植物根系生长的三维可视化模拟

利用模拟植物形态结构的L系统理论结合计算机图形学方法建立了模拟植物根系生长的三维可视化模拟系统。并利用随机参数L系统方法对豆科作物根系的生长过程进行了模拟。

冬小麦根系生长的三维仿真模拟

根据冬小麦根系分布的试验测量参数与生长规律,综合考虑根系生长的生理生态模型和虚拟植物模型,构造了描述小麦根系生长的动态模型.在已建立的根系生长模型基础上,运用分形几何理论与计算机图形学技术,对耕作土壤环境下冬小麦根系构型进行了三维仿真模拟.根据根系实测参数,对冬小麦根系生长模拟进行宏观控制,可以真实再现冬小麦地下根系部分的动态生长过程.

结构与功能反馈机制下根系生长向性模拟

借助于根系生长发育的功能-结构模型,模拟了根系生长的向地性、向水性与向肥性。研究中采用Voxel体元对根系生长的土壤区域进行离散化,并设定各Voxel元8个顶点的土壤含水量、养分浓度;采用根系功能-结构模型描述了不同生长周期下根系在三维土壤空间的生长;采用空间碰撞检测技术,确定各根元所占据的Voxel元,并以根元中点坐标与其所占据的Voxel元的各顶点距离倒数作为权重,计算根元生长区域的土壤平均含水量与养分浓度;利用三基点阻力法,计算得到土壤含水量、养分浓度对根元库强的校正系数,重新计算当前周期下根系可利用的生物量在组成根系的各根元中的分配,并调整根元的生长方向。最后,在设定的不同土壤含水量与土壤养分分布情景下,模拟了根系的空间生长与分布。模拟结果显示借助根系的功能-结构模型,在特定的情景下,能够模拟根系生长过程中的向地性、向水性与向肥性。根系在空间生长是一个复杂的过程,在特定的条件下,能够通过一定的农业措施,如灌溉、施肥,改变其空间生长与分布,使得作物高效地利用土壤水分、养分资源,从而实现可持续发展的生态农业。

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。

棉花根系生长发育的虚拟研究

采用GREENLAB植物功能-结构模型的原理构建了棉花根系模型。该模型以根系基本生长单元为基础,模拟了棉花根系的拓扑结构;根据不同类型的根个体获取生物量能力的不同,通过模拟不同根个体(库)对植株地上部分配给根系的生物量(源)的竞争,实现了生物量在根系中的分配;根据异速生长规则实现了根个体几何结构计算,从而模拟出根个体的轴向生长、径向生长。最后,根据根个体空间伸展规则与空间Voxel元技术,实现了棉花根系的空间结构的虚拟。

基于生长函数的大豆根系生长的三维可视化模拟

植物的可视化模拟与仿真能为植物生长研究提供直观、迅捷的科学研究方法。植物根系在生长介质中的三维空间造型与分布,对水分养分的利用具有十分重要的作用。为了避免植物根系生长环境的不可见性和次要因素的影响,定量地直观地研究根构型的适应性变化,将植物根构型的多个生长函数和植物根系的形态发生模型耦合起来,结合可视化方法,建立了植物根系生长的三维可视化模拟系统。以大豆根系为研究对象,根构型的生长函数采用前期研究已获得的三次多项式形式;形态发生模型采用微分L系统理论编译其生成规则;可视化方法采用一系列连接在一起并平滑处理的圆台代表根轴。系统设计成只需输入三次多项式形式的生长函数的系数,就可直观地、连续地、可控地获得该根系生长的可视化图形和根构型几何参数。

基于微分L-系统的水稻根系三维生长模型研究

植物根系结构是其根系的空间构型,水稻根系结构表现出高度的多样性。为了探明水稻根系结构和分布规律,利用水培法开展试验,测定不同生长时期的根系三维空间坐标和形态参数,对水稻根系结构进行高精度的测量。统计分析所测试验数据,确定了根节点的初始位置、各级枝根的生长方向以及根系的生长函数。通过整合水稻根系的拓扑结构,量化其生物学特征,提出基于微分L-系统的水稻根系三维生长模型,以描述水稻根系生长规律,并检验该模型输出结果的精度。借助Visual C++和Open GL标准图形库实现了水稻根系三维生长可视化模拟系统,直观再现了水稻根系动态的生长过程。对比分析表明,系统对总根长、根表面积和根体积的平均模拟拟合度分别为96. 82%、95. 86%和93. 96%。

植物根系竞争生长的三维可视化模拟

基于Simroot模拟系统的数学理论,结合Visual C++编程工具和OpenGL三维图形库技术,建立了一个虚拟植物根系竞争生长的三维可视化模拟系统。通过对作物大豆的根系竞争生长的模拟表明:本系统能够形象逼真地显现植物根系竞争生长的形态结构和生物特性,具有良好的通用性和适用性。

虚拟间作植物根系竞争生长的可视化系统研究

基于模拟根系形态结构的Simroot系统的几何建模理论,结合计算机图形学方法建立了虚拟间作植物根系竞争生长过程的三维可视化模拟系统。将间作大豆—玉米根系的生长参数输入模拟系统中进行模拟。结果表明,该系统能够形象逼真地显现间作植物根系竞争生长过程中的形态结构和生物特性。

与环境交互的根系动态生长可视化算法

为结合环境因素进行植物根系三维建模,分析根系生长机理,提出了一种模拟根系与环境交互的动态生长可视化算法。该算法以根尖与环境的交互为主导,首先计算每个根尖吸收到的养分含量,再根据内部资源分配机制并采用环境影响的缩放函数调节根尖的伸长率与侧根密度,同时结合所受到的向性与障碍物的阻挡因素,实时调整生长方向。提供了根茎形状与根系整体形态的控制方法,包括编辑根茎形状的模板曲线、设定资源分配权重和向性权重等。对不同类型的根系,以及不同土壤环境下(包括各种养分分布、障碍物与盆壁影响)的根系进行了模拟实验。实验结果表明,所提出的算法具有为多类植物根系建模的泛化能力,并且能够合理地表现与环境的交互过程。

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。

基于L系统的水稻根系建模与可视化

基于L系统研究水稻根系三维建模及可视化,动态模拟水稻根系生长过程.通过分析水稻根系结构及生长特性,定义了水稻根系生长模型,包括:(1)根尖、分枝、种子根发根节点和不定根发根节点模式字符串;(2)单根生长、单根分枝、产生种子根和不定根产生式;(3)产生种子根及不定根节点的公理.通过不断迭代模拟水稻根系生长变化过程,并利用L-studio实现水稻根系生长的三维可视化.同时将重力因子G和偏转因子D加入水稻根系生长模型中,考察上述两个因子作用下水稻根系的生长特性.通过实验可知当G≈0.3, D≈0.3时,水稻根系生长模拟结果比较符合实际情况,可为其他植物根系生长模拟与可视化研究提供参考.

基于形态参数的植物根系生长模型可视化构建

通过对植物根系的形态结构分析,提出了根单元的定义及其相关的建模参数,并进一步实现了基于根单元的根系拓扑结构。利用Unity3D父子对象逻辑及相关的消息传递机制,实现基于参数标定的根系三维建模架构。使用相对控制点路径、截面图形边界计算、空间平面坐标变换技术、Mesh三维网格算法实现了根系三维模型。层级树形结构与相对尺寸、相对时间的整合,实现了植物根系的生长仿真。结合Shader着色技术,完成了通过图像完成根材质建模,达到了真实仿真的效果。实现的根系模型具有智能设计、动态生长的特点,且不同的特征参数输入,可以实现不同种类的植物根系仿真,具有良好的通用性和适用性。

小麦根系三维形态建模及可视化

作物三维形态建模和可视化技术是数字植物研究的重要组成部分,本文旨在构建基于形态特征参数的小麦根系三维形态模型,并实现小麦根系生长的可视化.基于小麦根系生长的可视化技术框架,首先构建了小麦根轴的三维显示模型,包括根轴生长模型、分枝几何模型和根轴曲线模型;然后结合根系拓扑结构,确定相应的图元,利用根系形态模型输出的形态特征参数,对整个小麦根系进行三维重构;最后基于OpenGL图形平台,综合纹理映射、光照渲染、碰撞检测等真实感处理手段,实现了小麦根系生长的三维可视化表达.结果表明:模型输出的根系真实感较强,能较好地实现不同品种、水分和氮素条件下小麦根系的三维可视化表达.研究结果为进一步建立完整的可视化小麦生长系统奠定了技术基础.