植物根系生长的三维可视化模拟

利用模拟植物形态结构的L系统理论结合计算机图形学方法建立了模拟植物根系生长的三维可视化模拟系统。并利用随机参数L系统方法对豆科作物根系的生长过程进行了模拟。     

小麦苗期根系三维生长动态模型的建立与应用

【目的】构建小麦根系的三维动态模拟模型，并对模型进行初步的评估。【方法】采用GREENLAB植物功能-结构模型的原理，在根系生长发育基本单元基础上，模拟了根系的拓扑结构；通过模拟不同根个体（库）对植株分配给根系的生物量（源）的竞争，实现了生物量在根系中的分配；根据异速生长规则实现了根个体几何结构计算。通过温室土柱栽培试验对小麦苗期根系结构与生物量进行了测定，获取了模型参数，进行了小麦苗期根系结构与生物量分配的模拟与分析，并以三维可视化的方式给出根系的形态结构空间分布。【结果】通过模拟根系生物量在各类根个体中的分配并依据根个体生物量与形态的关系，该模型可以定量化地模拟根系结构生长的动态变化过程；不同类型根的长度测定值与模拟值的均方根差值在1.2～35.0 cm之间变化，相对误差值在0.01到0.23之间变化，R2在0.42～0.94之间变化；对模型参数灵敏性分析表明，模拟结果对参数变化的响应比较适中。【结论】GREENLAB模型的原理可以应用于对作物根系形态结构和生物量分配的动态模拟；模型参数的选择是合理的，构建的模型能够从机理层次反映根系的生长发育过程。     

大田群体小麦根系构型3D拓扑表型的参数化

大田作物群体根系的生理生态过程及其塑性反应必然决定根系构型特定的3D拓扑性状。为了解析大田作物地下部的生理生态过程,需要探究一种能够保留原位拓扑结构的群体根系构型测试与模型化方法,以及基于根系构型模型的表型参数设计方法。本研究以宁麦13为试验材料,利用1.5 cm等株距免耕精密播种法获取相对准确的行株距和一致的群体,在完成小麦根系构型的数字化基础上,使用Pro-E软件构建群体根系构型的3D拓扑模型,并进一步设计可供定量解析根系系塑性性状的根系构型拓扑表型参数,以侧位根长比作为根系构型拓扑表型的专用指标,使用该指标分别对小麦的幼苗期、分蘖期、拔节期进行等株距条播群体的个体植株根系构型拓扑表型的定量分析。结果表明,根系构型3D拓扑的Pro-E模型及本研究构建的表型指标能够初步捕捉到邻株根系构型规避现象,且该现象在小麦的不同生育期有所差异。在大田环境下本研究所探讨和设计的小麦根系构型的拓扑表型参数及其配套的大田群体精准控制、根系构型数据化、模型化及模型的拓扑表型参数化技术有利于捕捉大田环境群体条件下的个体小麦地下部生理生态过程。     

虚拟间作植物根系竞争生长的可视化系统研究

基于模拟根系形态结构的Simroot系统的几何建模理论,结合计算机图形学方法建立了虚拟间作植物根系竞争生长过程的三维可视化模拟系统。将间作大豆—玉米根系的生长参数输入模拟系统中进行模拟。结果表明,该系统能够形象逼真地显现间作植物根系竞争生长过程中的形态结构和生物特性。     

植物根系的分形及计算机模拟

基于计算机图像技术和分形理论,建立了植物根系分形度量的计算机模型,实现了对植物根系生长过程发育形态的计算机模拟。应用上述模型计算植物根系的分形维数与实际度量的维数基本一致,构造模拟的根系形态与实物不仅具有相近的分形维数,而且形态也非常相似。     

作物生长实现数字化分析

本项目研究人员经努力实现了玉米、水稻实株型结构数字化设计，为超高产育种、资源高效利用提供了先进的高新技术研究手段。提出了一种植物拓扑结构建模方法和基于结构一功能模型的虚拟植物生长的体系架构，建立了基于数字化技术的植物形态结构信息采集系统与植物器官形态描述模型，对玉米、水稻等主要农作物形态进行了三维数字化测定，构建了器官形态描述模型与参数库，实现了叶片生长过程中的3维空间取向规律与冠层空间光分布的3维模拟的定量分析，并基于双尺度自动机和马尔可夫过程原理，构建了根系生长的模拟模型。     

基于XCT序列图像的植物根系三维矢量模型构建方法

为实现植物根系三维构型参数的原位、无损、准确、快速和自动化测量,提出一种基于X射线计算机断层摄影术(X-ray computed tomography,简称XCT)序列图像的植物根系三维矢量模型构建方法。首先,根据根系的形态特征设计了根结点、根分枝、根系统3个基本结构;其次,对植物根系三维体数据(XCT序列图像)重切以提取根截面,并根据根截面质心和面积构建初始根结点,继而对根结点分组以构建初始根分枝,再通过重构根结点、重获根结点面积和根分枝关系判定构建完整的根系统(矢量模型);再次,基于矢量模型设计根数、根长度、根体积、根表面积以及根夹角的计算方法;最后,在Windows平台上利用图形用户界面开发工具Qt、可视化工具包VTK和医学图像分割与配准工具包ITK实现上述结构和算法,并将上述参数的计算结果与手工测量值进行对比,验证所提出方法的可行性与准确性。     

土壤-根系统养分迁移和吸收的数值模拟 Ⅰ.植物根系吸收养分的稳态模型

根据养分在土壤-根系统中运移和吸收机制,同时考虑植物的根系生长、根系水分吸收以及土壤养分浓度的变化等特点,通过时段的控制,实现根际环境中稳态的养分剖面,在此基础上建立了根系吸收养分的稳态模型。根据实测的土壤、植物养分运移和吸收参数,用逐步迭代的方法计算植物根系的吸收养分总量,该模型具有计算简单,模拟条件灵活变化的特点。     

土壤-根系统养分迁移和吸收的数值模拟Ⅰ.植物根系吸收养分的稳态模型

根据养分在土壤-根系统中运移和吸收机制,同时考虑植物的根系生长、根系水分吸收以及土壤养分浓度的变化等特点,通过时段的控制,实现根际环境中稳态的养分剖面,在此基础上建立了根系吸收养分的稳态模型.根据实测的土壤、植物养分运移和吸收参数,用逐步迭代的方法计算植物根系的吸收养分总量,该模型具有计算简单,模拟条件灵活变化的特点.     

基于Cd2+胁迫的小桐子根系生长模型构建与可视化仿真

为探讨Cd2+(镉)胁迫对小桐子根系生长的影响,通过盆栽试验研究Cd2+胁迫下小桐子根系生长情况,结合根系几何拓扑结构及根系几何模型SimRoot,构建Cd2+胁迫下的小桐子根系生长模型,利用根系生长模拟系统对该模型进行可视化仿真,用实测结果对仿真结果进行验证,结果显示该模型可较好地反映小桐子根系在Cd2+胁迫下的生长情况.     

晋西北黄土丘陵区柠条锦鸡儿根系分布特征

以晋西北黄土高原10年生独生和簇生两种生长方式的柠条锦鸡儿(Caragana korshinskii Kom.)为研究对象,采用完全开挖采集根系的方法对不同土层深度内现存不同径级根系生物量、根长密度及比根长进行了研究。结果表明,独生根根系生物量、根长密度及比根长均高于簇生根,根系生态型是影响柠条锦鸡儿根系特征的根本原因。土壤资源的异质性是导致柠条锦鸡儿在土壤垂直方向上调整根系的形态和数量的主要原因。独生根根系较大的根长密度与比根长,具有更高的种内竞争力,提高了其适应环境的机制,比簇生根有更好的改良土壤、涵养水源与保持水土效应。     

水稻根系空间分布特性的三维建模及可视化研究

为明确水稻根系在土壤中的空间分布特性,应用"根箱法"进行试验,获取水稻根系坐标数据,分析根系生长随水稻生育进程的变化规律,采用植物模拟技术,建立了水稻根系三维形态模型,包括根节点初始位置的确定、根节点生长方向的确定、不定根位置的确定、不定根生长方向的确定等。根据水稻根系几何形态参数,采用Visual C++及Open GL标准图形库,对水稻根系的三维形态结构进行重构,使系统生成更加逼真的水稻根系图像。结果表明该模型对水稻根系形态结构动态生长具有较好的预测效果,同时也可为其他作物根系的可视化研究提供参考。     

陆稻苗期生长建模及仿真

设计陆稻种植试验获取陆稻苗期植株的几何构型参数和生长参数,构造出陆稻地上部分及与地下部分的生长机与可视化模型。基于模型,在Linux操作系统下,利用C＋＋以及Mesa图形库开发出陆稻苗期三维可视化动态模拟仿真系统,并对可视化系统进行精度评估。结果表明,仿真三维实体模型在形态特征上与实际陆稻植株相似,仿真数据与实测数据相对误差较小,均在lO％以内。     

油松根系直径对根鄄土界面摩擦性能的影响

植物根系与土壤界面的摩擦特性对于斜坡的稳定性是一个重要因素。为研究林木根系直径变化对植物根系 固土性能的影响,通过对油松单根施加拔出载荷进行室内直接拉拔实验,分析了油松根系直径变化对根-土界面摩 擦性能的影响。实验表明,根系鄄土壤最大摩擦力与根系直径存在明显的线性正相关关系,通过建立单根简化模型 对根土间的摩擦情况进行分析,证明与实验结论一致;同时,实验与模型分析得出根土摩擦力与根系的埋置深度也 存在线性正相关关系;另外,对影响根系初始拔出载荷的因子进行分析,表明其大小也与根系直径和根系埋置深度 呈正相关关系。研究了根系直径生长变化对根-土复合体稳定性的影响机理,对建立边坡稳定模型具有重要参考 价值。      

氮素对水稻不同生育阶段根系形态特征的影响

在盆栽条件下,设计1g、2g、3g、4g纯氮4个施肥水平,研究其对扬稻6号不同生育时期、不同生育阶段根系生长的影响。结果表明：1)抽穗期每株不定根数累积量,主要取决于无效分蘖期每株不定根数的生长量,其次为有效分蘖期,再次为拔节长穗期,每株不定根总长度也如此;抽穗期每株根干重累积量主要取决于无效分蘖期每株根重的生长量,有效分蘖期和拔节长穗期所占比例差异不大;2)无效分蘖期根系生长量占抽穗期根系累积量的比例根系性状间存在着差异,根系性状综合程度越小,所占比例也越小;3)在不同生育阶段,根系生长量的多少主要取决于其生长速率的大小。     

作物根系构型三维探测与重建方法研究进展

根系是作物获取水分和养分的重要器官,由于土壤的观测阻碍,根系三维形态的认知与表达成为作物根系深入研究的瓶颈。三维数字化、可视化是研究和认知作物形态结构的重要方法,研究具有表征根系长相长势及土壤中水分、养分等物质对作物根系构型的影响具有重要意义。本文从三维角度,综述了近年来作物根系构型探测手段、三维重构与可视化方面的研究进展。首先从破坏性探测与原位探测两方面介绍了近年来根系构型三维探测的方法。破坏性探测主要包括直接挖掘法、土块保护挖掘清洗法和平板扫描图像分析法,破坏性探测方法在获取全局或局部根系拓扑结构与平面几何构型参数方面具有较大优势;原位探测方法主要包括土壤中安置观察装置法、地面穿透雷达法、特殊培养环境法、CCD相机法、三维数字化方法及穿透射线成像法等,作物根系的原位探测保持了根系构型的空间分布信息,但大部分方法仅能针对作物生长初期或可控生长环境下的作物根系开展数据获取。由于作物根系探测数据大多以局部二维图像形式存在,文章综述了基于二维图像的作物根系平面几何构型解析的相关内容,包括基于二维图像的根系识别与参数提取的算法与相关软件。分析表明,目前作物根系数据获取仍存在:(1)数据获取费时费力;(2)方法局限性大;(3)数据完整性低;(4)各种方法所获取数据融合应用度低等问题。在根系探测的基础上,从三维建模与生长建模两方面介绍了作物根系三维建模与可视化方面的相关工作。其中,根系三维建模包括了基于模拟算法的几何建模和基于原位探测的三维重建两部分,基于模拟算法的几何建模是在人们对作物根系认识的基础上,结合计算机模拟算法,构建与实际根系具有形态相似性的根系三维几何模型;与之相比,基于原位探测的三维重建更能真实地反映作物根系的实际形态,其主要包括XCT、三维数字化等方法。最后,文章展望了数据缺失条件下的作物根系三维重建研究,认为在目前技术手段前提下,已可实现根系拓扑结构三维解析,但根系的空间分布重建难度较大,尤其是在大田环境下作物根系原位测量的前提下;此外,目前作物根系三维数据主要存在着数据缺失、各种数据各为己用等问题,认为有必要将小子样理论与数据融合相关方法引入到作物根系三维重建研究,实现缺失数据条件下有效利用多种数据获取手段的作物根系三维重建。     

玉米生长动态模拟仿真系统的研究

为了加快提高玉米生产精准化作业的水平,利用玉米生理生态模型、形态结构模型、计算机和虚拟现实技术,研制开发了玉米生长动态模拟仿真系统,将计算机图形学算法、虚拟现实技术、动画设计技术以及信息集成技术应用到玉米生产领域。建立的生长动态模拟仿真系统有利于玉米精准化作业水平的提高,能够协助相关的生产研究和试验,达到降低成本、提高效率的目的。     

一种更有效的根构型研究纸培系统

在原有营养袋纸培系统的基础上,改进了磷供应方式,研究了介质磷空间有效性对大豆根构型的调控及基因型差异.结果表明:1)改进后的分层磷处理导致的介质磷空间有效模拟了农业生产系统中有效磷的分布,能够更高效地调控大豆根构型.在上层高磷下层低磷的分层磷处理中,大豆总根长和总根表面积增加、平均基根生长角度变小、根系分布变浅、植株磷吸收和生物量提高.2)改进后的分层磷处理导致的介质磷空间有效性对大豆根构型的调控基因型间差异显著.磷高效大豆基因型HN89比磷低效基因型HN112对磷空间有效性变化的反应更快,总根长和总根表面积的变幅更大,磷含量和生物量更高.