基于生長模型的虛擬植物技術(shù)研究——以北固山濕地優(yōu)勢植物蘆葦為例.pdf

1、在建立植物生長模型時同時考慮植物的形態(tài)結(jié)構(gòu)與生理功能變化，是構(gòu)建反映植物生長規(guī)律的虛擬植物模型的關(guān)鍵問題，同時也能增強模型在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用。本文主要以北固山濕地優(yōu)勢植物蘆葦作為對象，在大量試驗觀測基礎(chǔ)上研究并建立蘆葦?shù)纳L模擬模型，進而構(gòu)建出蘆葦?shù)奶摂M植物模擬模型及其可視化模型。在此基礎(chǔ)上開發(fā)一個參數(shù)化虛擬植物生長原型系統(tǒng)，對蘆葦植株在不同參數(shù)條件下的生長進行了模擬，從而通過直觀的可視化方式為濕地蘆葦植物生長發(fā)育狀況的分析和預(yù)測提

2、供理論依據(jù)和技術(shù)基礎(chǔ)。 本文的主要工作包括以下內(nèi)容： 1)提出虛擬植物生長的結(jié)構(gòu)功能參考模型。依據(jù)虛擬植物的結(jié)構(gòu)功能模型構(gòu)建思想，構(gòu)建出虛擬植物生長的結(jié)構(gòu)功能參考模型，并根據(jù)植物形態(tài)構(gòu)成及其生長規(guī)律，對虛擬植物生長的形態(tài)拓撲結(jié)構(gòu)變化進行了定量化描述。 2)建立蘆葦?shù)陌l(fā)育模擬模型。分析了北固山濕地自然條件及其優(yōu)勢種群蘆葦?shù)纳L特性，采用生長度日法建立了蘆葦發(fā)育模擬模型，確定了蘆葦在各生育階段的生長度同參數(shù)。

3、 3)研究了蘆葦?shù)男螒B(tài)發(fā)生模擬模型與生理功能模擬模型。在形態(tài)發(fā)生模型方面，依次建立了蘆葦?shù)那o高變化動態(tài)模型、蘆葦?shù)墓?jié)間個數(shù)變化動態(tài)模型、葉面積指數(shù)變化動態(tài)模型；在生理功能模型方面，建立了蘆葦?shù)墓夂仙a(chǎn)動態(tài)模型，并采用分配指數(shù)的方法建立蘆葦?shù)母晌镔|(zhì)分配模型，克服了分配系數(shù)在建立植株干物質(zhì)分配模型時因不同水肥條件、試驗取樣差異等造成的較大誤差，使得十物質(zhì)分配的動態(tài)模擬具有較好的解釋性和預(yù)測性。對人工移栽蘆葦進行了生長動態(tài)模擬，與原生蘆葦生長

4、進行了比較。 4)基于生長機建立蘆葦?shù)奶摂M植物模擬模型。對蘆葦植株的形態(tài)結(jié)構(gòu)與生理學特性進行了相關(guān)假定，提出器官獲取強度、器官擴展分布率和擴展分布函數(shù)、同化物的初分配和再分配等概念，建立了植株拓撲結(jié)構(gòu)與累積生長度日的關(guān)系模型。在現(xiàn)有的同化物分配理論基礎(chǔ)上，提出了同化物的再分配方法，并建立了器官獲取強度大小與器官干物質(zhì)分配指數(shù)的對應(yīng)關(guān)系，確立了植株生長年齡為f時不同位置處的同類器官所獲得的同化物模型，有機地將同化物的生產(chǎn)和分配過程

5、融為一體。根據(jù)模型各參數(shù)特點，采用非線性函數(shù)參數(shù)的最小二乘估算法確定了各器官擴展分布率函數(shù)參數(shù)。在同化物再分配模型基礎(chǔ)上，建立了植株的葉片、葉鞘、節(jié)間等器官的形態(tài)模擬模型，并對相關(guān)參數(shù)進行了分析和確定。利用2006年試驗觀測數(shù)據(jù)對所構(gòu)建的模型進行了驗證分析，結(jié)果表明模型達到一定的可靠性和準確性。 5)研究了虛擬植物生長的可視化模型。在所構(gòu)建的虛擬植物模型基礎(chǔ)上，利用可視化技術(shù)，建立了虛擬植物生長的可視化模型。采用結(jié)構(gòu)體形式有效地

6、組織了構(gòu)造單元、葉片、葉鞘、節(jié)間等對象包含的數(shù)據(jù)信息。提出植株拓撲結(jié)構(gòu)信息圖形化算法流程，并給出了構(gòu)造單元的圖形化方法。 6).建立虛擬植物生長模擬系統(tǒng)，并對系統(tǒng)進行了應(yīng)用。以Visual C++作為開發(fā)工具，結(jié)合開放式圖形開發(fā)工具包OpenGL中的各圖形函數(shù)模塊功能，開發(fā)了一個參數(shù)化虛擬植物生長原型系統(tǒng)，利用該系統(tǒng)對濕地蘆葦生長進行了預(yù)測與可視化模擬，驗證了模型及相關(guān)算法的有效性和可行性。對影響系統(tǒng)模擬結(jié)果的參數(shù)進行了敏感性分