基于形态参数的水稻根系三维建模及可视化.pdf

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1、第26卷第10期1882010年10月农业工程学报TransactionsoftheCSAEV01．26No．10Oct．2010基于形态参数的水稻根系三维建模及可视化徐其军，汤亮，顾东祥，姜海燕，曹卫星，朱艳※(江苏省信息农业高技术研究重点实验室，南京农业大学，南京210095)摘要：构建基于形态特征参数的水稻根系几何模型，实现不同生长条件下水稻根系生长动态的三维可视化。本文通过分析水稻根尖生长随生育进程的变化模式，构建了水稻单根三维显示模型，包括根节点初始位置和生长方向的确定以及根轴的空间模拟等；进一步结合水稻根系

2、拓扑结构，以生长度日(GDD)为驱动因子，建立了水稻根系三维重构模型，包括不定根初始发生时间和位置、不定根初始伸展角度、不定根伸长速率、不定根空间分布模型等；然后在VisualC++环境下，结合可视化显示模块、场景控制模块、人机交互界面和数据库模块等，研制了水稻根系三维可视化生长系统，并基于三维可视化生长系统模拟了不同条件下水稻根系的三维形态。研究结果为建立完整水稻植株可视化生长系统奠定了基础，同时也有助于为其他作物根系的可视化研究提供参考。关键词：水稻，根系，三维建模，可视化doi：10．39691j．issn．10

3、02—6819．2010．10．032中图分类号：S5ll文献标志码：A文章编号：1002-6819(2010)-10-0188-07徐其军，汤亮，顾东祥，等．基于形态参数的水稻根系三维建模及可视化[J】．农业工程学报，2010，26(10)：188—194．XuQ(iua，TangLiang，GuDongxiang，eta1．Architecturalparameter．basedthreedimensionalmodelingandvisualizationofdeeroots[J]．Transactionsoft

4、heCSAE，2010，26(10)：188一194．(inChinesewithEnglishabstract)0引言作物根系的长度、表面积及其空间分布决定其获取水分、养分以及与其他植物根系的资源竞争能力。由于根系深藏于地下，很难对其进行直接观测，通过构建作物根系三维显示模型，并利用计算机进行可视化表达有助于进一步了解根系的形态、结构和功能【l卅。近年来，国内外学者在小麦、棉花、大豆、玉米等作物根系的可视化模拟方面已做了不少研刭5’旧】。水稻是多分蘖作物，其根系形态结构较其他作物(如小麦、玉米等)更为复杂。目前，国内

5、外已对水稻根系做了比较深入的研究，但多侧重于水稻根系形态和生理机能、根系与地上部的关系以及栽培管理措施对水稻根系的影响等[nq3]；而对水稻根系三维形态结构重建与可视化表达方面的研究报道不多。Pages等人[141提出了“RootTyp”根系通用模型，该模型描述了根的发生、轴向和径向生长、根系分支等根系生长发育过程，实现了对不同根系构型的模拟，具有一定的实用性。但模型未考虑不同肥水条件等对水稻根系生长的影响；刘桃利”J等根据水稻的分形特征以及L．系统的生长规则，实现了水稻根系形态的收稿口期：2010-05-05修订日期

6、：2010-08．15基金项目：国家“863”计划项目(2006AAl02230，2007AAl02225)：国家自然科学基金项目(30800136)；江苏省自然科学基金项目(BK2009307)；江苏省科技支撑项目(BE2009342)资助作者简介：徐其军(1981一)，男，江苏徐州人，主要研究方向：作物系统模拟与可视化。南京南京农业大学肛苏省信息农业高技术重点实验室，210095。Email：xuqijunl219@sina．eom※通信作者：朱艳(1976～)，女，江苏南通人，博士，教授。主要研究方向：信息农业。

7、南京南京农业大学／江苏省信息农业高技术重点实验室，210095Email：yan吐u@njau．edu．∞可视化模拟，但模型参数难以与水稻根系的形态结构相结合，真实感显示效果欠缺；石春林【16】等通过综合分析文献资料[17-18】，明确了水稻根系基本特征及其影响因子，提出根系生长特征及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，但未对水稻根系几何模型的构建作详细描述，模拟的层次也只是在二维结构。因此，已有研究多基于水稻根系的形态特征及适宜生长状况，没有考虑环境因素和根冠协同生长机制对水稻根系形态结构的影响，

8、也没有考虑到影响水稻根系形态真实感显示的颜色渲染、光照处理、纹理映射等渲染技术，同时也缺少可交互式的人机操作平台。本文通过对不同类型品种、水分和氮素处理下水稻根系形态结构特征的观测分析，提取水稻根系形态特征参数，并基于其拓扑结构，构建水稻根系三维形态显示模型，进一步利用计算机可视化技术，设计与实现不同生长条件下水稻根系的交互式可视