水稻形态建成模型及虚拟生长研究

论文摘要

虚拟作物基于作物结构模拟技术和图像表达技术，在计算机上以可视化的形式描述作物的生长状态。虚拟作物可促进人们对作物生长过程的理解和感知，为分析作物结构功能关系、设计理想株型、调控生长模式等提供技术支撑。本研究旨在运用系统分析方法，结合水稻生长模型相关输出，建立水稻器官、个体与冠层的空间结构与形态模型，进一步运用L系统技术，初步实现水稻器官、植株及冠层的虚拟表达，以期为构建数字化、可视化作物生长系统奠定基础。首先，在试验观测的基础上，分析了水稻叶片平面形态特征、叶角动态变化规律、叶长叶宽关系以及主茎与分蘖同伸叶片的长度关系。结果表明：叶片宽度随叶长方向可用二次方程进行拟合；叶角随叶龄发育可分四个变化阶段；叶长与叶宽的关系可用幂指数函数描述，不同品种类型水稻分蘖与主茎同伸叶片的叶长比随分蘖叶序呈二次曲线变化。进一步利用上述关系与主茎分蘖叶片同伸原理，耦合水稻叶龄、叶面积和茎蘖数模拟模型，构建了预测水稻叶片几何参数(叶长、叶宽)的动态模型。利用实测资料对模型的初步检验表明，叶片几何参数分析模型可较好地模拟不同生长条件下水稻不同叶位叶片的几何参数。通过对水稻叶片的受力分析，推导了叶曲线方程，在对其影响系数进行参数化处理的基础上，进行了方程求解。叶曲线方程的灵敏度分析显示，方程较好地体现了叶长、叶宽、叶形、比叶重和叶片形变系数等参数对叶脉空间形态的综合影响，与生产中水稻株型特征变化相一致。利用三维数字化仪获得的不同品种类型水稻拔节期和孕穗期叶脉空间坐标试验数据对叶曲线方程进行了模拟分析，表明叶曲线方程可以合理而可靠地定量描述水稻叶曲线特征的动态变化规律。根据试验资料，分析了水稻茎秆节间长度、粗度的变化规律以及主茎与分蘖叶鞘长、茎秆长的关系。结果表明，相对节间长度随伸长节间的变化规律可用幂指数方程描述，节间粗度随伸长节间数呈二次方程变化，分蘖与主茎同伸叶鞘长度比随分蘖叶序呈二次曲线变化。在此基础上，进一步结合生长模型株高、叶龄等输出，构建了叶鞘长度、节间长度的形态建成模型，并利用试验资料对模型进行了可靠性检验。在连续观察不同品种和不同施氮条件下水稻穗结构的基础上，对水稻穗结构的特征进行了定量分析及参数化处理。结果表明：一次枝梗长与穗长之比随穗轴节位呈两次函数变化，不同品种类型之间的参数变异较大；一次枝梗上的二次枝梗数与一次枝梗长度呈线性变化；一次枝梗基本均匀着生于穗轴上，一次枝梗和二次枝梗的节间距离变化不大。进一步利用水稻生长模型输出的穗粒数和一次枝梗数分析了二次枝梗的空间分布；根据穗轴受力平衡原理，推导了穗轴空间形态曲线。并利用利用试验资料对模型进行了初步检验。根据对文献资料的综合分析，明确了水稻种子根与各节位不定根的发根时间、数量、伸长速度、伸展方向等基本特征及影响因子，进一步提出了根系生长特征及根系构型的定量模拟方法，并初步实现了水稻根系生长的虚拟表达。在不同器官形态建模的基础上，以节间及其着生叶或穗为单位，将整个水稻植株分解成若干生长单元，来描述水稻植株的冠层拓扑结构；利用Logistic曲线模拟器官伸长过程；进一步根据器官伸长与叶龄发育的对应关系，结合生长模型输出的累积生长度日，确定了各器官的初始伸长时间和伸长历期，构建了水稻植株冠层结构动态模型，并对模型进行了初步检验。最后，运用虚拟植物中常用的L系统方法，结合水稻器官、植株和冠层的形态特征，提取了水稻植株、根、穗结构的L系统规则，并实现了水稻植株生长的虚拟表达。进一步根据主茎叶龄、分蘖数、相同位置器官几何参数的差异，初步提出了虚拟水稻冠层的实现方法。

论文目录

• 中文摘要
• 第一章 文献综述与研究方案
• 1 虚拟植物研究的定义与特征
• 2 虚拟植物研究概述
• 2.1 植物生长过程的动态模拟
• 2.2 植物形态的三维重建
• 3 水稻生长模拟研究进展
• 4 本研究的目的与意义
• 5 研究思路与技术路线
• 6 资料获取与利用
• 7 模型构建
• 参考文献
• 第二章 水稻叶片形态特征模拟
• 1 资料分析与利用
• 2 叶形特征分析
• 2.1 归一化叶形特征
• 2.2 叶角动态变化规律
• 2.3 叶长叶宽关系
• 2.4 分蘖与主茎同伸叶片长度、面积关系
• 3 主茎与分蘖叶片几何参数分析模型
• 3.1 模型分析
• 3.2 检验
• 4 叶片空间形态特征模拟
• 4.1 叶曲线分析方法
• 4.2 叶曲线方程参数化
• 4.3 叶曲线方程的灵敏度分析与检验
• 4.4 叶曲线方程的模拟分析
• 5 小结与讨论
• 参考文献
• 第三章 水稻茎鞘形态建成模型
• 1 数据分析与利用
• 2 茎鞘形态建成模型
• 2.1 模型描述
• 2.2 模型检验
• 3 讨论
• 参考文献
• 第四章 水稻穗形态结构定量分析与模拟
• 1 数据分析与利用
• 2 穗结构特征及其数量关系分析
• 2.1 稻穗结构基本特征
• 2.2 稻穗结构的数量关系
• 2.3 稻穗结构数量关系检验
• 2.4 稻穗结构虚拟实现
• 3 穗曲线的分析与模拟
• 4 小结与讨论
• 参考文献
• 第五章 水稻根系形态特征与模拟
• 1 水稻根系生长特征描述
• 1.1 各节根发生位置、时间与数量
• 1.2 根分枝形成
• 1.3 根伸长速度
• 1.4 伸展方向
• 2 根构型模拟实现
• 3 小结与讨论
• 参考文献
• 第六章 水稻冠层拓扑结构模型
• 1 水稻结构模型的构建
• 1.1 数据分析与利用
• 1.2 水稻冠层生长结构特征
• 1.3 水稻冠层器官伸长模型
• 2 水稻结构模型的检验
• 3 小结与讨论
• 参考文献
• 第七章 水稻虚拟生长的实现
• 1 L系统概念及其应用示例
• 2 水稻器官与个体的L系统描述及虚拟实现
• 2.1 穗结构的L系统描述
• 2.2 根结构的L系统描述
• 2.3 水稻植株的L系统描述及虚拟实现
• 3 水稻群体形态建成
• 3.1 分蘖数差异
• 3.2 主茎叶龄差异
• 3.3 器官几何参数的差异
• 4 小结与讨论
• 参考文献
• 第八章 讨论与结论
• 1 讨论
• 1.1 器官几何参数分析模型
• 1.2 器官空间形态模型
• 1.3 植株结构模型
• 1.4 水稻虚拟实现
• 2 存在问题与研究展望
• 3 结论
• 参考文献
• 英文摘要
• 附录
• 1 本文符号缩写
• 2 读研期间发表与撰写的论文
• 致谢