試析虛擬植物生長(zhǎng)機(jī)模型構(gòu)建技術(shù)研究——以玉米為例

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1、西南農(nóng)業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文虛擬植物生長(zhǎng)機(jī)模型構(gòu)建技術(shù)研究——以玉米為例姓名：喻曉莉申請(qǐng)學(xué)位級(jí)別：碩士專(zhuān)業(yè)：農(nóng)業(yè)機(jī)械化工程指導(dǎo)教師：楊國(guó)才20050501摘要虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)(VR)為眾多領(lǐng)域包括農(nóng)業(yè)在內(nèi)的大規(guī)模數(shù)據(jù)可視化提供了新的描述方法。虛擬植物(VirtualPlants)就是應(yīng)用計(jì)算機(jī)模擬植物在三維空間中的生K發(fā)育．以可視化的方式反映植物的形態(tài)結(jié)構(gòu)規(guī)律，是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用，是隨著信息技術(shù)進(jìn)步而迅速發(fā)展起來(lái)的新興研究領(lǐng)域，已成為計(jì)算機(jī)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。按照虛擬植物模型完成的功能和模擬的過(guò)程分為生長(zhǎng)機(jī)模型和可視化模型：生長(zhǎng)機(jī)模型又包括生理生態(tài)

2、模型和形態(tài)發(fā)生模型。由于虛擬植物應(yīng)用領(lǐng)域的不同，虛擬植物形態(tài)發(fā)生模型的建模方法相應(yīng)地分為兩類(lèi)：一類(lèi)是以迭代函數(shù)系統(tǒng)aFs)、分枝矩陣、粒子系統(tǒng)等為代表的方法．側(cè)重于計(jì)算機(jī)圖形學(xué)．只注重視覺(jué)效果的逼真性，主要研究如何用最少的植物學(xué)知識(shí)，方便快捷地生成單純外觀上的植物圖形，這類(lèi)模型普遍應(yīng)用于園林規(guī)劃、景觀設(shè)計(jì)等領(lǐng)域；另一類(lèi)是以L系統(tǒng)、自動(dòng)機(jī)模型等為代表，應(yīng)用于農(nóng)林業(yè)生產(chǎn)和研究的模型，該類(lèi)模型可以通過(guò)對(duì)植物實(shí)際生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程進(jìn)行研究，根據(jù)所測(cè)的大量數(shù)據(jù)提取植物的生長(zhǎng)規(guī)則．j}3以模擬植物生長(zhǎng)的真實(shí)過(guò)程?！吧L(zhǎng)機(jī)模型”構(gòu)建技術(shù)，是針對(duì)虛擬植物在農(nóng)林業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域而言

3、的。該技術(shù)包括兩部分：一部分為建模(生理生態(tài)模型和形態(tài)發(fā)生模型)，另一部分就是構(gòu)成生長(zhǎng)機(jī)兩種模型的有機(jī)結(jié)合。目前對(duì)植物生理生態(tài)的模擬、形態(tài)的模擬大多是在獨(dú)立地進(jìn)行描述，這兩方面集成工作的研究還很少。然而兩方面集成這個(gè)目前研究的薄弱環(huán)節(jié)正是虛擬植物的核心所在。在虛擬植物的生長(zhǎng)機(jī)模型中，該研究可以使虛擬植物在一個(gè)更高的層次上得以快速準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)．并且對(duì)于構(gòu)造具有普適性的虛擬植物平臺(tái)也起著至關(guān)重要的作用。本文提出的“生長(zhǎng)機(jī)模型”構(gòu)建技術(shù)，目的在于探索生理生態(tài)模型與形態(tài)發(fā)生模型有機(jī)結(jié)合的方式，重點(diǎn)在于解決生理生態(tài)模型和形態(tài)發(fā)生模型的接口，并同時(shí)兼顧生長(zhǎng)機(jī)模型構(gòu)建

4、的普適性。本研究主要是在已有的生理生態(tài)模型的基礎(chǔ)上，探索將形態(tài)發(fā)生模型與之相結(jié)合的機(jī)制．并減少由于專(zhuān)用模型修改帶來(lái)的大量代碼改動(dòng)。主要取得了如卜研究結(jié)果：1、形態(tài)發(fā)生模型的建立形態(tài)發(fā)生模型方面，本研究在探討了雙尺度自動(dòng)機(jī)模型的核心思想，深入分析其設(shè)計(jì)方法之后，指出該模型適用于生長(zhǎng)機(jī)模型的構(gòu)建，模型中的三個(gè)屬性表提供了與外界實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的接口，并且有生長(zhǎng)規(guī)則提取容易，輸入?yún)?shù)簡(jiǎn)單、明確等優(yōu)點(diǎn)．應(yīng)用雙尺度自動(dòng)機(jī)原理，能夠計(jì)算出植物的不同生長(zhǎng)階段的不同生理年齡的結(jié)構(gòu)上的器官個(gè)數(shù)、生長(zhǎng)規(guī)律等，模擬植物的生長(zhǎng)過(guò)程，并將植物的內(nèi)在特性及相應(yīng)的外在表現(xiàn)形式用某種方式表示

5、出來(lái)。研究中對(duì)玉米發(fā)育期特點(diǎn)進(jìn)行了分析，采蹦雙尺度自動(dòng)機(jī)構(gòu)造了它的形態(tài)發(fā)生模裂，指出要模擬環(huán)境因素對(duì)植物形態(tài)結(jié)構(gòu)的影響，只需將環(huán)境因素通過(guò)生理生態(tài)模型引入，與雙尺度自動(dòng)機(jī)模型屬性表中的參數(shù)相結(jié)合即可。2、生理生態(tài)模型的分析研究西南農(nóng)業(yè)火學(xué)碩士學(xué)位論文摘耍由于氣溫和日長(zhǎng)是植物生長(zhǎng)的主要影響因素，因此，在考慮環(huán)境因素對(duì)玉米的影響方面將這兩個(gè)因素引入。對(duì)于植物生長(zhǎng)發(fā)育進(jìn)程的快慢，普遍采用的方法是利用發(fā)育速度進(jìn)行模擬。但是發(fā)育速度雖然表示了植物生長(zhǎng)發(fā)育時(shí)間長(zhǎng)短上的嚴(yán)格數(shù)量關(guān)系，卻忽略了植物發(fā)育’的外部形態(tài)特征，比如各器官發(fā)育狀況、形態(tài)等。．雙尺度自動(dòng)機(jī)模型是根

6、據(jù)植物發(fā)育的外部形態(tài)特征．將整個(gè)生育期劃分為兒個(gè)發(fā)育階段來(lái)確定狀態(tài)尺度。生理生態(tài)模型要與雙尺度自動(dòng)機(jī)模型相結(jié)合，必須采用合適的發(fā)育進(jìn)程模型才能反映植物的真實(shí)生長(zhǎng)過(guò)程，采用發(fā)育速度來(lái)描述植物生K發(fā)育進(jìn)程并不臺(tái)適。根據(jù)雙尺度自動(dòng)機(jī)模型的特點(diǎn)，研究中利用發(fā)育指數(shù)來(lái)模擬玉米的發(fā)育進(jìn)程。發(fā)育指數(shù)確定了各器官的發(fā)育進(jìn)程和發(fā)育狀況，是生育階段的數(shù)量表示方法，與發(fā)育速度存在著對(duì)應(yīng)關(guān)系。植物各生育階段的時(shí)間長(zhǎng)短是不同的，但各生育階段完成時(shí)發(fā)育指數(shù)均增加．這樣一來(lái)。利用發(fā)育指數(shù)既可以精確地確定植物的發(fā)育進(jìn)程．又能夠描述植物在各個(gè)生育階段的外部形態(tài)特征，不僅發(fā)育階段幫義明確

7、，并適用于雙尺度自動(dòng)機(jī)模型，有利丁．確定模型中的各個(gè)狀態(tài)以及它們的循環(huán)次數(shù)?！?、生長(zhǎng)機(jī)模型的構(gòu)建方式研究由于植物品種繁多，模型千差萬(wàn)別．若要構(gòu)建不同植物的生長(zhǎng)機(jī)模型，生理生態(tài)與雙尺度自動(dòng)機(jī)模型必定有所不同。為了解決由于專(zhuān)用摸型不斷改進(jìn)而需重建軟件項(xiàng)目帶來(lái)的大量代碼改動(dòng)這一問(wèn)題，研究中以玉米為例。提出了采用模塊化設(shè)計(jì)方法來(lái)構(gòu)建生長(zhǎng)機(jī)模型：將生長(zhǎng)機(jī)模型系統(tǒng)劃分為多個(gè)模塊，每個(gè)模塊具有相對(duì)獨(dú)立的功能；將數(shù)據(jù)庫(kù)引入，同時(shí)設(shè)計(jì)了人機(jī)交互界面，決定了相關(guān)模型和模塊修改的方便性，使得系統(tǒng)易于維護(hù)和擴(kuò)展，具有一定的通用性。4、生理生態(tài)模型與形態(tài)發(fā)生模型接口的研究要真

8、實(shí)地表示出植物的發(fā)育形態(tài)，必須將生理生態(tài)模型與形態(tài)發(fā)生模型結(jié)合起來(lái)，才能描述植株的高度、葉片的