虛擬植物整體生長研究.pdf

1、農(nóng)林業(yè)信息化已成為21世紀的重要發(fā)展趨勢,以計算機為手段對植物生長進行建模與仿真,將為探索植物生命的奧秘和生長過程的規(guī)律,以及改善人類生存環(huán)境質(zhì)量帶來新的契機。虛擬植物是目前植物模擬研究的前沿,對研究生物工程、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植物地上和地下分開進行模擬,而對植物整體生長的研究較少。從植物學(xué)的角度來講,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,以植物整體作為對象,已成為虛擬植物研究的新追求。由于植物的生長是根與冠的整體生長,是通過地上部分與地下部分的共同相互作用得以實現(xiàn)的。因此,構(gòu)建植物整體生長的可視化模型,可更好地體現(xiàn)環(huán)境和根、冠關(guān)系對植物生長的影響,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量的植物

3、水仙作為研究對象,在大量試驗觀測基礎(chǔ)上研究并建立水仙整體的虛擬植物模型,進而構(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)上開發(fā)一個虛擬植物整體生長系統(tǒng),對水仙植株整體的生長過程進行模擬,驗證了水仙整體模擬模型從側(cè)面對植物根、冠異速生長模型進行了驗證,為研究植物整體生長發(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,不受時間的限制,靈活地觀察到虛擬植物整體的三維動態(tài)生長過程,可以使教學(xué)達到更加滿

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,基于試驗觀測數(shù)據(jù)建立根的生長模型及葉片的形態(tài)模型；根的模型主要通過實驗數(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)建立植株整體的拓撲結(jié)構(gòu)模型
　　 基于植物學(xué)的知識,通過模型假設(shè),根據(jù)雙尺度自動機原理

5、建立水仙整體的拓撲結(jié)構(gòu)模型。同時引入生理年齡和異速生長理論,結(jié)合水仙的形態(tài)發(fā)生模型和動態(tài)生長模型,得到不同生理年齡植株的器官形態(tài)進而建立水仙整體的生長發(fā)育過程。
　　 (3)水仙整體生長模型的可視化驗證
　　 基于面向?qū)ο蟮南到y(tǒng)設(shè)計方法,采用模塊化編程,對水仙整體生長模型進行了可視化驗證。通過相關(guān)生長參數(shù)控制水仙整體的形態(tài)結(jié)構(gòu)變化,對不同生理年齡植株整體生長進行了可視化模擬,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)