水稻形態(tài)建成模型及虛擬生長(zhǎng)研究.pdf

1、虛擬作物基于作物結(jié)構(gòu)模擬技術(shù)和圖像表達(dá)技術(shù)，在計(jì)算機(jī)上以可視化的形式描述作物的生長(zhǎng)狀態(tài)。虛擬作物可促進(jìn)人們對(duì)作物生長(zhǎng)過(guò)程的理解和感知，為分析作物結(jié)構(gòu)功能關(guān)系、設(shè)計(jì)理想株型、調(diào)控生長(zhǎng)模式等提供技術(shù)支撐。本研究旨在運(yùn)用系統(tǒng)分析方法，結(jié)合水稻生長(zhǎng)模型相關(guān)輸出，建立水稻器官、個(gè)體與冠層的空間結(jié)構(gòu)與形態(tài)模型，進(jìn)一步運(yùn)用L系統(tǒng)技術(shù)，初步實(shí)現(xiàn)水稻器官、植株及冠層的虛擬表達(dá)，以期為構(gòu)建數(shù)字化、可視化作物生長(zhǎng)系統(tǒng)奠定基礎(chǔ)。 首先，在試驗(yàn)觀測(cè)的基礎(chǔ)

2、上，分析了水稻葉片平面形態(tài)特征、葉角動(dòng)態(tài)變化規(guī)律、葉長(zhǎng)葉寬關(guān)系以及主莖與分蘗同伸葉片的長(zhǎng)度關(guān)系。結(jié)果表明：葉片寬度隨葉長(zhǎng)方向可用二次方程進(jìn)行擬合；葉角隨葉齡發(fā)育可分四個(gè)變化階段；葉長(zhǎng)與葉寬的關(guān)系可用冪指數(shù)函數(shù)描述，不同品種類型水稻分蘗與主莖同伸葉片的葉長(zhǎng)比隨分蘗葉序呈二次曲線變化。進(jìn)一步利用上述關(guān)系與主莖分蘗葉片同伸原理，耦合水稻葉齡、葉面積和莖蘗數(shù)模擬模型，構(gòu)建了預(yù)測(cè)水稻葉片幾何參數(shù)(葉長(zhǎng)、葉寬)的動(dòng)態(tài)模型。利用實(shí)測(cè)資料對(duì)模型的初步檢

3、驗(yàn)表明，葉片幾何參數(shù)分析模型可較好地模擬不同生長(zhǎng)條件下水稻不同葉位葉片的幾何參數(shù)。 通過(guò)對(duì)水稻葉片的受力分析，推導(dǎo)了葉曲線方程，在對(duì)其影響系數(shù)進(jìn)行參數(shù)化處理的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了方程求解。葉曲線方程的靈敏度分析顯示，方程較好地體現(xiàn)了葉長(zhǎng)、葉寬、葉形、比葉重和葉片形變系數(shù)等參數(shù)對(duì)葉脈空間形態(tài)的綜合影響，與生產(chǎn)中水稻株型特征變化相一致。利用三維數(shù)字化儀獲得的不同品種類型水稻拔節(jié)期和孕穗期葉脈空間坐標(biāo)試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)葉曲線方程進(jìn)行了模擬分析，表明

4、葉曲線方程可以合理而可靠地定量描述水稻葉曲線特征的動(dòng)態(tài)變化規(guī)律。 根據(jù)試驗(yàn)資料，分析了水稻莖稈節(jié)間長(zhǎng)度、粗度的變化規(guī)律以及主莖與分蘗葉鞘長(zhǎng)、莖稈長(zhǎng)的關(guān)系。結(jié)果表明，相對(duì)節(jié)間長(zhǎng)度隨伸長(zhǎng)節(jié)間的變化規(guī)律可用冪指數(shù)方程描述，節(jié)間粗度隨伸長(zhǎng)節(jié)間數(shù)呈二次方程變化，分蘗與主莖同伸葉鞘長(zhǎng)度比隨分蘗葉序呈二次曲線變化。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步結(jié)合生長(zhǎng)模型株高、葉齡等輸出，構(gòu)建了葉鞘長(zhǎng)度、節(jié)間長(zhǎng)度的形態(tài)建成模型，并利用試驗(yàn)資料對(duì)模型進(jìn)行了可靠性檢驗(yàn)。

5、 在連續(xù)觀察不同品種和不同施氮條件下水稻穗結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，對(duì)水稻穗結(jié)構(gòu)的特征進(jìn)行了定量分析及參數(shù)化處理。結(jié)果表明：一次枝梗長(zhǎng)與穗長(zhǎng)之比隨穗軸節(jié)位呈兩次函數(shù)變化，不同品種類型之間的參數(shù)變異較大；一次枝梗上的二次枝梗數(shù)與一次枝梗長(zhǎng)度呈線性變化；一次枝梗基本均勻著生于穗軸上，一次枝梗和二次枝梗的節(jié)間距離變化不大。進(jìn)一步利用水稻生長(zhǎng)模型輸出的穗粒數(shù)和一次枝梗數(shù)分析了二次枝梗的空間分布；根據(jù)穗軸受力平衡原理，推導(dǎo)了穗軸空間形態(tài)曲線。并利用利用試

6、驗(yàn)資料對(duì)模型進(jìn)行了初步檢驗(yàn)。根據(jù)對(duì)文獻(xiàn)資料的綜合分析，明確了水稻種子根與各節(jié)位不定根的發(fā)根時(shí)間、數(shù)量、伸長(zhǎng)速度、伸展方向等基本特征及影響因子，進(jìn)一步提出了根系生長(zhǎng)特征及根系構(gòu)型的定量模擬方法，并初步實(shí)現(xiàn)了水稻根系生長(zhǎng)的虛擬表達(dá)。 在不同器官形態(tài)建模的基礎(chǔ)上，以節(jié)問(wèn)及其著生葉或穗為單位，將整個(gè)水稻植株分解成若干生長(zhǎng)單元，來(lái)描述水稻植株的冠層拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；利用Logistic曲線模擬器官伸長(zhǎng)過(guò)程；進(jìn)一步根據(jù)器官伸長(zhǎng)與葉齡發(fā)育的對(duì)應(yīng)關(guān)系，