虚拟水稻生长建模研究课件.ppt

1、虚拟水稻生长建模研究1.虚拟植物研究概况2.水稻生长可视化模拟3.总结 数字农业已成为发展现代农业的重要支撑技术。它的广泛运用和进一步发展，对于我国农业的可持续发展和推进新农村建设具有十分重要的意义。虚拟植物作为数字农业的核心和关键技术之一，其研究和应用越来越受到国内外相关领域和管理部门的重视。“虚拟植物”在计算机上可视化地再现植物的形态结构及其生长过程.其研究意义在于:1)再现自然景观,可用于三维动画片的制作、电子游戏中虚拟场景的生成、园林规划和生活区设计等.2)探索农林植物生长规律,有望在作物理想株型培育、群体产量预测、栽培管理等领域发挥作用.1.1“虚拟植物”的概念与研究意义基于计算机图

2、形学的模拟,追求视觉效果的真实性.研究对象包括:植物器官个体群体田园森林1.2 主要研究方向 基于结构功能反馈机制的植物生长可视化建模，追求植物生长机理的真实性.1.2 主要研究方向基于规则的方法 如L-system,自动机模型、双尺度自动机模型、分形方法、函数迭代系统（IFS）等基于大规模测量数据重建的方法 基于图像的造型技术 如立体视觉技术、三维体视化技术等基于手工草图的造型技术1.3 主要研究方法 L-systemArtistid Lindenmayer(1925-1989)(L-system)an Hungarian biologist微状态微状态宏状态宏状态双尺度自动机模型双尺度自动

3、机模型 AMAP模型 AMAP的机理：（功能结构模型，是对AMAP模型的发展。）以器官为空间尺度，以生长周期为时间尺度，结构方面以“双尺度自动机”与“子结构”相结合，功能方面以“de Reffye”公式为方式的生物量计算：Q(n)=E(n)/R(n)Greenlab模型1）Virtual Plants Team:Joint Research Unit of Cirad/Inra 法国农业发展国际合作研究中心(Cirad)法国国家计算机科学与控制研究所(Inra)1.4 相关研究机构Philippe de Reffye2)加拿大 Calgary大学-Biological Modeling and

4、 Visualization research groupProf.PRZEMYSLAW PRUSINKIEWICZProf.PRZEMYSLAW PRUSINKIEWICZDepartment of Computer Science at the University of Calgary,canada.1.4 相关研究机构3)澳大利亚Queensland大学-ACMC CPAI 德国Karlsruhe大学-Xfrog1.4 相关研究机构 中科院自动化所中法实验室 中国农业大学虚拟农业系统研究室；中科院合肥智能机械研究所1.4 国内相关研究机构较早开展研究较早开展研究:最近几年来,国内众多学

5、术结构也相继开展这方面的研究,并取得了有意义的成果.1.5 植物功能-结构模型国际系列会议(FSPM)主题：植物主题：植物3D3D外形模拟，生理生态模型，环境模型，外形模拟，生理生态模型，环境模型，计算机科学和数学计算机科学和数学.目前已召开五届，芬兰、法国、加拿目前已召开五届，芬兰、法国、加拿大、法国、新西兰。下一次大、法国、新西兰。下一次FSPMFSPM会议将于会议将于20102010年年9 9月在美月在美国加州大学戴维斯分校举行国加州大学戴维斯分校举行.植物生长模拟、仿真、可视化及其应用国际会议（PMA03、PMA06、PMA09）已有的虚拟作物生长模型，大多以形态相对简单的作物为建模对

6、象，如棉花、玉米、向日葵及蕃茄等，而形态复杂的作物的虚拟生长模型还很少。超高产育种已成为当前国内外热门研究课题。水稻的理想株型受到广泛关注，而优化的冠层结构是高产株型构建的关键。为超高产水稻栽培和育种提供理论依据和技术途径，有利于促进数字化、规模化育种的发展。2.1 研究背景与意义研究背景与意义 通用植物器官造型工具 稻叶的模拟 稻穗的模拟 绒毛的模拟1 1）器官形态造型）器官形态造型2 2）可视化操作及交互对象）可视化操作及交互对象3 3）实时输出仿真结果）实时输出仿真结果4 4）支持动画仿真）支持动画仿真5 5）数据存储）数据存储主要功能主要功能:器官造型工具总体结构器官造型工具总体结构三

7、三D造型模块造型模块场景渲染模块场景渲染模块场景交互模块场景交互模块显示与输出显示与输出模块模块 叶片边缘曲线；叶片边缘曲线；叶片中脉的弯曲曲线；叶片中脉的弯曲曲线；叶片的扭曲状态；叶片的扭曲状态；叶片几何形态的生成；叶片几何形态的生成；叶片颜色变化的模拟。叶片颜色变化的模拟。叶片枯萎的模拟；叶片枯萎的模拟；2)稻叶的模拟稻叶的模拟三角化算法示意图双三次贝塞尔曲面算法示意图 叶片模拟效果图弯曲直立扭曲 主要研究小穗及其穗柄、小花、谷粒和芒等的三维建模 采用的主要技术：使用参数化L系统生成将各个小穗进行有效的组织排列,合成稻穗,实现其虚拟显示。稻穗图带小花的早期稻穗模拟图带小花的早期稻穗模拟图

8、采用广义柱面生成植物器官 采用L-system和广义柱模拟茸毛模板 利用线性插值方法计算茸毛附着点 根据位置信息控制茸毛的特性，包括：分布密度、大 小、指向4)绒毛绒毛1)枝条上的茸毛模拟2)果实上的茸毛模拟 确定水稻结构的描述模型 功能模型与结构模型的结合（生物量的生产与分配及作物形态建成之间的关系）实验确定直接参数和隐含参数 可视化模型输出结果 模型的有效性检验（主要包括系统隐含参数的估算与校验,系统输出结果的检验.）采用参数化L系统描述水稻拓扑结构 根据水稻生长的不同阶段,总结相应的L系统的公理和产生式规则 1)幼苗期 2)分孽期 3)伸长期 4)结实期(稻穗的形态发生)基于形态发生模型

9、的计算结果，依据植物生长机理模型，如光合作用、呼吸蒸腾作用等，来计算鲜物质生产量,并依据器官生物量积累与器官形态建成关系，模拟整个植株形态结构的变化过程。1）鲜物质的生产模型在第i个单元周期内生产的总的生物量Q(t)：()112()()(,)N tiE tQ trrs i t 2.3.2 功能模型与结构模型的结合功能模型与结构模型的结合 鲜物质在不同植物器官间的分配取决于器官的类型、汇强po和扩展率fo。通常，器官汇强定义为热年龄的系数，器官的扩展率采用Beta分布的概率密度函数表示。(,)oqx t,1()(1)(1)(,)()(1)ooootoo L I Fip t f txQ tqx t

10、p tf ti 设 为生长次序为x的器官在第t个生长周期内的扩展量:to器官扩展周期数；t-x为该器官的实际生长年龄 为序号为x的器官在第t个生长单元周期内的总的物质量，则(,)(,1)(,)oooqx tqx tqx t(,)oqx t2)器官几何尺寸的计算(1)叶片、节间及果实的密度都为1，且忽略量纲。(2)所有叶片的厚度e都相同。(3)节间是一个质地均匀的圆柱体。假设：在获得各生长阶段不同植物器官所获得的鲜物质后，即可根据密度、体积和质量三者间的关系，计算各器官几何尺寸的大小。(,)(,)LLqx tSx te如生长次序为x的叶片在第t个生长单元周期内的表面积为 若将节间看作一个圆柱体，

11、则它的节间重量、直径和长度满足：23(,)()()4IIIqx tdxlx实践中若已知某个生长单元周期中节间的质量，则它的直径可采用下面的经验公式进行计算，即：2()(,)(,)IIIdxqx tqx t 1 2.3.3 实验确定直接参数和隐含参数实验确定直接参数和隐含参数 1）可直接测量的参数，包括叶子有效生命期限TL、叶片厚度e、节间圆柱体的比例系数、形状系数以及叶片鲜质量占整个叶子鲜质量的比例Cb等；2）隐含参数，包括水力阻抗r1、r2，器官物质吸收能力pL、pI、pF，器官扩展率L、I、F、直径和质量二次关系式的系数、以及种子提供的鲜物质Q0等等。模拟效果图模拟效果图2.3.4 可视化输出结果可视化输出结果1）研究了水稻器官的形态建成过程，水稻器官形态结构特点。2）初步实现了通用植物器官生成原型系统，初步实现水稻器官的可视化模拟。3)初步实现了单株水稻生长可视化模拟。4）明确了基于结构-功能反馈机制的虚拟水稻生长的建模过程，确定了实验方案，开展了相关实验。