基于模型的可视化水稻生长系统研究

论文摘要

作物生长模拟模型和作物形态结构建成模型的研究与应用对农业生产的数字化和可视化具有重要的理论与实践意义。作物生长模拟模型和作物形态结构建成模型从不同的角度反映了作物的生长状况构型,如果建立生理生态与形态结构并重的作物模型,则可以提高整体模型的准确性和全面性。本研究在综合分析实验室已有的水稻生长模拟模型、形态结构建成模型、虚拟显示模型各自特点的基础上,研究了不同模型之间有效耦合的途径与方法,并进一步结合气象生成模型、品种参数调试模型以及策略分析评价模型等,应用面向对象的程序设计与软构件技术,研制了基于模型的可视化水稻生长系统,实现了水稻生理生态过程模拟、形态结构建成模拟、决策支持以及可视化输出功能的有机耦合。通过综合分析水稻生长模拟模型、形态结构建成模型以及虚拟显示模型的各自特征,寻求出不同模型之间共同的中间变量或者目标变量,以时间进程、叶面积、干物质积累和肥水影响因子为桥梁,探讨了生长模拟模型和形态结构建成模型耦合的机制与方法,初步建立了水稻功能一结构模型,实现了模拟指标在群体、个体、器官、器官位等不同层次上的初步融合,提高了模型模拟结果及可视化显示的机理性、系统性、动态性和可靠性。采用软构件技术,构建了符合.NET标准的水稻形态结构建成模型组件,并结合实验室已有的标准化水稻生长模拟模型组件、虚拟显示模型组件、气象生成模型组件、品种参数调试模型组件以及策略分析评价模型组件,构建了基于模型的可视化水稻生长系统。系统以C#为开发语言,MS-Access2003设计数据库,Windows为界面,通过下拉菜单、工具条、图标、图形和表格、可视化显示等方式和用户进行交互,实现了系统功能与用户界面的良好统一。系统由数据库、模型库、模型应用及人机接口四部分组成,实现了数据管理、生长模拟、方案评估、因苗预测、时空分析等功能,具有系统性、动态性、预测性、决策性和形象性等特征。系统在扬稻6号和武香粳14号的应用结果表明,系统的设计思想和结构框架符合数字农业系统的基本要求,为发展综合性的数字水稻生长系统奠定了技术基础。

论文目录

• 中文摘要
• 第一章 文献综述与研究目的
• 1 作物生长模型
• 1.1 作物生长模拟的概念和特点
• 1.2 作物生长模型的发展历程
• 2 作物形态模型
• 2.1 作物形态模型的概念
• 2.2 作物形态模型研究发展
• 2.2.1 L-系统
• 2.2.2 分形方法
• 2.2.3 参考轴技术（自动机模型）
• 2.2.4 三维技术模型
• 2.3 功能-结构模型
• 3 计算机可视化模拟技术研究
• 3.1 计算机三维图形开发技术
• 3.2 可视化模型
• 3.3 作物可视化生长软件的开发及应用
• 4 本研究的目的和意义
• 参考文献
• 第二章 技术路线与研究方法
• 1 研究思路与技术路线
• 1.1 研究思路
• 1.2 技术路线
• 2 资料来源
• 2.1 田间试验
• 2.2 数据获取及主要测定内容
• 2.2.1 叶片的测定
• 2.2.2 叶鞘的测定
• 2.2.3 茎的测定
• 2.2.4 穗的测定
• 3 系统设计与开发
• 3.1 系统设计目标
• 3.2 软件工程的原则
• 3.3 系统设计原理
• 3.4 系统结构设计
• 3.5 系统开发流程
• 参考文献
• 第三章 可视化水稻生长系统的模型耦合技术
• 1 模型
• 1.1 水稻生长模型RiceGrow
• 1.1.1 顶端发育与物候期
• 1.1.2 光合作用与干物质生产
• 1.1.3 干物质分配与器官建成
• 1.1.4 产量与品质形成
• 1.1.5 土壤水分动态
• 1.1.6 土壤养分平衡
• 1.2 水稻形态结构建成模型RiceMorp
• 1.2.1 叶片
• 1.2.2 茎鞘
• 1.2.3 穗
• 1.2.4 拓扑结构
• 1.2.5 单位器官物质分配
• 1.3 水稻虚拟显示模型RiceVis
• 1.3.1 器官几何子模型
• 1.3.2 个体可视化子模型
• 1.3.3 群体可视化子模型
• 1.3.4 渲染子模型
• 2 模型耦合
• 2.1 模型组件
• 2.2 模型耦合
• 2.2.1 生长模型和形态模型的耦合
• 2.2.2 生长模型、形态模型和显示模型的耦合
• 3 讨论
• 参考文献
• 第四章 基于模型的可视化水稻生长系统的设计与实现
• 1 系统的组织结构与功能
• 1.1 数据库
• 1.2 模型库
• 1.3 模型应用
• 1.4 人机接口
• 2 系统的开发与实现
• 2.1 系统开发环境与数据库访问
• 2.2 可视化效果的实现
• 3讨论
• 参考文献
• 第五章 基于模型的可视化水稻生长系统的测试
• 1 系统测试
• 1.1 软件测试的信息流程
• 1.2 系统测试
• 2 系统应用实例
• 2.1 品种概况
• 2.1.1 扬稻6号
• 2.1.2 武香粳14号
• 2.2 系统的测试应用
• 2.2.1 可视化显示
• 2.2.2 信息管理
• 2.2.3 动态模拟
• 2.2.4 方案评估
• 2.2.5 因苗预测
• 2.2.6 时序分析
• 2.2.7 空间分析
• 参考文献
• 第六章 讨论与结论
• 1 讨论
• 1.1 作物可视化生长系统的内涵与特征
• 1.2 系统的设计与开发技术
• 1.3 今后的工作设想
• 1.3.1 模型组件的完善
• 1.3.2 系统开发与功能的完善
• 1.3.3 与地下部的结合
• 1.3.4 3S技术的引入
• 2 结论
• 参考文献
• 附录
• 1 在学期间发表的论文
• 2 在学期间登记的国家计算机软伴著作权
• 3 系统的用户手册
• 3.1 支持软件
• 3.2 安装说明
• 3.3 系统数据库说明
• ABSTRACT
• 致谢