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浙江i ：业人学硕一 ：学侮论文 基于结构一功能反馈机制的虚拟水稻模型研究 摘要 虚拟植物就是以植物个体和群体为研究对象，利用可视化技术在计算机上再现植物 在三维空间的生长发育过程。具体的讲，就是通过构造一个简单但是能够反映物理世界中 真实植物的数学抽象描述模型，模拟被研究对象的发生、发展过程，为解释现象，揭示机 理，发现规律，预测结果提供有用工具。近年来，随着信息技术的发展，虚拟植物的研究 正逐步成为国内外农业研究的重点和热点。以计算机为手段对植物生长进行建模与仿真， 将为探索植物生命的奥秘和生长过程的规律，以及改善人类生存环境质量带来了新的契 机。 虚拟植物研究的主要特征是以植物形念结构动态变化规律与环境和技术措施之间的 定量关系为研究重点，建立基于三维空间的形态建成模型，并以可视化的方式来表达植物 形态结构的生长变化动态，从而定量而系统的描述植物生长发育、器官建成和产量形成等 生理生态过程。本研究旨在运用系统分析方法，结合水稻生长模型相关输出，建立水稻器 官、个体与冠层的空间结构与形态模型，进一步运用l 系统技术，初步实现水稻器官、植 株及冠层的虚拟表达，以期为构建数字化、可视化作物生长系统莫定基础 本课题研究的是基于结构一功能反馈机制的虚拟水稻的模拟。通过对水稻生长过程的 深入研究，完成水稻形态结构特征的分析与提取。将采集到的大量数据，转换为几何图形 及图像信息并在计算机上显示，并进行交互，使我们以直观生动的方式发现隐藏在数据中 的科学规律，从而为农学研究提供更加方便、高效的研究手段，在植物生长机理研究、栽 培指导以及精准农业技术应用等方面得到实际的应用，为农学研究提供更广阔的前景。具 体包括以下几个方面的工作： 1 叶片形态特征的可视化。水稻叶片的模拟分为静态和动态两种形式。静态模拟方 法主要包括三角网格化算法、三角形逼近法、双三次贝塞尔曲面等模拟方法。动 态模拟主要利用叶脉曲线的“抛物线 规律，使水稻叶片与时间建立关系，描述 浙江i ：业人学硕十学何论文 叶形随时问变化的关系，实现了水稻叶片生长的动态可视化模拟。 2 单株水稻拓扑结构的建立。通过分析水稻生长的动态特征，根据叶龄与主茎、分 孽的同伸关系，利用参数式l 一系统理论，模拟水稻的生长过程。主要工作是建立 虚拟水稻的动态生长过程和静态模型。 3 建立水稻冠层光照模型。在单叶光合作用模型的基础上，建立水稻光合生产与干 物质积累模型。建立分层光照模型，探讨株型对水稻叶片光截获量的影响，为理 想株型涉及提供理论依据。 4 模型的检测与评价。对所建立的虚拟水稻和真实水稻进行比较，评价虚拟水稻生 长模型的主一客观指标体系。 通过综合的分析水稻植株及器官的原始试验数据，采用数学模型与田间试验数据相结 合的方法，以o p e n g l 、v c 等计算机技术为依托，结合水稻形态建成模拟建模算法，进行了 水稻生长可视化模拟的初步研究。鉴于对这些技术全面深入的研究，实现了预期的研究成 果。 关键词：水稻，拓扑结构，叶片，生长模型，光照计算模型，l 系统 浙江i ：业人学硕十学位论文 s t u d yo ns t r u c t u r a l f u n c t i o n a l f e e d b a c km e c h a n i s m b a s e ds i m u l a t i o n m o d e lo fv i r t u a lr i c e a b s t r a ct v i r t u a lp l a n ti sc o n s i d e r e dt ob et h er e s e a r c ha so b j e c t so fp l a n ti n d i v i d u a la n dg r o u p ，t h e v i s u a lr e p r e s e n t a t i o nu s et h ec o m p u t e rt e c h n o l o g yi n3 ds p a c eo fp l a n tg r o w t hp r o c e s s s p e c i f i c a l l y ，u s i n gas i m p l eb u tt h r o u g hp h y s i c a lw o r l dc a nr e f l e c tt h et r u ep l a n t so f m a t h e m a t i c s a b s t r a c td e s c r i b e ds i m u l a t i o n m o d e l ，t h em o d e lc a ns i m u l a t et h eo b j e c t so fo c c u r r e n c e ， d e v e l o p m e n tp r o c e s s ，p r o v i d eu s e f u lt o o l so fe x p l a i n i n gp h e n o m e n o n ，r e v e a l i n gt h a tr u l e s ， m e c h a n i s m ，p r e d i c t i n gr e s u l t s i nr e c e n ty e a r s ，a l o n gw i t ht h ed e v e l o p m e n to fi n f o r m a t i o n t e c h n o l o g y ，v i r t u a lp l a n tr e s e a r c hi sg r a d u a l l yb e c o m i n gt h ed o m e s t i ca n df o r e i g na g r i c u l t u r a l r e s e a r c hh o t s p o ta n df o c u s b ym e a n so fc o m p u t e r , p l a n tg r o w t hm o d e l i n ga n ds i m u l a t i o nc a n b r i n gn e wo p p o r t u n i t i e sf o re x p l o r i n gt h em y s t e r yo fl i f e ，g r o w t hp r o c e s sr u l e s ，a n di m p r o v i n g t h eq u a l i t yo fh u m a ns u r v i v a le n v i r o n m e n t t h em a i nc h a r a c t e r i s t i co fv i r t u a lp l a n tr e s e a r c hi sm o d e l i n gt h ep l a n tm o r p h o l o g yi nu s eo f t h eq u a n t i t a t i v er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ep l a n tm o r p h o l o g i c a ls t r u c t u r ed y n a m i cv a r i a t i o na n d e n v i r o n m e n t t h e ne x p r e s st h ep l a n tm o r p h o l o g yb yw a yo fv i s u a l i z a t i o n t h i ss t u d ya i m sa t e s t a b l i s h i n gt h em o d e l so fo r g a n s ，i n d i v i d u a la n dr i c ec a n o p ys t r u c t u r ei nu s eo fs y s t e ma n a l y s i s m e t h o db yc o m b i n i n gr i c eg r o w t hm o d e lo u t p u t r e a l i z ep r e l i m i n a r yv i s u a le x p r e s s i o no fr i c e o r g a n s ，i n d i v i d u a lp l a n ta n dc a n o p yi nf u r t h e ru s eo fl - s y s t e mt e c h n o l o g y 1 1 1 i sr e s e a r c hc a i ll a y f o u n d a t i o nf o rc o n s t r u c t i n gd i g i t a la n dv i s u a l i z a t i o no fc r o pg r o w t hs y s t e m t i l i sr e s e a r c hi s s t u d yo ns t r u c t u r a l f u n c t i o n a lf e e d b a c km e c h a n i s m - b a s e ds i m u l a t i o n m o d e lo fv i r t u a lr i c e t h r o u g ht h ei n - d e p t hs t u d yo fr i c eg r o w t hp r o c e s s ，c o m p l e t er i c es h a p e a n a l y s i sa n de x t r a c t i o n d a t ac o l l e c t e dw i l lb ec o n v e r t e dt og e o m e t r ya n di m a g ei n f o r m a t i o na n d d i s p l a y e do nt h ec o m p u t e r , a n dt h e ni n t e r a c tw i t he a c ho t h e r u s i n gt h i sm e t h o dw ec a n f i n do u t i i i 浙江i ：业人学硕卜号：位论文 t h es c i e n t i f i cr u l e sw h i c ha r eh i d d e ni nd a t ai n t u i t i v e l ya n dv i v i d l y b yt h i sw a yw ec a np r o v i d e f o ra g r i c u l t u r er e s e a r c hm o r ec o n v e n i e n t ，e f f i c i e n tr e s e a r c hm e t h o d si np l a n tg r o w t hm e c h a n i s m o fp r e c i s i o na g r i c u l t u r e ，c u l t u r ea n dt e c h n o l o g ya p p l i c a t i o ne t c p r o v i d ef o ra g r i c u l t u r er e s e a r c h m o r eb r o a dp r o s p e c t s p e c i f i ci n c l u d et h ef o l l o w i n ga s p e c t s ： l e a fv i s u a l i z a t i o no fm o r p h o l o g i c a lc h a r a c t e r i s t i c s t h em o d e l i n go fr i c el e a fi n c l u d e s s t a t i ca n dd y n a m i cs i m u l a t i o n s s t a t i cs i m u l a t i o ni n c l u d e st h e t r i a n g l em e s h ，t r i a n g l e a p p r o x i m a t i o na l g o r i t h m ，b e z i e rc u r v e ds u r f a c ee t c d y n a m i cs i m u l a t i o nm a i n l yu s et h ev e i no f t h ec u r v e ，e s t a b l i s ht h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h er i c el e a fa n dt i m e ，d e s c r i b el e a fc h a n g eo v e r t i m e ，r e a l i z et h eg r o w t ho ff i c el e a fd y n a m i cv i s u a ls i m u l a t i o n t h et o p o l o g i c a ls t r u c t u r eo fi n d i v i d u a lr i c e t h r o u g ht h ea n a l y s i so ft h ed y n a m i c c h a r a c t e r i s t i c so fr i c eg r o w t h ，a c c o r d i n gt ot h er e l a t i o n s h i pi nl e a fa g e s ，m a i ns t e ma n dt i l l e r s ， p a r a m e t e rl s y s t e mt h e o r yw i l lb eu s e dt os i m u l a t et h ep r o c e s so fr i c eg r o w t h m a i nj o bi st o b u i l dav i r t u a lr i c ed y n a m i c g r o w t hp r o c e s sm o d e la n dt h es t a t i co n e r i c ec a n o p yi l l u m i n a t i o nm o d e le s t a b l i s h m e n t r i c ep h o t o s y n t h e s i sp r o d u c t i o na n dd r y m a t t e ra c c u m u l a t i o nm o d e li sb ee s t a b l i s h e do nt h eb a s i so ft h es i n g l el e a fp h o t o s y n t h e s i sm o d e l i no r d e rt op r o v i d et h e o r e t i c a lb a s ef o rd e s i g no fi d e a lr i c et y p e ，e s t a b l i s ht h el a y e r e d i l l u m i n a t i o nm o d e la n dd i s c u s sh o wt h ep l a n tt y p e sc a na f f e c tt h er i c ei l l u m i n a t i o ni n t e r c e p t i o n t e s ta n de v a l u a t i o no ft h em o d e l c o m p a r et h er e a la n dv i r t u a lr i c e t h er i c eg r o w t hm o d e l o fs u b j e c t i v e - o b j e c t i v ei n d e xs y s t e ma l s ow i l lb ee v a l u a t e d t h r o u g hc o m p r e h e n s i v ea n a l y s i so ft h eo r i g i n a le x p e r i m e n td a t ao fr i c ep l a n ta n do r g a n s ， t h em e t h o dw h i c hc o m b i n e st h em a t h e m a t i c a lm o d e lw i t ht h ef i e l dt e s td a t aw i l lb eu s e d t h e v i s u a ls i m u l a t i o no fr i c eg r o w t hi sb er e s e a r c h e db yt h ec o m p u t e rt e c h n o l o g yo fo p e n g la n d v ca n dt h et e c h n o l o g yo ft h ec o m p u t e rs i m u l a t i o n m o d e l i n ga l g o r i t h m g i v e n t h e s e c o m p r e h e n s i v et h o r o u g hr e s e a r c h e s ，t h ee x p e c t e dr e s u l t sw i l lb er e a l i z e d k e yw o r d s ：r i c e ，t o p o l o g i c a ls t r u c t u r e ，l e a f , g r o w t hm o d e l ，i l l u m i n a t i o nc o m p u t a t i o n a l m o d e l ，l - s y s t e m 浙江工业大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进行研究工作 所取得的研究成果。除文中已经加以标注引用的内容外，本论文不包含其他个人或 集体已经发表或撰写过的研究成果，也不含为获得浙江工业大学或其它教育机构的 学位证书而使用过的材料。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中 以明确方式标明。本人承担本声明的法律责任。 作者签名：马菇良 日期：2 口毋乡月2 乡日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本 人授权浙江工业大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 l 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密d 。 ( 请在以上相应方框内打“、”) 作者签名：马锈豇 导师签名：巴洌 f 日期：力矽 年弓月2 乡e l 醐：7 钞肘日 浙江i ：业人学硕十：学位论文 1 1 研究背景 第一章绪论 随着计算机技术的发展，信息化在农业生产中的应用越来越广泛。通过把虚拟现实技 术与农业科研生产相结合，解决了如何把现实中复杂的农业信息以可视化的方式在计算机 上实现的问题，从而为农学科研工作者提供了一种易操作、易控制的，便于交互的平台来 研究农学中的各种问题。 虚拟现实技术和可视化技术属于交叉学科，涉及计算机图形学、图像处理、计算机辅 助设计、计算机视觉及相关的人工智能等多个领域。虚拟植物乜是指利用虚拟现实技术 在计算机中模拟生成三维空间中的植物，它是虚拟现实技术在农业应用中的一个方面。在 虚拟植物的研究中，主要以植物的个体为中心，以植物的形态结构为研究重点，所建立的 模型能以三维可视化的方式反映植物的形态结构规律n 儿5 1 ，生成具有真实感的植株个体和 群体。虚拟植物生长是以植物在三维空间中结构发育和生长过程为主要研究目标，进行计 算机仿真。 1 9 6 8 年，美国学者a l i n d e n m a y e r 提出了能够模拟植物形态结构的l - 系统呻儿力，作为 植物形态模拟的一般框架。此后，植物建模吸引了国际上众多计算机、应用数学、植物学、 农林学以及生态学等领域的学者致力于这方面的研究儿蚰n 们儿埋1 。所建立的模型通过对作 物生理生态过程的模拟，能够预测不同环境条件下作物生长的某些综合指标，现代系统分 析理论的建立和计算机技术的发展则为定量化分析研究作物生长发育规律提供了强有力 的方法和工具，推动了作物模拟研究的迅速发展。通过对作物生理生态机理的研究，深化 了对作物生长内在规律的认识，促进了作物生产的管理，对整个农业科学的发展都产生了 积极的影响。 农业是国民经济的基础，农业现代化程度是国家现代化水平高低的重要标志，农业信 息技术是现代农业发展的重要技术支撑。水稻是世界和我国最主要的粮食作物，国内外对 水稻生长的生理生态研究很多，其研究成果对提高水稻产量，优化水稻品种，预防病虫害 浙江l ：业人学硕十。￥：何论义 等方面做出了积极的贡献n 3 儿蝻1 。虽然国内外已有的水稻生长模拟模型为水稻的农业生产 提供了一定了应用i j 景和技术支持，但是也存在着不足，例如模型多建立在理想条件下对 形态结构的模拟，涉及较多的参数及复杂的变量关系，通用性差等。因此，水稻生长模拟 模型的发展趋势是结构和功能相结合，经过精确测量水稻生长发育过程的相关参数，客观 有效地模拟具有结构一功能反馈机制的虚拟水稻生长模型。 1 1 1 植物生长建模的分类 总结前人的研究成果，可以从多个角度分析，按照不同的方法将植物模型进行分类【i l 。 1 根据植物体规模分类 根据植物体的规模，可将植物体的生长模型分为微观模型和宏观模型。微观模型是从 组织、细胞或分子的角度将植物机体进行分析研究，宏观模型则是以植物整体或组成器官 ( 如根、茎、叶、花、果等) 为尺度建模。在宏观层次上还可以进一步分为植株个体模型 与植被群体模型两种类型，前者侧重单株植物组成器官的细节描述，是后者研究的基础。 本文主要研究宏观层次上的水稻个体生长模型。 根据不同研究层次对植物生长模型分类如下图卜l 所示： 梭掾个俸楱爱 垫耋圭釜塑箜塑篓il 堡垩堡型 厂翮厂拥 楗物生长摸型 宏观攥鹫li 徽观楱氆i i 摹， 1 种群摸塑l i细胞 i 弋= 士、! = ：l ：、 li 群落撬蟹l i分子 i 一= 士i ! = ：j ：l i 垒态模型i i 基因 i 图卜1 根据不同研究层次对植物生长模型分类 2 根据模型功能分类 按照模型完成的功能和模拟的过程，可以将植物生长模型分为生长机模型( g r o w t h e n g i n e ) 和可视化模型( v i s u a l i z a t i o n ) 。生长机模型是根据已知的植物体初始信息及环境 因素计算出植物生长过程的中的各种参数和数据，它是由形态发生模型( m o r p h o g e n e t i c ) 浙江i ：业人孑：坝十! 孑：何论文 和生理生态模型( e c o p h y s i o l o g i c a l ) 组成。形态发生模型根据植物的形态信息又分为拓 扑结构( t o p o l o g i c a l ) 模型和几何结构( g e o m e t r i c a l ) 模型。拓扑结构模型是植物建模中最 基本的模型，主要用于描述植物离散结构单元之间的连接关系，并可以通过抽象的数学语 言反映出植物的生长阶段。几何机构模型指对植物整体或部分器官组成结构的三维信息描 述。生理生态模型包括许多具体的生长机模型，如植物土壤、水肥、光合作用、干物质积 累与分配、呼吸蒸腾作用等。形态发生模型和生理生态模型相互交互，模拟植物在各个生 长阶段的生长发育情况，也就是生长机模型。 可视化模型则是利用几何、光照、纹理等计算机图形学技术根据生长机模型计算而得 到的数据，以三维可视化的形式显示植物的生长过程，主要表现如何实现形态发生模型下 水稻生长过程的可视化。 赡入数据 - - _ _ _ _ _ - _ _ - _ _ _ _ _ - - ( 环境数据) 剖| | l 胬刮萎嘉 ( 几何数据等) l 照、纹理1 ( 图形数据) i 堡璺多 l 渲染等ll 或动峨 图卜2 植物生长模型与可视化 3 根据建模方法分类 根据建模中因果信息的应用和植物建模方法，植物的生长模型分为经验式( e m p i r i c a l ) 模型与因果式( c a u s a l ) 模型两大类。经验式模型是建立在实验数据的基础上描述植物的炒 计规律，根据实验数据的分析方法建模，是一种自上而下的分析式模型；因果式模型用于 解释植物的内在生长机理，合成已知或假设的机理建模，是自下而上的合成式模型。通常 用于验证假设、合成知识和加深理解复杂系统的内在规律。 4 根据模型应用背景分类 根据植物建模的应用背景，植物的生长模型又可以分为以农林业应用为背景的模型和 以非农林业应用为背景的模型。前者主要应用与农林业研究，后者旨在单纯绘制形象逼真 的植物图形，主要用于娱乐业、商业广告、园林规划等。两者在建模原理与仿真结构的真 一3 一 浙江i ：业人学硕一卜学位论文 实性要求方面有很大差异：以农林业为背景的模型要求基于植物学知识的真实性，在植物 的生理生态原理的基础上建模；以非农林业为背景的模型追求视觉效果的真实性，主要包 括形态发生模型和可视化模型，基本不涉及植物的生态生理原理。 1 1 2 主要的植物建模方法 植物作为一种生物体，其构造原理、生长过程以及与环境问的交互作用相当的复泶。 应用计算机模拟植物生长过程涉及到多学科的知识融合，如生物学、植物学、生态学、信 息科学、应用数学等n 6 m 7 m8 1 。由于植物生长过程的影响因素多，以及随机性、非线性和突 变性等多种因素的作用，使得建立个完全符合其植物生长特性的模型显的非常困难，因 此任何一种植物生长模型都是建立在一定的假设条件下，根据特定的内容，对植物生长过 程进行数学描述。下面介绍常用的植物建模方法。 1 分形方法n 钔 2 0 世纪7 0 年代，自然科学的三大发明是混沌、耗散结构和分形。分形理论既可以说 是现代数学的一个新分支，也可以说是一门有着古老历史渊源的学问。分形理论主要描述 自然界和非线性系统中不光滑和不规则的几何形体。 植物是自然界的一个重要组成部分，与我们的生活息息相关。虽然自然界中的植物种 类繁多、形态千差万别，却大都具有自我相似、自我繁殖的分形特征。例如同一株植物的 各级分枝十分相似；蕨类植物的叶片叶脉上的叶片部分与整片叶片的结构具有相似性。分 形方法根据植物形态结构的自相似性将分形几何引入植物学中，用分形重构的方法来模拟 植物的生长过程。 目前，基于分形理论的植物模拟方法主要有l 一系统、i f s ( 迭代函数系统) 、d l a 模型和 粒子系统等州2 1 嘲。在1 2 节里将详细介绍。 浙 j ：| 业人学硕f j 学竹论文 旷 幽13 逛川分彤理论模拟的麟类植物叫片 2l 系统 l 一系统是美国理论生物学家l i n d e n m a y e r 在1 9 6 8 年提出的它以形式化的语言描述 植物的结构和生长。l 系统也称为“字符串重写系统”“，是将植物的生长过程进行经验 式概括、抽象，构造成公理和产生式经过有限次迭代后生成字符发展序列，通过解释字符 串序列来表现植物的拓扑结构和生长过程。l 一系统能简洁地描述植物的拓扑结构，例如枝 条和花序的结构，但较难模拟复杂的植物形态，很难找到模特定植物拓扑结构的公理和产 生式。后来，通过s m i t h 、p r u s i n k i e w i c z 的发展，l 一系统成为植物生长建模的主要方法之 下图为利用l 一系统理论模拟的植物拓扑结构模型。 图1 4l 系统模拟的植物拓扑结构示例图 浙“。i 业人学碳十 忙论文 3 随机过程方法 随机过程主要包括参考轴技术”、多尺度自动机及双尺度自动机怫“等植物生长建模 方法。参考轴拄术通过马尔可夫链理论及状态转换图方式描述植物发育、生长、休眠、死 1 1 等过程。在此基础上又产生了多尺度自动机和双尺度自动机模型。多尺度自动机能够以 不同的时问尺度描述植物的拓扑结构，具有数据输入简单、过程分析直观、物理意义明确 的优点。双尺度自动机根掘植物的生理年龄来组合植物的生长参数，以简便、通用的图形 方式表示各种植物构造模型。它将植物表示成宏状态和微状态两种状态，通过宏状态和 状态的组合和循环来模拟植物的牛长过程，生成植物拓扑结构。 例卜5 由烈尺度自动机理论模拟的芦苇拓扑结构 4 粒子系统 粒子系统是以粒子单元的扩展来构造植物空间与时间上的发生形态嘟1 。粒子随时问而 移动并变化状态，粒子的位置、属性、动态性根据约束的随机过程定义，粒子之间有复旁” 联系，从而模拟自然界生物之间的联系。粒子系统属于随机模型，适合模拟整体的自然生 态景观，不适合模拟单株植物的生k 过程。 5 三维重建 三维重建技术是基于三维数字化仪的产生，应用三维数字化仪获取植物器官的三维芏 间坐标，然后直接将这些数据输人计算机，进行植物在实际三维空间的形态反演建立植 物形态的静态模型。“，三维重建技术虽然能够真实精确的模拟植物的形态结构但是由 于建立的是静态模型，所以不能反殃植物生长的动态规律。 6 浙江l ：业人孑：硕十学位论文 6 基于图像的植物建模技术 这是一项崭新的植物建模技术，通过拍摄不同角度真实的植物图片实现三维虚拟植物 的建模，在此过程中实现几何造型和三维信息的转化，纹理，颜色的变化以及交互信息的 传达等。l o n gq u a n 。川等实现了通过多张不同角度植株图片的三维重建过程。c h i n h u a n g t e n g 。州等用两张植物枝干图片实现了三维重建。 1 1 3 计算机可视化模型 计算机可视化是2 0 世纪8 0 年代后期提出的一个新的研究领域。它是从计算机图形学、 图像处理、计算机辅助设计、计算机视觉及人机交互等多个与计算机相关的学科中孕育的， 是计算机图形学的一个重要方向，是图形科学的新领域。植物的可视化模型包括几何、光 照、纹理、渲染等一些子模型。植物作为一种生物体，具有一些不同于其他物体的特性， 如枝条的弯曲，植物的向光性，因季节和光强度而引起的各组织器官的尺寸、颜色、大小 等的变化，这些也是植物可视化研究的重要内容。 植物的可视化仿真为植物生长研究提供了一种直观而迅捷的科学方法，有效的观察与 解释植物生长中的结构和功能、生长发育、进化、分布等各种规律，增强对问题的洞察力 和分析能力，并加快模型验证工作。可视化三维建模为研究和探索“植物一植物”、“植 物一环境 、“人工交互一植物”的交互关系奠定了基础，为虚拟植物生理生态模型的研究 提供了广阔的发展空间。 1 2 虚拟植物模拟模型研究进展 1 2 1国外植物生长模拟模型研究进展 6 0 年代以来，美国、荷兰、日本、澳大利亚等国家2 0 多个研究组从事植物生长模拟横 型研究，并已经建立适合于各国多种作物的生长的模拟模型，包括相对简单的统计模型删 复杂的动态机理模型。在各国的研究中，荷兰和美国处于领先的地位。 2 0 世纪7 0 年代初，美国建立了初步的棉花生长模拟系统，8 0 年代发展了著名的g o s s y m 模型口引，这一模型是以生理生态模型为基础的应用软件。它包括了棉花地上部分的生长发 一7 一 浙江l ：业人学硕十予：位论文 育和产量形成，光合作用的积累和分配，棉花根系生长以及氮素、水分的吸收和利用等一 系列机理性模拟。c o t t o n p l u s 是在已有基础上丌发的新的棉花管理系统。川。它可实时地 计算并显示出单株棉花的生长发育、形态发生和产量形成，以及土壤剖面水分、氮素、氨 和有机质等的变化。以上这些软件在实际应用中已经取得了可观的经济效益。美国农业 部的s v s 软件定义了一组控制树冠形状的参数，并由滑块控件来调节，用户通过鼠标调节 滑块位置，能很快得到比较满意的树冠形状。 澳大利亚q u e e n s l a n d 大学的c p a i 研究中心丌发的v i r t u a lp l a n t s 。主要用于模拟棉 花、大豆等农作物的生长过程和病虫害对植物生长的影响，研究棉花和虫子之间交互作 用。但目前该软件只能定性地模拟，距应用于农林业生产还有相当的距离。 由法国农业发展国际会议中心( c i r a d ) 研发的a m a p 系统。剐，是基于参考轴技术开发的， 主要应用于景观设计等领域。中法合作开发的新一代虚拟植物模型g r e e n l a b ，在a m a p 基础 上，采用双尺度自动机模拟植物结构的形成，通过模拟植株的生物量生产与基于植株拓扑 结构的生物量分配，以及器官生物量积累与器官形态的关系，并行模拟植物结构功能过程， 从而比较精确地模拟植物的生长。自动机模型弥补了l 一系统不能模拟高大植物的不足，但 是它不易描述与生长周期有关的一些植物生长特点，描述植物需要较多的状态参数。 加拿大c a l g a r y 大学开发的植物模拟软件c p f g 和l s t u d i o ，基于l 系统，使用者首 先根据其预先定义的解释符号，编制所要模拟的植物的l 系统产生式，然后根据这些产 生式生成植物图形。该软件功能较强，理论上能生成各种植物图形，但使用复杂，理解 困难，交互性差，不易快速生成使用者期望的植物图形。 德国k a r l s r u h e 大学的x f r o g 软件定义了一些表示植物器官、植物结构、全局变量和 功能函数的小图符，每个图符有描述其具体属性的参数表，将这些图符作为构筑植物结 构的部件，通过组合这些图符生成植物啪1 。该软件以整个枝条为单位构造植物，虽然不符 合植物的实际生长特点，但作为一个纯图形学意义上的植物模拟软件，参数输入方法结 构条理，容易操作。 日本岩手大学研究的v i r t u a lg a r d e n i n g 、v i r t u a lb o n s a i 以及d i g i t a ll a n d s c a p e s 模型，根据植物生长特性，如自我修剪、光照对植物的影响、植物根系生长等，建立了对 环境敏感的植物生长模型。对景观模拟有一定的推动作用。 浙江i ：业人。学硕十学佗论文 1 2 2 国内研究现状 在国内，陆汝铃等人提出了广义l 一系统。7 1 。胡海英。m 、李世伟。州等人用l 一系统实现 了逼真的三维植物模型。马韫涛、郭焱n 们等利用三维数字技术对不同生育期玉米冠层形态 结构进行了精确测定。黄策n 妇等从植物生理学角度建立水稻群体物质生产的计算机模型， 是我国最早提出的水稻模拟模型。展志岗n 2 1 、宋有洪3 1 等则以结构功能模型为基础进行i ， 小麦、玉米等作物的形态构建，并利用双尺度自动机模型实现了上述作物的虚拟生长。殷 红n 叼以水稻生长发育的生理过程为基础，应用数学模型，初步建立水稻生长的生理生态模 拟模型。李卫国n 们在基于生理生态的基础上对水稻蛋白质和淀粉形成模型构建进行了水稻 生长模拟与决策支持系统的研究。戚昌翰引等丌发的水稻生长日历r i c a m 模型，能进行调 控措施和产量预测。骆世明h 叼设计了水稻高产栽培计算机模拟模型r s m ，能模拟水稻群体的 能量转化、水分平衡、模拟水稻株高等，并进行经济核算。严定春n 刀建立了以动态积温( g d d ) 为主线的水稻适宜生长指标动态知识模型。米湘成踟等利用可视化技术改进了作物模型系 统的用户界面和系统组织结构，初步实现作物模拟结果图形化、图像化。石春林“町脚1 等进行了水稻植株的拓扑结构分析，结合l 一系统技术和田问试验得到的水稻植株几何参 数，初步实现了水稻植株的虚拟生长。南京农业大学孟亚利啊2 1 首次以生理发育时间( p d t ) 作为定量发育进程的尺度，构建了基于发育生理生态过程水稻阶段发育与物候期的生长模 拟模型。 1 2 3 存在的问题及发展前景 植物生长建模的研究始于2 0 世纪7 0 年代初，在这过去的3 0 年多时间里，植物生长建模、 仿真及可视化研究和应用得到了相当程度的发展。由于自然植物形态的复杂性、多样性等 特点，对于计算机可视化提出了众多的难题。可以说，到目前为止，以植物为模拟对象d j 建模方法还远未成熟，大多数的研究停留在植物整体及器官的外形模拟，而且依靠单纯的 分形方法，如l 一系统等，这些分形的方法在模拟植物构造模型的能力有限，而且与生理生 态联系较少。植物生长模拟模型的研究趋向于多种方法的结合，以自动机为主的随机过括 方法、基于形式化语言的l 一系统方法，数学描述的方法以及人工智能等都具有各自的优越 性。为科学研究植物提供了强有力的工具。 植物的生长是多变量，多机理的过程。为了描述植物的生长规律，建立植物生长过程 浙江l ：业人学硕 ：学侮论文 中生理生态数理关系，需要大量的、各个局部内容的科学基础研究积累，如光合作用、水 肥吸收与利用、干物质积累与分配等等。因此将这些理论基础与强有力的植物建模方法相 结合，建立形态发生与生理生态相结合的植物生长模型，将是植物生长模拟体系研究的主 要内容。 植物生长过程中三维形态数据采集是植物建模的重要环节之一。采集数据的全面性和 准确性影响到模型的有效性和可靠性。目前采集植物生长数据主要的方法是利用机械式装 置、超声装置、摄像机、三维数字化仪等。在采集的过程中需要大量的人工干预，因此影 响数据的准确性和全面性。植物生长数据自动采集系统可以自动采集所研究植物对象的生 长数据，具有准确、快速、可靠的特性，同时也可以为植物自动化生产管理与控制提供依 据。 在植物器官的绘制方面，例如枝条的弯曲、卷心菜的叶子以及各种复杂花形、叶形的 模拟、如何利用植物本身固有的特性，有效的降低植物渲染的复杂性，改进渲染算法，以 及计算机硬件技术结合以提高渲染速度等，依旧是具有难度和发展空间的研究课题。同时 植物的向光性模拟、枝条叶片之间的碰撞检测、植物的风中摇曳以及三维漫游式植物体等 对于模拟生动的自然场景非常重要，是今后一段时间虚拟植物研究的重点。 植物生长建模研究应该以综合各类信息技术为途径，扩展并强化它在农林业中的广 泛应用。目前，该研究已经包括了综合应用遥感技术、地理信息系统、全球定位系统、网 络技术、传感技术、自动控制、人工智能、多媒体等。传统的单学科、经验式、定性化研 究方法已经无法满足要求，需要各学科知识互相渗透、互相融合。 应用于非农林业的植物模拟软件已经日趋成熟，模拟的植物形态形象逼真。为植物图 库的建立及商业、游戏、广告等应用做出了突出的贡献。 以农林业为应用背景的软件开发将是一项艰巨、长期的研究任务。这主要是由于人们 对植物生命体的认识不够全面，现有的模型方法远未完善，以及农林业应用对于模型仿 真结果可靠性的严格要求因此，植物模拟软件应用内容将会经历一个由局部一全面的发 展过程。与环境间的交互及与人的交互成为开发植物模拟软件首要考虑的问题。植物器官 模板库、数据库技术、面向对象编程技术、数据输入输出标准化等技术在植物可视化仿真 软件的开发过程中扮演着重要的角色。 浙江l ：业人学硕十学位论文 1 3 国内外对水稻生长模型的研究进展 水稻生长建模大约从二十世纪初就开始了，至, j 6 0 年代已形成规模，其中有代表性的研 究成果有荷兰的o r y z a 、美国的c e r e s r i c e 、同本的s i m r i w 、中国的r c s o d s 。 o r y z a 系列模型 o r y z a 系列模型插加是基于水稻生理生态过程的模型，由w a g e n i n g e n 大学和菲律宾国阢： 水稻所合作开发的，包括o r y z a i 、o r y z a - n 、o r y z a w 、o r y z a 2 0 0 0 。o r y z a i 用于模拟潜在 生产条件下的水稻生长模拟，强调模型理论研究和假设模拟，具有较强的机理性和解释性。 o r y z a - n 和o r y z a - w 分别是适应n 和水分限制条件下的o r y z a 模型。o r y z a 2 0 0 0 将这一系列的 模型组装成系统完善的水稻综合性模型，大大增强了模型的应用性和系统性。 c e r e s - r i c e 模型 r i t c h i e 等提出的c e r e s - r i c e 模型b 是一个典型的基于过程的水稻模拟模型，是根据 水稻的温光特性和群体光能利用等生理过程研制的大型水稻生长模拟模型。 s i m r i w 模型 s i m r i w 模型明是日本的h o r i e 等提出的，模拟水稻单叶群体的光合和蒸腾及生长呼吸 和维持呼吸等生理过程与气象、环境条件的关系，并对产量进行了预测。 r c s o d s 模型 r c s o d s 模型嘲3 是由江苏农科院高亮之等人开发的，叫做水稻栽培计算机模拟优化决策 系统，是目前国内影响较大、系统性较好的水稻生长模拟模型。 虚拟水稻生长的研究作为虚拟植物建模研究的新领域，发展较快，并取得了丰硕的研 究成果。 另外，日本学者w a t a n a b e 墙刀嘲1 通过与澳大利亚学者的合作研究，在试验获得水稻器官 形态参数的基础上，用发育指数( d v i ) 定量了器官的发育状况，以叶龄为生长周期，以l 系 统为基础，对水稻冠层进行了虚拟研究。美国开发的d s s a t 系统将专家系统和生长模型h 机结合起来，并广泛地用在水稻管理等许多领域。 浙江i n i , 人学硕十学位论文 1 4 论文组织结构 1 4 1 研究方法及思路 采用数学模型与田间试验数据相结合，以o p e n g l 、v c 等计算机技术为依托进行水稻的