虛擬植物整體生長(zhǎng)研究.pdf

1、農(nóng)林業(yè)信息化已成為21世紀(jì)的重要發(fā)展趨勢(shì),以計(jì)算機(jī)為手段對(duì)植物生長(zhǎng)進(jìn)行建模與仿真,將為探索植物生命的奧秘和生長(zhǎng)過(guò)程的規(guī)律,以及改善人類生存環(huán)境質(zhì)量帶來(lái)新的契機(jī)。虛擬植物是目前植物模擬研究的前沿,對(duì)研究生物工程、農(nóng)作物的育種栽培、環(huán)境的調(diào)控、植物學(xué)教學(xué)和病蟲(chóng)害的管理等領(lǐng)域具有極其重要的意義。
　　 但是現(xiàn)有植物模型大部分還是對(duì)植物地上和地下分開(kāi)進(jìn)行模擬,而對(duì)植物整體生長(zhǎng)的研究較少。從植物學(xué)的角度來(lái)講,這樣產(chǎn)生的植物模型不具有生物學(xué)

2、特性,忽略了根系與冠層的匹配問(wèn)題,不適合在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和科研教學(xué)中應(yīng)用。
　　 伴隨著虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展及其在虛擬植物研究中的應(yīng)用,以植物整體作為對(duì)象,已成為虛擬植物研究的新追求。由于植物的生長(zhǎng)是根與冠的整體生長(zhǎng),是通過(guò)地上部分與地下部分的共同相互作用得以實(shí)現(xiàn)的。因此,構(gòu)建植物整體生長(zhǎng)的可視化模型,可更好地體現(xiàn)環(huán)境和根、冠關(guān)系對(duì)植物生長(zhǎng)的影響,才能真正的應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和科研教學(xué)中。
　　 因此本文以典型的易于觀察和測(cè)量的植物

3、水仙作為研究對(duì)象,在大量試驗(yàn)觀測(cè)基礎(chǔ)上研究并建立水仙整體的虛擬植物模型,進(jìn)而構(gòu)建出水仙整體的虛擬植物模擬模型及其可視化模型。在此基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)一個(gè)虛擬植物整體生長(zhǎng)系統(tǒng),對(duì)水仙植株整體的生長(zhǎng)過(guò)程進(jìn)行模擬,驗(yàn)證了水仙整體模擬模型從側(cè)面對(duì)植物根、冠異速生長(zhǎng)模型進(jìn)行了驗(yàn)證,為研究植物整體生長(zhǎng)發(fā)育狀況提供建模方法和可視化模型,從而在植物學(xué)教學(xué)中使學(xué)生在植物冠層與根系漫游,不受時(shí)間的限制,靈活地觀察到虛擬植物整體的三維動(dòng)態(tài)生長(zhǎng)過(guò)程,可以使教學(xué)達(dá)到更加滿

4、意的效果。
　　 本文的主要工作包括以下內(nèi)容:
　　 (1)建立水仙根和葉的形態(tài)發(fā)生模型
　　 在分析水仙根和葉的形態(tài)結(jié)構(gòu)特征基礎(chǔ)上,基于試驗(yàn)觀測(cè)數(shù)據(jù)建立根的生長(zhǎng)模型及葉片的形態(tài)模型；根的模型主要通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)建立的曲線擬合獲得；基于物理學(xué)和生物學(xué),構(gòu)建葉的形態(tài)模型包括葉脈曲線數(shù)學(xué)模型和葉片輪廓模型。
　　 (2)建立植株整體的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)模型
　　 基于植物學(xué)的知識(shí),通過(guò)模型假設(shè),根據(jù)雙尺度自動(dòng)機(jī)原理

5、建立水仙整體的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)模型。同時(shí)引入生理年齡和異速生長(zhǎng)理論,結(jié)合水仙的形態(tài)發(fā)生模型和動(dòng)態(tài)生長(zhǎng)模型,得到不同生理年齡植株的器官形態(tài)進(jìn)而建立水仙整體的生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程。
　　 (3)水仙整體生長(zhǎng)模型的可視化驗(yàn)證
　　 基于面向?qū)ο蟮南到y(tǒng)設(shè)計(jì)方法,采用模塊化編程,對(duì)水仙整體生長(zhǎng)模型進(jìn)行了可視化驗(yàn)證。通過(guò)相關(guān)生長(zhǎng)參數(shù)控制水仙整體的形態(tài)結(jié)構(gòu)變化,對(duì)不同生理年齡植株整體生長(zhǎng)進(jìn)行了可視化模擬,結(jié)果表明模型模擬結(jié)果與水仙植株的形態(tài)結(jié)構(gòu)變化規(guī)