基于L系统的虚拟根系模型平台设计

根系是植物的重要组成部分,是植物生长发育、新陈代谢的主要营养器官。根系的形态和构型是影响根系生长及其吸收养分的重要因素。因此通过研究植物根系的形态和构型对了解植物的生长发育及其对环境的适应性具有重要意义。本文基于L系统的数学理论,使用Visual C++编程开发工具和OpenGL三维图形库技术独立开发虚拟根系的可视化模拟平台,该平台可以作为大豆根系研究的辅助工具,也可以为其它植物根系模型的研究提供思路。

虚拟植物根系生长模型分析和比较

虚拟植物根系生长可视化研究开始于20世纪80年代,该研究对于提高虚拟植物生长研究整体水平具有十分重要的意义。介绍了国内外近年来对虚拟植物根系生长研究的进展,分析和比较了常见根系建模模型,预测该研究的发展前景,对理论研究和实际应用有一定的参考价值。

基于虚拟植物技术的冬小麦根系3D构型测试与分析

【目的】构建一套由硬件和软件集成且完整而适用的虚拟植物根系技术,定量描述稻茬田冬小麦根系的三维几何构型特征。【方法】自主设计制作"根系构型数字化仪",该数字化仪为纯机械结构,分别设有一个水平回转臂、一个横向滑动臂和一个竖向滑动臂,回转臂与滑动臂都配有标尺,且3者的组合运动能保证测头在3D范围测取任一点的空间坐标。测量时将置于工作台的根区土壤按3—5 mm厚度逐层清除并进行根系构型数字化,从而测取田间小麦根系的真实空间拓扑数据,实现小麦根系实体构型的数字化。将实测的小麦根系构型数据导入Pro-E软件平台,利用软件的3D造型技术完成小麦根系构型的虚拟重构,实现计算机虚拟根系与实体根系的一致性。利用软件的分析工具对虚拟重构的小麦根系构型进行计算分析,定量小麦不同时期根系的三维空间构型、根系的土体空间搜寻能力、根系总长以及根系平均增长率等指标的变化,通过不同的指标反映田间土壤环境下真实小麦根系构型的时空动态。【结果】植物根系构型数字化仪能够提供<1 mm的测试分辨率,操作使用方便,耐污染、抗干扰能力强,对工作环境要求不高,可满足作物根系三维空间几何构型测试要求,而使用Pro-E的小麦根系三维空间几何构型重构技术也便于根系构型的深度计算与分析。冬小麦的根系构型分析结果表明,该虚拟根系技术能够直观展示小麦生长期不同时间节点的根系构型状态特征及土体空间搜寻动态,根系构型图可以反映各时期小麦根系在土体中的纵深拓展和周向扩展状态。同一时期植株个体的根系构型变异性较大,越冬期小麦根系很浅,在返青及分蘖旺期小麦的根系迅速向深层土层中伸展,拔节期根系爆发迅速。【结论】由软硬件单元组构的虚拟植物根系三维空间几何构型的测试与分析方法是准确定量根系动态、根-土关系、根系拓扑特征、根系动态空间行为指标等作物根际生理生态行为的技术保障,其不仅直观展示了水稻土条件下冬小麦根系空间几何构型在不同时期的空间拓展状况,也能够定量根系构型的动态,因此能够满足作物根系三维空间几何构型分析的实用要求。

基于三维DLA和L-系统的草地早熟禾根系生长模型研究

针对草地早熟禾建模过程中根系建模难的问题,提出一种基于三维DLA的不定根系生长过程模型和一种基于带参数随机L-系统的一级侧根模型。前者以DLA分形理论为基础,以根的胚轴为生长中心,选取粒子的释放区域,建立分形状态的不定根系生长模型;后者依据草地早熟禾一级侧根的自然生长规律建立了一级侧根的随机L-系统生成元。最后在计算机上使用VC++和OPENGL对所建模型进行了三维模拟实现。结果表明,基于三维DLA模型和基于L-系统的一级侧根生长模型顺应草地早熟禾根系的生长发育规律,能够真实模拟草地早熟禾不定根系的生长发育过程。

群体行为影响的根系可塑性建模

依据根系生长发育过程中群体行为,构建了一种带偏好的群体交互模型,用于对虚拟根系可塑性的建模与仿真。视根尖作为根系群体中的智能个体。依据根尖个体对资源的竞争以及共享行为,构建根尖个体间交互模型。采用L系统构建简单动态根系生长模型,用于控制根系生长发育。结合群体交互模型与根系生长模型,在三种不同的土壤资源分布场景中分析群体行为对根系长度、根系在土壤中分布以及根系形态。结果表明群体交互影响下的根系生长能够感知土壤资源分布,并进行适应性的根系结构调整,从而为根系仿真提供一种简单的方法。