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《中国农业科学院》 2017年
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小麦生长模拟模型与三维可视化技术研究

李书钦  
【摘要】:随着计算机图形技术与农业知识的结合,作物形态结构和生理功能的研究已跨入到数字化、可视化阶段,在计算机上模拟作物的生长过程,实现作物形态结构的定量分析、精确描述、可视化表达,对作物内部各要素的状态、生长过程进行定量计算、模拟和预测已经成为可能。本文着重研究小麦作物的生长模拟和三维可视化,由于小麦形态结构复杂,生长过程受各种环境条件影响,不同生育期形态特征差异较大,存在分蘖、叶片弯曲、干枯等情形,逼真实现小麦的生长可视化是一个巨大挑战。为了解决上述问题,本文主要进行了以下研究:(1)开展田间试验,采集大量实测数据。在天津武清区以小麦品种“衡观35”、“济麦22”和“衡4399”为材料,在河南新乡地区以小麦品种“偃展4110”为材料,开展田间试验,采集小麦形态数据(叶长、叶宽、茎叶夹角、叶片高度、茎秆直径、株高等)、气象数据和纹理图片等,为小麦生长模拟模型构建和三维可视化研究准备数据。(2)借助有效积温,构建小麦生长模拟模型。分析各品种小麦形态数据和有效积温的定量关系,用Logistic方程构建小麦叶长、最大叶宽、叶片高度和株高模拟模型。经数据检验,小麦生长模拟模型模拟值与实测值吻合度较好,表明模型精度较高,模型对小麦的动态生长具有较好的描述性和预测性。(3)模拟小麦器官和个体几何模型,构建小麦形态结构模型。基于小麦形态特征参数和拓扑结构,采用基于曲线、曲面的参数化建模方法,建立小麦叶片主脉控制点构造算法,借助非均匀有理B样条(Non-Uniform Rational B-Spline,NURBS)曲面造型技术和3D图形库OpenGL,构造小麦叶片、叶鞘、茎秆等器官几何模型,并结合真实感图形显示技术(颜色渲染、纹理映射、光照处理等),绘制具有较强真实感的小麦个体几何模型,构建小麦形态结构模型。(4)开发小麦生长可视化系统,实现小麦生长过程的三维可视化。基于小麦生长模拟模型,以有效积温为驱动,计算各品种小麦每个生长日的形态数据,采用面向对象编程技术,以OpenGL为3D图形库,开发小麦生长可视化系统,将小麦生长模拟模型和形态结构模型有效结合,实现不同品种小麦在不同施氮条件下的生长过程三维可视化。基于有效积温构建的小麦生长模拟模型,可较好预测小麦生长状态,结合小麦形态结构模型,可实现小麦生长过程的三维可视化。本文研究成果将为小麦作物栽培管理调控、动态生长预测、作物株型设计等提供有效的可视化工具,为小麦作物理想株型筛选、高产、高效、抗倒伏等提供有力技术支撑。
【学位授予单位】:中国农业科学院
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2017
【分类号】:TP391.41;S512.1

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