试析虚拟植物生长机模型构建技术研究——以玉米为例

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1、西南农业大学硕士学位论文虚拟植物生长机模型构建技术研究——以玉米为例姓名：喻晓莉申请学位级别：硕士专业：农业机械化工程指导教师：杨国才20050501摘要虚拟现实技术(VR)为众多领域包括农业在内的大规模数据可视化提供了新的描述方法。虚拟植物(VirtualPlants)就是应用计算机模拟植物在三维空间中的生K发育．以可视化的方式反映植物的形态结构规律，是虚拟现实技术在农业领域的应用，是随着信息技术进步而迅速发展起来的新兴研究领域，已成为计算机领域的研究热点之一。按照虚拟植物模型完成的功能和模拟的过程分为生长机模型和可视化模型：生长机模型又包括生理生态

2、模型和形态发生模型。由于虚拟植物应用领域的不同，虚拟植物形态发生模型的建模方法相应地分为两类：一类是以迭代函数系统aFs)、分枝矩阵、粒子系统等为代表的方法．侧重于计算机图形学．只注重视觉效果的逼真性，主要研究如何用最少的植物学知识，方便快捷地生成单纯外观上的植物图形，这类模型普遍应用于园林规划、景观设计等领域；另一类是以L系统、自动机模型等为代表，应用于农林业生产和研究的模型，该类模型可以通过对植物实际生长发育过程进行研究，根据所测的大量数据提取植物的生长规则．j}3以模拟植物生长的真实过程。“生长机模型”构建技术，是针对虚拟植物在农林业应用领域而言

3、的。该技术包括两部分：一部分为建模(生理生态模型和形态发生模型)，另一部分就是构成生长机两种模型的有机结合。目前对植物生理生态的模拟、形态的模拟大多是在独立地进行描述，这两方面集成工作的研究还很少。然而两方面集成这个目前研究的薄弱环节正是虚拟植物的核心所在。在虚拟植物的生长机模型中，该研究可以使虚拟植物在一个更高的层次上得以快速准确地实现．并且对于构造具有普适性的虚拟植物平台也起着至关重要的作用。本文提出的“生长机模型”构建技术，目的在于探索生理生态模型与形态发生模型有机结合的方式，重点在于解决生理生态模型和形态发生模型的接口，并同时兼顾生长机模型构建

4、的普适性。本研究主要是在已有的生理生态模型的基础上，探索将形态发生模型与之相结合的机制．并减少由于专用模型修改带来的大量代码改动。主要取得了如卜研究结果：1、形态发生模型的建立形态发生模型方面，本研究在探讨了双尺度自动机模型的核心思想，深入分析其设计方法之后，指出该模型适用于生长机模型的构建，模型中的三个属性表提供了与外界实测数据的接口，并且有生长规则提取容易，输入参数简单、明确等优点．应用双尺度自动机原理，能够计算出植物的不同生长阶段的不同生理年龄的结构上的器官个数、生长规律等，模拟植物的生长过程，并将植物的内在特性及相应的外在表现形式用某种方式表示

5、出来。研究中对玉米发育期特点进行了分析，采蹦双尺度自动机构造了它的形态发生模裂，指出要模拟环境因素对植物形态结构的影响，只需将环境因素通过生理生态模型引入，与双尺度自动机模型属性表中的参数相结合即可。2、生理生态模型的分析研究西南农业火学硕士学位论文摘耍由于气温和日长是植物生长的主要影响因素，因此，在考虑环境因素对玉米的影响方面将这两个因素引入。对于植物生长发育进程的快慢，普遍采用的方法是利用发育速度进行模拟。但是发育速度虽然表示了植物生长发育时间长短上的严格数量关系，却忽略了植物发育’的外部形态特征，比如各器官发育状况、形态等。．双尺度自动机模型是根

6、据植物发育的外部形态特征．将整个生育期划分为儿个发育阶段来确定状态尺度。生理生态模型要与双尺度自动机模型相结合，必须采用合适的发育进程模型才能反映植物的真实生长过程，采用发育速度来描述植物生K发育进程并不台适。根据双尺度自动机模型的特点，研究中利用发育指数来模拟玉米的发育进程。发育指数确定了各器官的发育进程和发育状况，是生育阶段的数量表示方法，与发育速度存在着对应关系。植物各生育阶段的时间长短是不同的，但各生育阶段完成时发育指数均增加．这样一来。利用发育指数既可以精确地确定植物的发育进程．又能够描述植物在各个生育阶段的外部形态特征，不仅发育阶段帮义明确

7、，并适用于双尺度自动机模型，有利丁．确定模型中的各个状态以及它们的循环次数。·3、生长机模型的构建方式研究由于植物品种繁多，模型千差万别．若要构建不同植物的生长机模型，生理生态与双尺度自动机模型必定有所不同。为了解决由于专用摸型不断改进而需重建软件项目带来的大量代码改动这一问题，研究中以玉米为例。提出了采用模块化设计方法来构建生长机模型：将生长机模型系统划分为多个模块，每个模块具有相对独立的功能；将数据库引入，同时设计了人机交互界面，决定了相关模型和模块修改的方便性，使得系统易于维护和扩展，具有一定的通用性。4、生理生态模型与形态发生模型接口的研究要真

8、实地表示出植物的发育形态，必须将生理生态模型与形态发生模型结合起来，才能描述植株的高度、叶片的