深圳市仙湖数字植物园系统的研建

阐述了数字植物园的概念,引入 GIS技术,对深圳市仙湖数字植物园系统进行了研究与设计。设计从系统体系结构、数据库设计、数字植物园系统(BGGIS)结构设计、界面设计、网络信息发布设计 5 个部分完成。讨论了数字植物园建设的长期性,BGGIS存在的不足和改进方向以及数字植物园的发展前景。

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。

数字植物研究进展:植物形态结构三维数字化

数字植物围绕农林植物生命、生产和生态系统的多维信息高效感知和认知的理论、技术和方法,通过多学科交叉合作,研究农林植物-环境3D数字化、高通量信息获取、情景感知、信息融合、结构和功能模拟、数字化设计和精准管理决策等数字农业的关键性、基础性以及共性理论和技术问题。植物形态结构的三维数字化是数字植物研究的重要组成部分,近年来很多学者从植物组织、器官、植株和群体等不同尺度,或者从植物根系和地上部等不同视角,围绕植物形态结构的参数测量、几何结构解析、三维模型构建、结构与功能建模,以及三维植物模型真实感展现等需要,开展了更深入的研究。在组织尺度方面,随着MRI、CT、显微成像等技术产品的不断成熟,使得利用这些先进测量仪器获取和测量植物组织内部结构数据成为可能,并被越来越多的研究者采用,成为进行植物内部形态结构测量和分析的有效手段。在植物根系的三维数字化方面,由于植物的根普遍生长在土壤里,观察和测量十分困难。虽然近年来XCT、MRI等穿透射线成像技术已越来越多地用于根系的形态结构探测,但这类技术往往仅能获取范围较小的根系局部数据,且价格昂贵。因此植物根系形态结构的准确、无损(原位)、快速测量仍然是一个挑战。在群体尺度方面,基于实测数据的三维重建逐渐成为植物群体三维重建的主要途径,研究者正试图从激光三维扫描仪获取的植物群体三维点云中提取群体的形态参数并实现群体的三维重构。而在三维植物模型的真实感绘制方面,如何准确地测量各种植物器官的光学特性并建立相应的数学模型是当前的研究重点,虽然已有不少研究者提出了相应的解决方案,但这些方法在便捷性和普适性方面仍然难以令人满意,有待更多深入研究。笔者最后结合相关领域的技术进展对数字植物的进一步研究进行了展望。

利用数字植物冠层图象分析仪测定南亚热带森林叶面积指数的初步报道

介绍了当今较先进的数字植物冠层图象分析仪的理论基础、实际应用的特点 ,测定了南亚热带丘陵地区 8种森林类型 (包括人工林和自然次生林 )的叶面积指数、太阳直射透过系数等群落冠层特征 ,同时测定一由荒坡草地自然发育而成的灌木草坡群落的叶面积指数。根据测定数据比较分析了不同人工林群落 1 1a发展这些特征的变化 ,并与次生自然林的测定数据进行比较 ,同时还对 1 1a与 1 4a树龄马占相思林林冠变化进行比较分析。

曲面建模方法在数字植物中的应用与展望

利用曲面建模方法实现植物形态结构的三维重构和真实感显示是数字植物研究的基础工作。本文对近年来曲面造型理论和技术的发展进行了介绍,着重阐述了参数曲面建模和隐式曲面建模技术在植物形态建模中的应用,分析了相关技术的各自优势,并对基于多边形网格的几何建模方法中一些新曲面造型技术在数字植物几何建模中的应用趋势进行了讨论,最后对曲面建模方法与数字植物研究的结合进行了展望。

自然科技资源的管理、共享和应用研究——以中国数字植物标本馆为例

生物标本资源作为典型的自然科技资源，其成果和经验对促进整个自然科技资源的有效利用和开发都有着较好的参考和借鉴作用。依托中国数字植物标本馆（CVH）的发展历程和现状，就标本数据资源管理、共享和应用3个方面进行了深入说明，总结了项目运行中取得成果和遇到的问题，并针对相关问题进行了讨论，提出了建议方案，为下一步的平台建设提供参考。

21世纪植物标本馆的发展方向——数字植物标本馆

笔者认为21世纪植物标本馆的发展方向是数字植物标本馆。数字植物标本馆是将各种原植物形态特征转化成数字化信息并存储起来以计算机技术进入标本馆并提供有效服务,而且能在网络化的环境中被本地和远程用户存取。数字植物标本馆的特点是:收藏数字化、操作电脑化、传递网络化、资源共享化。数字植物标本馆的模式是一个开放式的硬件和软件的集成平台,通过数码摄像机和数码像机把植物的各种特征数字化并通过计算机和植物标本的集成在网上服务。利用计算机图像处理软件和多媒体以及存储技术,对原始的植物标本图像等进行处理。并就数字植物标本馆存在着保存和网络安全问题进行了讨论。

数字植物区系学的纲要

数字植物区系学产生的背景主要是由于传统植物区系学的方法缺陷不能解决大尺度、大范围植物区系的比较研究以及数字化技术的日趋成熟;它的主要研究内容包括植物区系量化研究的理论基础、方法体系、比较标准及其数字指标等问题,如不同植物区系的丰富性综合评价,不同植物区系成分的划分与内在联系、区系性质异同的确认,不同植物区系相似关系分析、亲缘关系的确定、区系来源和种子植物系统发育的探索,不同植物区系的地理归属,量化研究并验证吴征镒院士所提出的中国种子植物属的各个分布区类型和我国种子植物特有、孑遗以及具有标识性类群(如间断分布类群和在系统演化中的原始类群等)的分布格局、分布规律、分布中心和趋近分布中心程度,以及量化研究并验证吴征镒院士提出的中国植物区系的热带亲缘思想、王文采院士提出的东亚一些植物的间断分布式样和迁移路线与汤彦承教授提出的东亚植物区系第三纪源头等问题.

数字植物:科学内涵、瓶颈及发展策略

当前,各类组学技术、基因组编辑技术及超性能计算能力的飞速发展正使得植物科学从描述性、定性研究向精细定量研究乃至理性设计的转变。在这个过程中,数字植物的研究应运而生。数字植物通过对植物生长发育过程多尺度、多生理生化现象的系统定量模拟,以实现植物整个生命周期的“数字化”。数字植物将为定量植物科学研究、植物设计及改造提供理论工具。数字植物的发展将支持新代谢通路、基因调控网络的设计,乃至植物理想基因系统的设计,从而为以提升作物产量和优化作物品质为目标的植物合成生物学提供设计工具。本文在分析当前构建数字植物遇到的瓶颈的基础上,提出发展数字植物所需要的关键措施,即:构建植物生长发育基本模型;获得同化物在各器官间分配的代谢数据;创建模块模型耦联方法;建立数字植物研究公共平台;发展表型数据与机理模型相结合的方法;以水稻为模式植物,开展数字植物指导的分子设计育种;建立支持数字植物的人才培养及储备策略。利用数字植物定量模拟和设计植物是未来植物合成生物学发展的趋势,数字植物指导下的作物栽培和育种也是精准农业和智慧农业的必然要求。

数字化植物园的理论与技术思考—以华南植物园为例

植物园是通过人工模拟区域自然环境和群落结构,实现物种多样性高度富集并进行相关科学研究的机构,也是生物多样性保育、科普教育、资源储存和开发利用的基地。随着信息技术的发展及其在植物园中的应用,将产生数字化植物园。在研究数字化植物园发展历史的基础上,提出广义和狭义的数字化植物园定义,并以华南植物园的数字化建设内容为例,探讨了数字化植物园的信息技术体系、虚拟植物和专类园智能化管理技术等理论与技术体系结构。

植物学数字切片虚拟仿真教学系统的构建与应用

应用C#语言、显微-数码成像技术、电子地图技术、SQLserver数据库等软件编程技术与工具,将植物优质玻片标本转化为能够在线拖曳、缩放、浏览、标注的数字切片标本等虚拟仿真资源,使植物显微结构观察实验不必借助显微镜即可进行,为优质玻片标本在更大范围内的共用共享提供了解决方案,实现了植物显微结构观察实验由验证性实验向综合性实验转变。

PVH:省级数字植物标本馆平台的开发与应用

为了满足地区性植物资源调查与研究的需要,国家标本资源共享平台(简称NSII)提出了省级数字植物标本馆(Provincial Virtual Herbarium,简称PVH)工作计划,即在NSII省级物种名录和标本信息的基础上,汇集各省专家积累的文献、野外彩色图像等资源,形成各省比较完善的植物名录,每个物种确保有对应的标本照片、野外照片、县级分布点等信息,最终完成各省省级植物标本馆的在线数据库建设。通过组建在线专家社区,实现数据库的高效应用,并提供在线植物志编辑、活植物图库管理、凭证标本审核等e-Science工具集,专家可以在线创建和管理数据,对植物数据查缺补漏的同时,审核NSII已有的各省的标本信息,提高标本数据质量。

植物数字检索信息系统的初步设计与实现(英文)

[目的]建立植物数字检索信息系统。[方法]利用Microsoft Visual Basic6.0企业版的数据库管理系统和SQL(Structure Query Language)语言设计了植物数字检索信息系统。[结果]该系统实现了对内蒙古地区植物信息的电子化管理与检索,检索关键词包括植物科、属、学名、中文名、拉丁名、形态特征、生境、采集人、采集地、保护等级等。[结论]为解决在野外采集的植物标本的物种鉴定和植物标本馆的数字化管理中存在的问题提供了参考。

植物数字检索信息系统的设计与实现

[目的]建立植物数字检索信息系统。[方法]利用Microsoft Visual Basic 6.0企业版的数据库管理系统和SQL(Structure QueryLanguage)语言设计了植物数字检索信息系统。[结果]该系统实现了对内蒙古地区植物信息的电子化管理与检索,检索关键词包括植物科、属、学名、中文名、拉丁名、形态特征、生境、采集人、采集地、保护等级等。[结论]为解决在野外采集的植物标本的物种鉴定和植物标本馆的数字化管理中存在的问题提供了参考。

基于数字化植物表型平台(D3P)的田间小麦冠层光截获算法开发

冠层光截获能力是反映作物品种间差异的重要功能性状,高通量表型冠层光截获对提高作物改良效率具有重要意义。本研究以小麦为研究目标,利用数字化植物表型平台(D3P)模拟生成了100种冠层结构不同的小麦品种在5个生育期的三维冠层场景,记录了从原始冠层结构中提取的绿色叶面积指数(GAI)、平均倾角(AIA)和散射光截获率(FIPAR_(dif))信息作为真实值,进一步利用上述三维小麦场景开展了虚拟的激光雷达(LiDAR)模拟实验,生成了对应的三维点云数据。基于模拟的点云数据提取了其高度分位数特征(H)和绿色分数特征(GF)。最后,利用人工神经网络(ANN)算法分别构建了从不同LiDAR点云特征(H、GF和H+GF)输入到FIPAR_(dif)、GAI和AIA的反演模型。结果表明,对于GAI、AIA和FIPAR_(dif),预测精度从高到低对应的点云特征输入为GF+H> H> GF。由此可见,H特征对提高目标表型特性的估算精度起到了重要作用。输入GF+H特征,在中等测量噪音(10%)情况下,FIPAR_(dif)和GAI的估算均获得了满意精度,R^2分别为0.95和0.98,而AIA的估算精度(R^2=0.20)还有待进一步提升。本研究基于D3P模拟数据开展,算法的实际表现还有待通过田间数据进一步验证。尽管如此,本研究验证了D3P协助表型算法开发的能力,展示了高通量LiDAR数据在估算田间冠层光截获和冠层结构方面的较高潜力。

数字花卉植物的全息可视化与交互实现

花卉植物形态、结构与生长过程的数字化和可视化是现代林业科研的重要研究内容,数字花卉植物在科普、教育、展示等方面都有着广泛的应用与需求。全息影像技术是一种新兴的前沿技术,其原理源自佩珀尔幻象,通常用于生成立体感强的影像,实现数字幻象与真实世界的融合,拥有良好的观赏性,用户接受度较高。将全息影像技术与数字花卉植物相关研究进行结合,可以加强数字花卉植物的可视化效果,从而实现更好的科普、教育、展示效果。因此在现有的研究基础之上,考虑实现数字花卉植物的全息可视化,并在可视基础上增加了用户交互实现,设计出一套兼具展示性和交互性的流程,力求总结出一种具有完整可行性的方案,从而对数字花卉植物的新型表现形式进行深入研究,以期对数字植物研究与应用的进一步发展提供参考。

基于叶绿素相对值的植物叶片颜色模拟方法

提出了一种基于叶绿素相对值(SPAD)的植物叶色模拟方法。首先利用自制的叶色数据采集装置,在外部环境恒定的条件下采集叶色数据,跟踪监测叶片不同生理时期的叶色变化。再基于数据对叶色进行分析,构建SPAD值与特定光环境下叶片颜色值的关系函数,并利用该函数推导出叶片的漫反射计算公式;最后采用基于SPAD纹理的方法对叶片表面的颜色差异以及随着时间发生的老化现象进行模拟。结果显示在确定的恒定外部环境下,SPAD值与叶片漫反射红绿蓝三通道关系函数呈指数关系,决定系数分别为0.972、0.968、0.509,表明SPAD与叶片漫反射颜色之间存在相关性,因此可利用SPAD作为驱动因子进行叶色仿真。同时,从视觉角度加以分析,基于SPAD的叶色模拟结果与真实图像对比,叶色的变化趋势一致,结果较真实。

三维激光扫描技术在植物扫描中的应用分析

针对三维激光扫描技术在植物对象扫描中的应用问题,从植物三维建模的角度出发,分别应用三款不同类型的激光扫描仪对植物形态结构进行扫描实验,分别以代表性的植物对象叶片为实验对象,探索三维激光扫描技术在植物数据获取与模型三维重建中的应用情况,并对不同扫描仪的适用场合和技术特性进行综合分析,并且针对扫描实验及数据处理过程中出现的问题进行探讨,提出相应的解决方案。

基于变化光源方向多图像的植物叶片表观三维模拟

为了真实准确地模拟植物叶片表观颜色,提出一种基于多图像的叶片表观模拟方法。首先搭建基于线性光源的表观图像采集系统,用以获得400张视线角度固定、光源方向变化的叶片图像集合;采用拟合方法自动地从400张图像中获得整个叶片表面的表观特征参数,包括漫反射强度、高光反射强度和粗糙度;利用该拟合方法对线性光源移动条件下理想物体的各种反射特征的变化情况进行仿真计算,然后针对叶片图像中的每个像素寻找与仿真计算结果最接近的表观模型参数作为拟合结果。通过该拟合方法,可将叶片表面上各个位置的表观参数合成3张表观参数图像,采用基于点光源的实时光照方法测试最终的可视化模拟效果。从模拟结果中可以看出利用该文方法得到的结果能够真实地表现叶片自身的表观质感特性,相对于传统方法更加真实准确。

单图像的植物器官表观纹理生成系统研发

为提高农业题材三维数字媒体内容制作效率,解决植物器官表观纹理制作流程繁琐的问题,研发了基于单图像的植物器官表观纹理生成系统。该系统分为漫反射强度纹理、透射纹理、高光纹理、法向量贴图、环境遮蔽图以及表观纹理实时可视化6个模块。漫反射强度纹理生成模块采用基于能量约束的本征图像分解方法将植物器官图像分解为漫反射纹理以及光照图;透射纹理生成模块以PROSPECT模型为理论基础,反演植物叶片透射与反射的统计学关系,利用漫反射纹理生成透射纹理;高光参数纹理生成模块采用交互式操作,基于用户对少量样本点的高光表观参数设定,根据概率插值出整个器官表面的高光参数,进而形成高光强度纹理和粗糙度纹理;法向量贴图模块在阴影恢复形状技术的基础上,综合低频和高频特征生成法向量贴图;环境遮蔽图生成模块通过简单的亮度倍增操作,将光照图转换成环境遮蔽纹理;表观纹理实时可视化模块利用上述生成的表观纹理进行实时的器官三维渲染,为用户提供反馈。系统仅需调节3个参数即可生成6种样式丰富的器官表观纹理,操作简捷,自动化程度高。在处理512×512分辨率的图像时,生成6种表观纹理的总计算时间小于8 s。结果表明,该系统可以通过简单的操作,高效生成三维植物可视化中常用的表观纹理,为农业题材的三维数字资源开发提供技术工具。