基于結構-功能反饋機制的虛擬水稻模型研究.pdf

1、虛擬植物就是以植物個體和群體為研究對象，利用可視化技術在計算機上再現(xiàn)植物在三維空間的生長發(fā)育過程。具體的講，就是通過構造一個簡單但是能夠反映物理世界中真實植物的數(shù)學抽象描述模型，模擬被研究對象的發(fā)生、發(fā)展過程，為解釋現(xiàn)象，揭示機理，發(fā)現(xiàn)規(guī)律，預測結果提供有用工具。近年來，隨著信息技術的發(fā)展，虛擬植物的研究正逐步成為國內外農業(yè)研究的重點和熱點。以計算機為手段對植物生長進行建模與仿真，將為探索植物生命的奧秘和生長過程的規(guī)律，以及改善人類生存

2、環(huán)境質量帶來了新的契機。 虛擬植物研究的主要特征是以植物形態(tài)結構動態(tài)變化規(guī)律與環(huán)境和技術措施之間的定量關系為研究重點，建立基于三維空間的形態(tài)建成模型，并以可視化的方式來表達植物形態(tài)結構的生長變化動態(tài)，從而定量而系統(tǒng)的描述植物生長發(fā)育、器官建成和產量形成等生理生態(tài)過程。本研究旨在運用系統(tǒng)分析方法，結合水稻生長模型相關輸出，建立水稻器官、個體與冠層的空間結構與形態(tài)模型，進一步運用L系統(tǒng)技術，初步實現(xiàn)水稻器官、植株及冠層的虛擬表達，以

3、期為構建數(shù)字化、可視化作物生長系統(tǒng)莫定基礎. 本課題研究的是基于結構-功能反饋機制的虛擬水稻的模擬。通過對水稻生長過程的深入研究，完成水稻形態(tài)結構特征的分析與提取。將采集到的大量數(shù)據(jù)，轉換為幾何圖形及圖像信息并在計算機上顯示，并進行交互，使我們以直觀生動的方式發(fā)現(xiàn)隱藏在數(shù)據(jù)中的科學規(guī)律，從而為農學研究提供更加方便、高效的研究手段，在植物生長機理研究、栽培指導以及精準農業(yè)技術應用等方面得到實際的應用，為農學研究提供更廣闊的前景。具

4、體包括以下幾個方面的工作： 1.葉片形態(tài)特征的可視化。水稻葉片的模擬分為靜態(tài)和動態(tài)兩種形式。靜態(tài)模擬方法主要包括三角網格化算法、三角形逼近法、雙三次貝塞爾曲面等模擬方法。動態(tài)模擬主要利用葉脈曲線的“拋物線”規(guī)律，使水稻葉片與時間建立關系，描述葉形隨時間變化的關系，實現(xiàn)了水稻葉片生長的動態(tài)可視化模擬。 2.單株水稻拓撲結構的建立。通過分析水稻生長的動態(tài)特征，根據(jù)葉齡與主莖、分孽的同伸關系，利用參數(shù)式L-系統(tǒng)理論，模擬水稻的

5、生長過程。主要工作是建立虛擬水稻的動態(tài)生長過程和靜態(tài)模型。 3.建立水稻冠層光照模型。在單葉光合作用模型的基礎上，建立水稻光合生產與干物質積累模型。建立分層光照模型，探討株型對水稻葉片光截獲量的影響，為理想株型涉及提供理論依據(jù)。 4.模型的檢測與評價。對所建立的虛擬水稻和真實水稻進行比較，評價虛擬水稻生長模型的主-客觀指標體系。 通過綜合的分析水稻植株及器官的原始試驗數(shù)據(jù)，采用數(shù)學模型與田間試驗數(shù)據(jù)相結合的方法，