[00796378]基于水稻植株生长过程三维可视化模型的研究

“基于水稻植株生长过程三维可视化模型的研究”课题，于2006年经省科技厅批准立项，项目编号：20061B0202800。课题工作自2007年1月开始到2009年10月终止，实际研究时间三年。课题组按照科技计划任务(合同)书要求的研究内容和目标开展研究工作，按时完成了任务书中的各项研究内容。成果的基本内容：该项研究是利用计算机三维可视化技术，把水稻地上部植株形态结构随水稻生长的变化规律在计算机显示屏上再现出来，为科研工作者观察和研究水稻的生长与自然环境、栽培技术等的关系，研究水稻株型与产量的关系，提供科学的研究方法和手段。成果的基该内容如下：(1)设计和研制了水稻植株各器官的三维形态结构模型以水稻杂优品种金优402为研究对象，在水稻生育期内，通过跟踪测量水稻器官形态变化数据，如叶(叶脉曲线、叶形、叶边缘)、茎、叶鞘、穗(穗型，谷粒模型)等，分别进行数学描述，建立水稻器官的三维形态结构模型。(2)设计和开发出水稻三维可视化虚拟生长系统：①系统开发的基本原理：该系统主要由器官几何形态模型、水稻生长模型、可视化控制模型、数据库和人机交互界面等组成。②系统开发采用的主要技术：计算机图形学；数学(向量几何，代数)；Matlab函数拟合分析工具；水稻栽培学；Vc++编程技术：OpenGL API接口函数等。(3)系统开发完成的器官模型：①完成了叶的建模。叶器官的建模主要考虑叶长，叶宽，叶节位高，弯曲调整系数(一元二次系数)，扭曲增量角度等参数。②茎形态建模。③稻穗形态建模。④谷粒形态建模。⑤水稻地面形态建模。⑥分蘖形态建模。⑦水稻生长模型。⑧水稻植株虚拟动态生长。⑨水稻群体显示。(4)系统具有的性能特点：①系统能够实现水稻形态器官的造型。该系统可以通过输入界面参数，可调节水稻叶片、茎杆、穗等器官的形态结构和颜色，如可以控制叶片的弯曲程度、扭曲程度的空间形状，控制水稻稻穗的形状和谷粒形状等，从而实现控制水稻主茎的株型形态。②通过人机交互，控制水稻植株和群体形态。通过人机交互控制水稻主茎形态后，生成水稻的分蘖植株，通过输入植株的行和列参数，生成水稻群体。③动态生长。该系统根据水稻器官结构形态生长特点，建立水稻各个器官形态参数随水稻生长时间变化的关系，实现水稻的动态生长过程。④对水稻主要器官：叶片、稻穗、茎杆、谷粒等进行参数控制，输入器官参数，系统自动调用器官模型实现函数进行模型计算，并实时可视化显示。⑤可对水稻主茎、分蘖和水稻动态生长分别进行控制和可视化，真实感较强，水稻群体显示受计算机硬件限制，显示速度较慢。成果的作用与意义(直接经济效益和社会效益)：水稻植株数字模型在农业科学研究、农业生产、农业院校的教学和科学普及等都具有十分重要的意义。(1)能定量地研究水稻株型与产量的关系形态结构是植物体的一种表现形式，它受植物内部生长机制的控制，如果利用它的三维数字化模型在计算机上进行可视化显示，研究人员就能从微观的角度，定量地研究水稻生长即形态结构变化与土壤、水、肥、气候及其他外部环境等之间的关系；水稻叶片面积与光合作用的关系，而水稻的产量又与其叶片的光合作用有关，因此，利用数字水稻能够从微观上研究叶片的最佳面积与产量的关系。(2)为农学专家研究水稻栽培提供科学的研究方法与手段在计算机上利用该成果的虚拟系统，可模拟出水稻作物的立体图，并能从任意角度观察水稻的生长情况，使农业科研人员不受季节和自然界的影响，便可在计算机上对其进行虚拟实验，以替代现实实验，设计实验方案，找到解决问题的最佳途径。因此，可节省大量用于现实实验的科研经费，缩短研究周期。(3)为教育和科学普及提供多媒体课件研究成果所提供的软件可作多媒体教学课件进行推广应用，通过该软件，学生与农民及相关人员，能在计算机上种植水稻和了解水稻的生长过程，观察水稻的生长状况，通过改变环境条件，观察水稻生长情况变化，可起到传统教育方式无法企及的效果。成果的创新之处：(1)该成果本身具有创新性，经查新未见有同类研究成果的报道。(2)该系统集水稻器官形态建模、动态生长和可视化控制于一体，模型参数少，交互性强，可视化效果好，即水稻模拟的真实感强。(3)对水稻叶片形态建模采用抛物线方程，并将方程系数与水稻叶片的生理参数联系起来，很好的控制模拟了叶片的自然弯曲形态，这和同类研究比较，模型的输入参数较少，同时对叶片形态的控制更为理想。(4)采用抛物线方程对水稻稻穗穗轴进行形态建模，根据稻穗穗轴节数来控制一次枝，使复杂稻穗使用很少的参数就可以很好地控制其各种穗型形态。同时采用两个同底圆锥来模拟谷粒，容易控制谷粒的粗细和长短，模拟的真实感很强。取得的研究成果(1)水稻植株虚拟生长三维可视化系统应用软件1套。(2)“基于水稻植株生长过程三维可视化模型的研究”技术报告(3)“基于水稻植株生长过程三维可视化模型的研究”工作报告。(4)研究论文10篇。