水分與植物生長交互的建模與仿真研究.pdf

1、虛擬植物是指用計算機來模擬在生理過程驅動及環(huán)境影響下植物在三維空間中生長發(fā)育的狀況，在農(nóng)學、林學、生態(tài)學等領域有著廣闊的應用前景。虛擬植物與環(huán)境交互是虛擬植物研究領域中需要解決的重要技術和研究熱點之一；如何用數(shù)學語言來描述以及用計算機來模擬植物與環(huán)境的交互作用也是虛擬植物研究的一個難點。水分是植物生長過程中不可缺少的環(huán)境條件，暫時或永久性的水分脅迫是植物生長發(fā)育過程頻繁遇到的情況。與其它環(huán)境因素相比，水分脅迫會嚴重限制植物的生長和分布。

2、本文的研究重點是對植物與水分交互進行建模，在計算機上模擬植物在水分脅迫(干旱)條件下的生理、形態(tài)反應，并通過3D可視化技術展示。論文主要研究內容和貢獻如下：
　　 ①構建了一種植株器官與水分交互的生長模型。定義了“水分虧缺度”來描述植物整體的水分狀態(tài)，包含水分虧缺持續(xù)時間、水分虧缺強度以及植物對水分虧缺敏感性三個要素；采用“電路類比水分傳輸模型”來估計植物單器官的水勢，進而描述植物器官局部水分狀態(tài)；采用“源匯生物量分配模型”建立

3、不同匯與水分虧缺度、器官水勢之間的聯(lián)系，實現(xiàn)植物器官生長與水分的反饋；采用不同水分環(huán)境下玉米生長的數(shù)據(jù)集，驗證了所構建模型的正確性和有效性。結果表明該模型能夠有效地模擬在水分虧缺環(huán)境下玉米各器官的形態(tài)變化。
　　 ②構建了一種基于根向水性的植物根系吸水模型。采用體素分割根系生長區(qū)域，利用三維Richards方程模擬土壤水分布的動態(tài)過程以及與根系結構的相互作用；采用空間殖民算法計算根尖感知的向水性方向，綜合根尖原生長方向、向重力方

4、向以及向水性方向，合成新的根尖生長方向；對比分析了向水性對根累計吸水量、根長隨深度分布的影響。采用L-系統(tǒng)控制和模擬根系的生長發(fā)育，模擬根生長與土壤水分的交互，結果表明該方法能有效地展示向水性對于根系結構發(fā)展的影響。
　　 ③構建了一種整株植物與水分交互的生長模型。針對把植物地上和地下部分分開研究存在的缺陷，提出一種分層水分傳輸模型，不同層分別用于計算由水蒸騰作用對植物地上器官水勢以及地下土壤水分傳輸?shù)挠绊?。在計算出植物地上器?/p>

5、水勢之后，依據(jù)基爾霍夫電流定律，計算根系中根段的水流量，從而修改Richards的匯項，模擬蒸騰驅動下根水分吸收以及土壤水分運動；分析了植株不同位置水勢隨土壤水勢變化的特征；模擬了在不同水分虧缺環(huán)境下，整個植物整體的生長過程。結果表明該方法能夠填補把植物地上和地下部分分開研究存在的缺陷，實現(xiàn)模擬植株整體的目標。
　　 ④研發(fā)完成了一組支持交互模型的模擬軟件。采用面向對象的編程語言Java，基于Eclipse平臺，實現(xiàn)了基于虛擬器