土豆及其根系生长的模拟研究

论文摘要

对马铃薯地下组织的模拟研究是虚拟植物根系模拟的一个方面,虚拟植物根系模拟的重要工作是研究根构型,根构型即根系在生长介质中的三维空间造型和分布,因生长在不透明土壤中的根系难于被观测和分析解释,这就使得模拟模型成为研究相关问题的一种重要的补充方法。根构型计算机模拟系统具有较大应用价值,除了在学术上可利用其探讨植物根系生长型态及结构分析外,在农业生产的应用上,结合根系生长模式的模拟系统可用其定量分析和展现土壤环境条件对于作物生长的影响。根构型模拟系统的一个重要应用领域就是把根系在土壤中生长的过程可视化,以便植物研究人员直观地了解生长在土壤中的根系情况,增强了研究方法的便捷性。利用模拟模型的预测性,找出植物适应一定土壤环境的理想根构型,为选育或引种优质高产品种提供理论依据。通过查阅大量文献,发现目前虚拟根系的研究主要集中在直根系或须根系上,根系的组成一般全部由根组成,构型较简单。而对于由根、茎组成的较复杂的马铃薯地下组织的生长过程很少有详细介绍,更没有用计算进行模拟,在这种情况下,鉴于马铃薯已成为云南省面积最大的高效作物之一,我们对马铃薯地下组织的生长情况展开研究。本文主要开展了以下几个方面的工作：首先,结合田间样本采集和实验室种植观察的方法,详细分析马铃薯地下组织在不同时期的生长情况,确定其地下组织的构型特征：地下茎生长到60天左右会在其节上分支3-4条匍匐根、1条匍匐茎,匍匐茎长到2cm左右将会停止生长并在其尖端膨胀形成块茎,随后块茎体积不断增大直至形成成熟的马铃薯。通过实际测量和计算机图像处理的方法较全面的获取模型的重要参数,为了较全面了解马铃薯地下组织的生长规律,还进行了相关的曲线拟合。其次,采用几何构造模型的植物根系建模方法,建立了马铃薯地下组织中地下茎、匍匐根、匍匐茎的三维实体模型,对于块茎的产生采用了类似于画圆的方法,对圆球的坐标随机处理,并利用纹理映射中的二维材质帖图方法加以完善。最后,采用了动态的树状数据结构和递归遍历的方法,结合面向对象的Visual C++编程语言和OpenGL强大的图形库,根据前期的工作,编制了马铃薯地下组织的三维可视化模拟软件,实时显示马铃薯地下组织生长的三维图形,并在界面上输出相关的几何参数。根据实测参数,已能在计算机上动态实现马铃薯地下组织的生长规律、构型特征,所做的模拟系统基本上满足可视化要求,模拟过程和结果较符合马铃薯地下组织实际的生长状态,说明所建立的模拟系统是有效的。本文提出的生长建模及模拟仿真方法具有较好的普遍性,可推广应用于其它种类马铃薯地下组织的生长模拟。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 引言
• 1.1 研究背景
• 1.2 研究意义
• 1.2.1 虚拟植物研究意义
• 1.2.2 虚拟植物根系的研究意义
• 1.2.3 虚拟马铃薯地下组织的研究意义
• 1.3 虚拟植物模型的应用现状
• 1.3.1 虚拟植物模型的分类
• 1.3.2 虚拟植物模型的可视化
• 1.4 虚拟植物的发展趋势
• 1.5 论文主要研究内容
• 1.6 论文主要研究方法
• 第二章 虚拟植物的建模
• 2.1 主要的植物建模方法
• 2.1.1 分形方法
• 2.1.2 L-系统法
• 2.1.3 随机过程方法
• 2.1.4 植物三维重建法
• 2.1.5 几何构造建模法
• 2.2 几种常用建模方法的比较
• 2.3 本章小结
• 第三章 马铃薯地下组织的生长特点
• 3.1 引言
• 3.1.1 植物的根系构型
• 3.2 马铃薯的生物学特性
• 3.3 马铃薯的营养价值
• 3.4 马铃薯的用途
• 3.5 马铃薯的生长过程
• 3.6 马铃薯地下组织介绍
• 3.7 本章小结
• 第四章 马铃薯地下形态及其生长过程测量
• 4.1 引言
• 4.2 材料与方法
• 4.2.1 材料
• 4.2.2 测量方法
• 4.3 结果与分析
• 4.4 本章小结
• 第五章 马铃薯地下组织动态生长模型构建
• 5.1 马铃薯地下组织的建模
• 5.1.1 建模理论基础
• 5.1.2 拓扑结构描述
• 5.1.3 绘制马铃薯地下组织的三维实体模型
• 5.1.4 马铃薯地下组织的动态生长过程的实现
• 5.2 VC++结合OpenGL操作步骤
• 5.2.1 利用MFC建立基于多文档的OpenGL应用程序框架
• 5.2.2 绘制OpenGL的主要步骤
• 5.2.3 Visual C++与OpenGL的接口
• 5.2.4 三维可视化图的生成
• 5.3 本章小结
• 第六章 马铃薯地下组织的可视化模拟
• 6.1 采用的数据结构
• 6.1.1 根轴的数据结构
• 6.1.2 根段的数据结构
• 6.1.3 根类型的数据结构
• 6.2 马铃薯地下组织的动态生长的程序编制
• 6.2.1 马铃薯地下组织的生长
• 6.2.2 马铃薯地下组织的长度增加
• 6.2.3 马铃薯地下组织的分枝生成
• 6.2.4 块茎的生长
• 6.3 三维模拟结果及界面
• 6.3.1 三维模拟结果
• 6.3.2 程序界面
• 6.4 模拟结果验证
• 6.5 本章小结
• 第七章 总结与展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录A 攻读硕士学位期间发表学术论文情况
• 附录B 部分程序源代码