平上探讨链霉菌JD211对水稻生长和抗性诱导机制。【结果】加入链霉菌JD211菌剂栽培的水稻根系形态指标和抗性酶活均有不同程度的提高。当水稻生长至35 d时,链霉菌JD211接种量1%处理组较对照组的根数、最长根长、根系体积分别提高了27.53%、31.74%、40.00%。超氧化物歧化酶(SOD)、多酚氧化酶(PPO)、过氧化物酶(POD)在秧龄25 d时,与对照组相比,分别提高69.20%、16.75%、103.57%。【结论】适宜浓度的链霉菌JD211对水稻根系生长有促进作用,能诱发其防御性反应,提高水稻抗逆性。     

水分胁迫下硅对水稻苗期根系生理生化性状的影响

【目的】分析施硅对水分胁迫下水稻苗期根系生理生化性状的影响,阐明施硅提高根系抗水分胁迫能力的机理。【方法】采用水培试验,以聚乙二醇（PEG-6000）模拟水分胁迫,以秀水11和巴西陆稻两个水稻品种为材料,研究施硅对根系相关生理生化指标的影响。【结果】施硅能够显著提高PEG诱导的水分胁迫下水稻根系的干物重和相对含水量,并抑制根系过度呼吸消耗。在处理第8天时,与单纯PEG处理相比,施硅使水分胁迫下的秀水11和巴西陆稻根系丙二醛（MDA）含量分别下降了23%和21%,相对电渗透率分别减少了39%和38%,增加了根系质膜的稳定性。施硅还抑制了活性氧的产生、增强了根系抗氧化能力,减缓了根系细胞中脱落酸（ABA）的快速降解。【结论】施硅能减轻水分亏缺所引起的水稻根系生理活性快速下降,从而增强苗期水稻根系对水分胁迫的抗性。     

水稻地上部单位器官物质分配过程的定量模拟

 【目的】定量描述水稻植株地上部单位器官（叶片、叶鞘、节间、稻穗）干物质的动态分配过程,为作物形态建成模拟和可视化表达奠定基础。【方法】通过不同水稻品种和水氮试验中主茎和分蘖单位叶片、茎鞘及穗的干物质与水分及氮素含量的连续观测和定量分析,构建水稻地上部各单位器官干物质分配指数动态模型。【结果】模型采用线性和指数方程描述了叶片、茎鞘及穗单位器官分配指数随GDD的动态变化过程;分别用指数方程及一元二次方程描述了叶片、茎鞘及穗最大单位分配指数随不同叶位、鞘位以及穗位的动态变化过程;另外,以叶片、茎鞘及穗的氮素和水分因子法分别描述了水氮限制对各单位器官干物质分配过程的定量影响。利用独立的水稻田间试验资料对所建模型进行了初步的测试和检验,主茎与分蘖各单位器官干物重的观测值与模拟值的根均方差分别为0.93、0.81及6.8 kg•ha-1。【结论】本模型可较好地模拟不同生长条件下水稻不同茎蘖各单位器官干物质动态的变化过程。     

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。     

基于可视化的超级玉米生长模拟系统

 【目的】更直观地展示超级玉米的整个生长过程,量化其生长发育参数。【方法】将系统分析和数学建模技术应用于超级玉米生长发育,解析和提炼超级玉米生长发育过程与形态建成之间的基础性关系和定量化算法;以形态建成参数为基础,结合OpenGL构建超级玉米虚拟模型,在VC++6.0平台上进行系统的设计开发。【结果】实现了以GDD为驱动因子的超级玉米生长发育参数的量化输出与可视化表达; 通过形态建成模型与生长发育模型的数据交流,实现了预测功能与可视化表达的有机耦合与集成。【结论】运行结果表明系统具有较好的应用性,从而为超级玉米的研究提供了技术支持。     

西瓜三维形态几何建模和真实感绘制技术研究

 【目的】实现西瓜形态的数字化设计和生长的可视化模拟。【方法】提出一种基于B样条曲线的西瓜器官几何造型方法,并利用位置信息和茸毛生成技术描述器官的局部细节特征;依据西瓜器官的主要形态特征,提取器官几何模型的主控参数,参数具有较明确的农学意义,结合模板技术实现西瓜主要器官和植株三维形态结构的交互式设计;同时也可以根据西瓜植株拓扑结构发展规律,通过动态驱动参数化器官几何模型的方法实现植株生长的可视化模拟。【结果】本文提出的西瓜器官三维形态建模和植株结构交互式生成方法易于与农业知识结合,所重构的形态模型具有较好的真实感效果。【结论】文章提出的方法具有较好的普适性,为瓜果类作物三维形态的交互设计和形态模拟提供了实用的方法和手段。