水分与植物生长交互的建模与仿真研究

【摘要】：虚拟植物是指用计算机来模拟在生理过程驱动及环境影响下植物在三维空间中生长发育的状况，在农学、林学、生态学等领域有着广阔的应用前景。虚拟植物与环境交互是虚拟植物研究领域中需要解决的重要技术和研究热点之一；如何用数学语言来描述以及用计算机来模拟植物与环境的交互作用也是虚拟植物研究的一个难点。水分是植物生长过程中不可缺少的环境条件，暂时或永久性的水分胁迫是植物生长发育过程频繁遇到的情况。与其它环境因素相比，水分胁迫会严重限制植物的生长和分布。本文的研究重点是对植物与水分交互进行建模，在计算机上模拟植物在水分胁迫（干旱）条件下的生理、形态反应，并通过3D可视化技术展示。论文主要研究内容和贡献如下： ①构建了一种植株器官与水分交互的生长模型。定义了“水分亏缺度”来描述植物整体的水分状态，包含水分亏缺持续时间、水分亏缺强度以及植物对水分亏缺敏感性三个要素；采用“电路类比水分传输模型”来估计植物单器官的水势，进而描述植物器官局部水分状态；采用“源汇生物量分配模型”建立不同汇与水分亏缺度、器官水势之间的联系，实现植物器官生长与水分的反馈；采用不同水分环境下玉米生长的数据集，验证了所构建模型的正确性和有效性。结果表明该模型能够有效地模拟在水分亏缺环境下玉米各器官的形态变化。 ②构建了一种基于根向水性的植物根系吸水模型。采用体素分割根系生长区域，利用三维Richards方程模拟土壤水分布的动态过程以及与根系结构的相互作用；采用空间殖民算法计算根尖感知的向水性方向，综合根尖原生长方向、向重力方向以及向水性方向，合成新的根尖生长方向；对比分析了向水性对根累计吸水量、根长随深度分布的影响。采用L-系统控制和模拟根系的生长发育，模拟根生长与土壤水分的交互，结果表明该方法能有效地展示向水性对于根系结构发展的影响。 ③构建了一种整株植物与水分交互的生长模型。针对把植物地上和地下部分分开研究存在的缺陷，提出一种分层水分传输模型，不同层分别用于计算由水蒸腾作用对植物地上器官水势以及地下土壤水分传输的影响。在计算出植物地上器官水势之后，依据基尔霍夫电流定律，计算根系中根段的水流量，从而修改Richards的汇项，模拟蒸腾驱动下根水分吸收以及土壤水分运动；分析了植株不同位置水势随土壤水势变化的特征；模拟了在不同水分亏缺环境下，整个植物整体的生长过程。结果表明该方法能够填补把植物地上和地下部分分开研究存在的缺陷，实现模拟植株整体的目标。 ④研发完成了一组支持交互模型的模拟软件。采用面向对象的编程语言Java，基于Eclipse平台，实现了基于虚拟器官的思想，支持植物株体、根系和整株与水分的交互，并借助Java3D图形库对模拟结果进行可视化，借助Matlab对土壤含水量的三维空间和累计吸水量进行可视化。

【学位授予单位】：重庆大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：TP391.9