甘肃大麦生长模拟模型与可视化研究

论文摘要

随着信息技术和数字农业的发展，作物生长模型和形态结构模拟与可视化研究得到了越来越多的关注。国内外关于小麦，水稻，玉米的虚拟农业研究较多，而关于甘肃河西走廊啤酒大麦的探索报道相对较少。本研究基于大麦生理生态过程，在甘肃特色大麦品种生长发育栽培实验的基础上，以生长度日为主线，结合大麦叶片和茎杆等器官生长模型研究，探索研究了不同品种大麦主要器官的生长变化过程和生长规律以及生长模拟模型，进而基于几何曲线或曲面的方法构建了参数化的大麦器官精确几何模型。以此为基础，在Windows平台上，用VisualC++6.0为开发工具，引入开放性图形库OpenGL初步实现了大麦形态结构变化过程的虚拟显示，为进一步构建虚拟大麦生长系统奠定了基础。此外，实验模型检验采用了国内外常用模型检验方法-根均方差（RMSE）和模型精度（EF），检验结果表明，本研究所建立的甘肃大麦形态建成模拟模型具有较好的预测性和机理性，从而为虚拟作物的深入研究提供了技术支持。具体来说本论文的主要工作内容如下：（1）通过对甘肃大麦观测实验得出其器官的生长基本符合s型曲线，为此以Logistic模型为基础，建立了大麦叶片、叶鞘、茎等器官生长的模拟模型。选用了沿叶长方向叶宽的变化来表示叶形——描述叶片形态最重要的参数，依据采集的不同品种大麦的不同叶位叶片宽度数据，通过统计分析建立了叶形模拟模型。在探索叶鞘长度和节间长度之间关系的基础上，建立了叶鞘长度、节间长度、节间粗度的变化模拟模型。结合甘肃大麦试验数据，以生长度日为主线，探索分析了大麦植株各个器官在发育过程中的同伸关系，并建立了大麦各个器官生长的时间模型。同时研究确定了甘肃大麦的品种参数。并以此为基础，构建了参数化的大麦器官精确几何模型。大麦器官几何模型是实现大麦个体可视化显示的重要基础。（2）用NURBS曲面来构建叶片、叶鞘的虚拟模型，用圆柱体构建茎的几何模型，将器官形态模型中的参数转变为NURBS曲面或圆柱体上各点的坐标，通过控制各点的坐标来实现器官形态的设计。（3）以所建甘肃大麦形态模型为基本算法，结合大麦生长模型，在VC++平台大麦形态建成模拟及可视化研究上引入OpenGL动态链接库，完成了大麦虚拟生长系统的初步开发，本系统由输入模块、内部处理模块、输出模块三部分组成。其中输入模块主要包括甘肃大麦形态模型中的品种参数和大麦生长模型的输出参数；内部处理模块是系统的核心部分，主要完成大麦的虚拟建成。首先建立大麦各个器官的几何模型及其虚拟生长形态，然后根据大麦的结构特征将各个器官组合在一起，利用形态模型中各个器官的同伸关系，实现整株大麦的虚拟生长显示。输出模块主要是大麦虚拟生长形态的输出。甘肃啤酒大麦生长模拟模型研究，对于构建和模拟大麦生长形态，实现大麦生长的可视化表达具有重要的理论意义和应用价值。为甘肃虚拟农业和数字农业的发展提供了重要技术支撑，并有利于推动我国啤酒大麦栽培信息化管理和品种改良技术进步。

论文目录

• 摘要
• Summary
• 第1章 前言
• 1.1 虚拟作物研究的概述
• 1.2 国内外虚拟作物研究的状况
• 1.2.1 作物生长模拟研究
• 1.2.1.1 水稻的生长模拟研究
• 1.2.1.2 小麦的生长模拟研究
• 1.2.1.3 玉米的生长模拟研究
• 1.2.2 形态结构模拟与可视化
• 1.2.2.1 水稻形态结构模拟与可视化
• 1.2.2.2 小麦形态结构模拟与可视化
• 1.2.2.3 玉米形态结构模拟与可视化
• 1.3 研究的背景、目的与意义
• 1.3.1 本研究的背景
• 1.3.2 研究的目的与意义
• 第2章 研究方法与技术
• 2.1 研究思路
• 2.2 技术路线
• 2.3 实验设计
• 2.3.1 试验区概况
• 2.3.2 品种介绍
• 2.3.3 实验方案
• 2.4 测定项目与方法
• 2.4.1 叶片
• 2.4.1.1 叶片长
• 2.4.1.2 叶片宽
• 2.4.2 叶鞘
• 2.4.3 茎
• 2.4.3.1 节间长度的测量
• 2.4.3.2 节间粗度的测量
• 2.4.4 茎叶夹角
• 2.4.5 温度
• 2.4.6 叶热间距
• 2.4.7 整体形态
• 2.5 模型的建立与检验
• 2.5.1 模型构建具体步骤
• 2.5.2 模型构建方法
• 2.5.3 模型的检验
• 2.6 本章小结
• 第3章 大麦器官形态模拟模型
• 3.1 大麦叶片的动态模拟
• 3.1.1 叶长的模型描述
• 3.1.2 模型检验
• 3.1.3 叶形的模型描述
• 3.1.4 模型的检验
• 3.2 叶鞘的动态模拟
• 3.2.1 叶鞘生长的模型描述
• 3.2.2 模型的检验
• 3.3 大麦茎杆的动态模拟
• 3.3.1 节间伸长模型的描述
• 3.3.2 模型的检验
• 3.3.3 大麦节间增粗的模拟
• 3.3.4 模型检验
• 3.4 茎叶夹角的模拟
• 3.5 大麦各器官发育对应的时间关系
• 3.6 各品种参数的确定
• 3.7 本章小结
• 第4章 器官几何建模研究
• 4.1 叶片几何建模
• 4.1.1 NURBS 曲面的基本原理
• 4.1.2 基于 NURBS 曲面的叶片构造算法
• 4.2 叶鞘几何建模
• 4.3 茎杆几何建模
• 4.4 本章小结
• 第5章 大麦个体的可视化研究
• 5.1 作物个体生长的基本模式
• 5.2 大麦各器官生长关系
• 5.3 大麦冠层的拓扑结构
• 5.4 大麦个体生长的算法
• 5.5 结果与分析
• 5.6 本章小结
• 第6章 大麦虚拟生长系统的构建
• 6.1 系统组成
• 6.2 软件开发环境
• 6.3 NURBS 曲面和圆柱体的绘制
• 6.4 纹理映射
• 6.4.1 器官纹理库
• 6.4.2 纹理映射方法
• 6.5 系统功能模块的设计
• 6.6 系统实现的关键技术
• 6.6.1 基于面向对象的软件设计方法
• 6.6.2 基于模型-文档-视图的系统构建
• 6.6.3 创建应用程序
• 6.7 本章小结
• 第7章 讨论与结论
• 7.1 讨论
• 7.2 结论
• 7.3 需进一步研究解决的问题
• 致谢
• 参考文献
• 作者简介
• 导师简介