水分與植物生長(zhǎng)交互的建模與仿真研究.pdf

1、虛擬植物是指用計(jì)算機(jī)來模擬在生理過程驅(qū)動(dòng)及環(huán)境影響下植物在三維空間中生長(zhǎng)發(fā)育的狀況，在農(nóng)學(xué)、林學(xué)、生態(tài)學(xué)等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。虛擬植物與環(huán)境交互是虛擬植物研究領(lǐng)域中需要解決的重要技術(shù)和研究熱點(diǎn)之一；如何用數(shù)學(xué)語言來描述以及用計(jì)算機(jī)來模擬植物與環(huán)境的交互作用也是虛擬植物研究的一個(gè)難點(diǎn)。水分是植物生長(zhǎng)過程中不可缺少的環(huán)境條件，暫時(shí)或永久性的水分脅迫是植物生長(zhǎng)發(fā)育過程頻繁遇到的情況。與其它環(huán)境因素相比，水分脅迫會(huì)嚴(yán)重限制植物的生長(zhǎng)和分布。

2、本文的研究重點(diǎn)是對(duì)植物與水分交互進(jìn)行建模，在計(jì)算機(jī)上模擬植物在水分脅迫(干旱)條件下的生理、形態(tài)反應(yīng)，并通過3D可視化技術(shù)展示。論文主要研究?jī)?nèi)容和貢獻(xiàn)如下：
　　 ①構(gòu)建了一種植株器官與水分交互的生長(zhǎng)模型。定義了“水分虧缺度”來描述植物整體的水分狀態(tài)，包含水分虧缺持續(xù)時(shí)間、水分虧缺強(qiáng)度以及植物對(duì)水分虧缺敏感性三個(gè)要素；采用“電路類比水分傳輸模型”來估計(jì)植物單器官的水勢(shì)，進(jìn)而描述植物器官局部水分狀態(tài)；采用“源匯生物量分配模型”建立

3、不同匯與水分虧缺度、器官水勢(shì)之間的聯(lián)系，實(shí)現(xiàn)植物器官生長(zhǎng)與水分的反饋；采用不同水分環(huán)境下玉米生長(zhǎng)的數(shù)據(jù)集，驗(yàn)證了所構(gòu)建模型的正確性和有效性。結(jié)果表明該模型能夠有效地模擬在水分虧缺環(huán)境下玉米各器官的形態(tài)變化。
　　 ②構(gòu)建了一種基于根向水性的植物根系吸水模型。采用體素分割根系生長(zhǎng)區(qū)域，利用三維Richards方程模擬土壤水分布的動(dòng)態(tài)過程以及與根系結(jié)構(gòu)的相互作用；采用空間殖民算法計(jì)算根尖感知的向水性方向，綜合根尖原生長(zhǎng)方向、向重力方

4、向以及向水性方向，合成新的根尖生長(zhǎng)方向；對(duì)比分析了向水性對(duì)根累計(jì)吸水量、根長(zhǎng)隨深度分布的影響。采用L-系統(tǒng)控制和模擬根系的生長(zhǎng)發(fā)育，模擬根生長(zhǎng)與土壤水分的交互，結(jié)果表明該方法能有效地展示向水性對(duì)于根系結(jié)構(gòu)發(fā)展的影響。
　　 ③構(gòu)建了一種整株植物與水分交互的生長(zhǎng)模型。針對(duì)把植物地上和地下部分分開研究存在的缺陷，提出一種分層水分傳輸模型，不同層分別用于計(jì)算由水蒸騰作用對(duì)植物地上器官水勢(shì)以及地下土壤水分傳輸?shù)挠绊?。在?jì)算出植物地上器官

5、水勢(shì)之后，依據(jù)基爾霍夫電流定律，計(jì)算根系中根段的水流量，從而修改Richards的匯項(xiàng)，模擬蒸騰驅(qū)動(dòng)下根水分吸收以及土壤水分運(yùn)動(dòng)；分析了植株不同位置水勢(shì)隨土壤水勢(shì)變化的特征；模擬了在不同水分虧缺環(huán)境下，整個(gè)植物整體的生長(zhǎng)過程。結(jié)果表明該方法能夠填補(bǔ)把植物地上和地下部分分開研究存在的缺陷，實(shí)現(xiàn)模擬植株整體的目標(biāo)。
　　 ④研發(fā)完成了一組支持交互模型的模擬軟件。采用面向?qū)ο蟮木幊陶Z言Java，基于Eclipse平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了基于虛擬器