基于結(jié)構(gòu)-功能反饋機(jī)制的虛擬水稻模型研究.pdf

1、虛擬植物就是以植物個(gè)體和群體為研究對(duì)象，利用可視化技術(shù)在計(jì)算機(jī)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(gòu)造一個(gè)簡單但是能夠反映物理世界中真實(shí)植物的數(shù)學(xué)抽象描述模型，模擬被研究對(duì)象的發(fā)生、發(fā)展過程，為解釋現(xiàn)象，揭示機(jī)理，發(fā)現(xiàn)規(guī)律，預(yù)測結(jié)果提供有用工具。近年來，隨著信息技術(shù)的發(fā)展，虛擬植物的研究正逐步成為國內(nèi)外農(nóng)業(yè)研究的重點(diǎn)和熱點(diǎn)。以計(jì)算機(jī)為手段對(duì)植物生長進(jìn)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(zhì)量帶來了新的契機(jī)。 虛擬植物研究的主要特征是以植物形態(tài)結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)變化規(guī)律與環(huán)境和技術(shù)措施之間的定量關(guān)系為研究重點(diǎn)，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(dá)植物形態(tài)結(jié)構(gòu)的生長變化動(dòng)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(chǎn)量形成等生理生態(tài)過程。本研究旨在運(yùn)用系統(tǒng)分析方法，結(jié)合水稻生長模型相關(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

3、期為構(gòu)建數(shù)字化、可視化作物生長系統(tǒng)莫定基礎(chǔ). 本課題研究的是基于結(jié)構(gòu)-功能反饋機(jī)制的虛擬水稻的模擬。通過對(duì)水稻生長過程的深入研究，完成水稻形態(tài)結(jié)構(gòu)特征的分析與提取。將采集到的大量數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)換為幾何圖形及圖像信息并在計(jì)算機(jī)上顯示，并進(jìn)行交互，使我們以直觀生動(dòng)的方式發(fā)現(xiàn)隱藏在數(shù)據(jù)中的科學(xué)規(guī)律，從而為農(nóng)學(xué)研究提供更加方便、高效的研究手段，在植物生長機(jī)理研究、栽培指導(dǎo)以及精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)技術(shù)應(yīng)用等方面得到實(shí)際的應(yīng)用，為農(nóng)學(xué)研究提供更廣闊的前景。具

4、體包括以下幾個(gè)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(dòng)態(tài)兩種形式。靜態(tài)模擬方法主要包括三角網(wǎng)格化算法、三角形逼近法、雙三次貝塞爾曲面等模擬方法。動(dòng)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(shí)間建立關(guān)系，描述葉形隨時(shí)間變化的關(guān)系，實(shí)現(xiàn)了水稻葉片生長的動(dòng)態(tài)可視化模擬。 2.單株水稻拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的建立。通過分析水稻生長的動(dòng)態(tài)特征，根據(jù)葉齡與主莖、分孽的同伸關(guān)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(dòng)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(chǔ)上，建立水稻光合生產(chǎn)與干物質(zhì)積累模型。建立分層光照模型，探討株型對(duì)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(píng)價(jià)。對(duì)所建立的虛擬水稻和真實(shí)水稻進(jìn)行比較，評(píng)價(jià)虛擬水稻生長模型的主-客觀指標(biāo)體系。 通過綜合的分析水稻植株及器官的原始試驗(yàn)數(shù)據(jù)，采用數(shù)學(xué)模型與田間試驗(yàn)數(shù)據(jù)相結(jié)合的方法，