数字植物及其技术体系探讨

数字植物是数字农业的基础,是利用数字化方法研究植物,并为植物生命系统和农业生产过程的数字化表达、生长建模、过程模拟、可视化计算分析、协同科研实验、成果共享及集成应用提供信息服务和技术支撑平台。探讨数字植物及其技术体系对数字农业有重要的意义。本文介绍了数字植物的概念和内涵,分析了数字植物的基本研究问题,在此基础上探讨了数字植物的科学内涵和技术支撑体系,并讨论了该技术体系建设的重点和应采取的对策方法,以期为数字植物的进一步发展提供有益参考。

虚拟植物的建模方法

介绍了虚拟植物及其研究意义;着重讨论了虚拟植物生长模型及建模方法,对不同的建模方法的特点进行了比较分析,总结了不同的建模方法的优缺点及其适用范围;探讨了该领域研究中存在的主要问题,并对虚拟植物建模方法的未来发展趋向及其前景进行了展望。

基于虚拟生长模型的温室番茄栽培管理专家系统

为改进传统农业专家系统的决策性能,动态表达其决策结果,提出并实现了基于虚拟生长模型的温室番茄栽培管理专家系统。介绍了系统的总体框架与功能模块,分析了系统实现的若干关键技术,如开发工具、知识表示方法、知识库的构建、虚拟番茄生长模型等。系统综合运用推理、预测、可视化与解释等机制帮助用户设计栽培管理方案,可视化模拟和预测温室番茄的生长发育进程。基于虚拟生长模型的温室番茄栽培管理专家系统初步实现了积温模型、形态发生模型与专家系统知识模型的综合集成,更适合温室番茄栽培管理的实际需要。试验表明该系统具有较好的应用前景。

虚拟植物生长的研究现状与发展趋势

虚拟植物生长技术对作物产量预测、土地生产力评价、资源环境分析、作物栽培指导、作物生长机理研究以及调控作物生长发育及其对环境的反应研究都有着十分重要的意义。本文着重介绍了虚拟植物的研究现状、研究方法和国内外最新进展 ,对有待进一步研究的问题进行了讨论 ,对虚拟植物模型在农业领域中的发展趋势进行了展望。

基于L系统和三维Morphing的器官生长建模

为解决植物器官生长过程中的变形问题,提出一种基于L系统和三维Morphing的器官生长建模方法。该方法以L系统描述植物的拓扑结构,以三维Morphing模拟植物叶片和果实的变形过程,并根据花的特殊结构引入一种模块化建模方法以实现花的开放过程。以辣椒为例展示建模过程,实验结果表明,该算法能解决植物器官变形问题,提高建模效率。

基于双尺度自动机模型的植物花序模拟

花序的模拟是“虚拟植物生长”的重要研究内容 .以往的研究主要集中在怎样应用“L系统”模拟植物花序 .但L系统用字符串表示的产生式具有难以理解和使用的缺点 ,特别是模拟花序的生长和开花顺序时 ,结构复杂且模型参数不易确定 .而“双尺度自动机模型”是一种基于植物生长机理的植物形态发生模型 .该模型结构简洁明了 ,形象直观 ,易于理解和编程实现 .该文以几种典型花序的模拟为例 ,探讨了应用双尺度自动机模型模拟花序的方法 .通过在双尺度自动机模型中引入“同步生长机制”和“重复生长机制” ,能够模拟所有植物学中给出的花序类型 .并通过应用“生长延时机制” ,实现了“向顶开花”和“向基开花”两种开花顺序的模拟 ,避免了L系统用成花信号控制的缺点 .最后通过与L系统的比较 。

果树单果生长建模方法研究

研究了果树单果生长过程的建模算法。首先针对Bézier曲面改进微分L-system,以加强其封装性;设计了一种单果生长过程建模的通用算法;以柑橘和苹果果实为例,采用该算法进行建模实验,结果表明该算法对果树单果生长过程的模拟能达到较好的效果。

玉米虚拟生长研究综述

虚拟植物生长是农业信息技术和计算机图形学领域中主要的研究课题之一。虚拟植物生长就是在计算机上仿真模拟植物在三维空间的生长过程,它在农林业等领域有着广阔的应用前景。介绍了虚拟植物生长模型的分类和生成植物图形的方法,综述了玉米虚拟生长的研究现状。

虚拟植物技术的研究综述

虚拟植物技术是信息农业的一个重要方面,对预测和调控植物生长发育及其对环境的反应研究有着十分重要的意义。简要回顾并总结了国内外虚拟植物研究的历史和发展状况,着重分析了该领域当前存在的问题,指出了该领域未来一段时期的研究热点和发展方向。

基于环境敏感的虚拟植物生长仿真

仿真局部环境对植物生长的影响,特别是在剪枝条件下的植物生长状况,对数字农业的发展和虚拟园艺设计具有重要意义。已有的成果运用环境敏感L系统实现了二维植物在正方形边界内的剪枝生长仿真,但未能模拟真实植物生长受环境的影响。在此基础上,运用三维植物生长模型,实现了三维植物在剪枝条件下的生长过程仿真。实验结果表明,环境敏感L系统能够很好地模拟真实植物和外部包围盒之间的交互,为下一步研究植物同其他外界环境因素的交互打下了基础。

花卉植物形态与生长可视化仿真研究

花卉植物形态结构复杂,叶片、花瓣等组织器官的可视化建模和生长仿真成为虚拟花卉的研究瓶颈。基于花卉图像和植物生态学,提出一种通用的草本花卉形态结构建模和生长可视化仿真算法。结合花卉图像信息和双三次Bezier曲面模拟组织器官的形态,利用定义的花卉植物拓扑结构建立单株花卉。为了忠于植物生长特性,采用Logistic方程模拟叶片和花瓣的生长过程。通过郁金香、石竹、茉莉等多种代表性草本花卉植物验证了算法的有效性,模拟的花卉逼真自然。

基于曲线参数方程的植物果实造型

基于曲线参数方程的植物果实造型方法通过果实主轴线和截面曲线参数方程计算出果实表面的网格面以及各顶点的法线,从而实现了植物果实的造型;通过在曲线方程上叠加扰动函数解决了果实生长过程中的形变问题。实验证明该方法能够较逼真地模拟植物果实形态及其生长过程。

龙眼幼苗的虚拟植物生长发育模拟模型

提出了一种可实现植物幼苗的生长发育模拟的结构—功能模型。首先,根据幼龄植株的结构特点简化定义结构模型,根据光合作用模型和生物量分配模型构建虚拟植物功能模型;然后,以功能模型中计算的生物量作为中间变量与结构模型耦合,而结构模型再把植物器官结构形态变化数据反馈给功能模型,至此形成互反馈的结构—功能模型。利用该虚拟植物结构—功能模型,以VC++和OpenGL开发了VirtualPlant软件用以研究虚拟植物的生长规律,并以龙眼幼苗为实验对象,实现其生长发育模拟。

植物生长的形态与生理并行仿真模型

基于L-系统,构建植物形态结构与生理并行仿真模型。模型以L-系统字符重写迭代机制为基础。定义规则字符F所代表的枝条节间为基本生长单元对象,将植物体抽象映射为基本生长单元链表集合。链表中F字符寻找其直接前继字符进行生长状态标定,使抽象链表成为植物生长状态链。在植物生长周期内,将生物量生成分配模型同L-系统生长的拓扑模型耦合,实现植物生长的结构—功能模型互反馈仿真。以幼龄杉木植株为实验对象,在VC++编程平台下进行结构-功能模型耦合程序实现,在Open GL图形渲染环境中完成结果可视化。提出的模型对于忠实于植物基本生理活动规律的植物形态仿真具有一定的刻画能力。

光照对数字树木生长影响研究综述

光是影响树木生长的重要环境因子。模拟光对树木生长的影响,可以用于虚拟林业生产及模拟生态环境变化的试验,这对林业和景观的发展研究、对林业、景观和土地等资源的利用和环境建设都有着重要的指导意义。本文首先介绍了理想环境条件下的主要的数字植物生长模型,并在此基础上,引出了考虑光照影响的植物生长模型。这些模型根据模拟现象的不同,可分为两类:第一类模型模拟的是光照对树枝生长方向及树芽存活概率的影响;而第二类是近几年才开展,现在正蓬勃发展的可用于模拟光照对树木光合作用影响的植物生长模型。本文按时间顺序,分别介绍了两类模型中的突出工作和技术成果,并分析了它们的优缺点,最后对这一研究课题的进一步的发展趋势进行了讨论。

草地早熟禾叶片的虚拟生长模型及可视化研究

根据草地早熟禾叶片的生长形态及生长规律,通过对草地早熟禾叶片生长数据的分析研究,提出了不同生长时期草地早熟禾叶片的不同生长模型,利用时间参数将这两种模型结合在一起,建立了草地早熟禾叶片的连续虚拟生长模型,它能克服以往单一生长模型不能全面描述生长过程、模型间断、不连续等缺点。基于此生长模型,对草地早熟禾叶片的生长过程进行了三维可视化实现。

干旱胁迫下草地早熟禾叶片的生长模型

为研究干旱胁迫环境对草地早熟禾叶片生长发育的影响,在定量的时空坐标系内建立相应的生长模型,从而预测干旱胁迫条件下草地早熟禾叶片外观形态及生理变化;通过对温室中试验植株进行干旱胁迫后得到的生长数据的观测研究,统计归纳出草地早熟禾叶片外观参数随着干旱胁迫时间增加而变化的模型。结果表明:该模型符合草地早熟禾叶片在干旱胁迫环境下的生长规律,模型能够很好的描述在干旱胁迫作用下草地早熟禾叶片的生长发育过程。

具有生长特征的L-系统模型研究

传统的L系统对于植物生长特征的表达是将表示分枝结构和枝节生长的产生式加以区别,迭代生成描述植物结构的文法系统并结合海龟解释实现植物的可视化模拟,很难真正体现植物生长过程中的"生命"特征。综合考虑L系统对植物生长的表达能力,将具有一定生理年龄和生长年龄的生长单元视为子结构,考虑植物生长的随机特性,植物的动态生长按照隐式马尔可夫过程进行状态转移,从而提出一种广义的L-系统模型,符合植物本身的生长机理。实例验证表明,提出的模型可快速、有效地实现虚拟植物的可视化模型的建立。

虚拟植物生长机模型构建技术研究

针对虚拟植物在农林业中的应用,提出了基于双尺度自动机的"生长机"模型构建技术,对生理生态模型和形态发生模型的接口进行了定义,并兼顾生长机模型构建的普适性,采用模块化设计,减少了由于专用模型修改带来的大量代码改动,该技术经过验证取得了预期效果。

基于光作用的虚拟植物生长模拟与可视化研究

虚拟植物生长模拟研究是数字林业的研究热点。为了在植物生长过程模拟中考虑植物的生理特征,真实地反映不同光照条件对植物各组织器官形态结构及生长发育特征的影响。基于植物的光生长环境仿真,提出了一种基于光照模型的植物器官形态结构动态演替生长算法。采用双三次Bezier曲面构建植物叶片组织器官,并引入曲面影响因子、植物光属性因子,对植物形态结构和叶序分布进行真实感建模。根据光照对植物叶片生长发育的影响,提出了基于光作用的碳汇动力学仿真和植物分枝结构的动态演替方法。为了验证本算法的有效性,依据不同光照条件下绿萝的生理特征数据,对该生长模型算法进行了有效验证,获得了较好的真实感效果。