水稻形態(tài)建成模型及虛擬生長研究.pdf

1、虛擬作物基于作物結(jié)構(gòu)模擬技術(shù)和圖像表達技術(shù)，在計算機上以可視化的形式描述作物的生長狀態(tài)。虛擬作物可促進人們對作物生長過程的理解和感知，為分析作物結(jié)構(gòu)功能關(guān)系、設(shè)計理想株型、調(diào)控生長模式等提供技術(shù)支撐。本研究旨在運用系統(tǒng)分析方法，結(jié)合水稻生長模型相關(guān)輸出，建立水稻器官、個體與冠層的空間結(jié)構(gòu)與形態(tài)模型，進一步運用L系統(tǒng)技術(shù)，初步實現(xiàn)水稻器官、植株及冠層的虛擬表達，以期為構(gòu)建數(shù)字化、可視化作物生長系統(tǒng)奠定基礎(chǔ)。 首先，在試驗觀測的基礎(chǔ)

2、上，分析了水稻葉片平面形態(tài)特征、葉角動態(tài)變化規(guī)律、葉長葉寬關(guān)系以及主莖與分蘗同伸葉片的長度關(guān)系。結(jié)果表明：葉片寬度隨葉長方向可用二次方程進行擬合；葉角隨葉齡發(fā)育可分四個變化階段；葉長與葉寬的關(guān)系可用冪指數(shù)函數(shù)描述，不同品種類型水稻分蘗與主莖同伸葉片的葉長比隨分蘗葉序呈二次曲線變化。進一步利用上述關(guān)系與主莖分蘗葉片同伸原理，耦合水稻葉齡、葉面積和莖蘗數(shù)模擬模型，構(gòu)建了預(yù)測水稻葉片幾何參數(shù)(葉長、葉寬)的動態(tài)模型。利用實測資料對模型的初步檢

3、驗表明，葉片幾何參數(shù)分析模型可較好地模擬不同生長條件下水稻不同葉位葉片的幾何參數(shù)。 通過對水稻葉片的受力分析，推導(dǎo)了葉曲線方程，在對其影響系數(shù)進行參數(shù)化處理的基礎(chǔ)上，進行了方程求解。葉曲線方程的靈敏度分析顯示，方程較好地體現(xiàn)了葉長、葉寬、葉形、比葉重和葉片形變系數(shù)等參數(shù)對葉脈空間形態(tài)的綜合影響，與生產(chǎn)中水稻株型特征變化相一致。利用三維數(shù)字化儀獲得的不同品種類型水稻拔節(jié)期和孕穗期葉脈空間坐標(biāo)試驗數(shù)據(jù)對葉曲線方程進行了模擬分析，表明

4、葉曲線方程可以合理而可靠地定量描述水稻葉曲線特征的動態(tài)變化規(guī)律。 根據(jù)試驗資料，分析了水稻莖稈節(jié)間長度、粗度的變化規(guī)律以及主莖與分蘗葉鞘長、莖稈長的關(guān)系。結(jié)果表明，相對節(jié)間長度隨伸長節(jié)間的變化規(guī)律可用冪指數(shù)方程描述，節(jié)間粗度隨伸長節(jié)間數(shù)呈二次方程變化，分蘗與主莖同伸葉鞘長度比隨分蘗葉序呈二次曲線變化。在此基礎(chǔ)上，進一步結(jié)合生長模型株高、葉齡等輸出，構(gòu)建了葉鞘長度、節(jié)間長度的形態(tài)建成模型，并利用試驗資料對模型進行了可靠性檢驗。

5、 在連續(xù)觀察不同品種和不同施氮條件下水稻穗結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，對水稻穗結(jié)構(gòu)的特征進行了定量分析及參數(shù)化處理。結(jié)果表明：一次枝梗長與穗長之比隨穗軸節(jié)位呈兩次函數(shù)變化，不同品種類型之間的參數(shù)變異較大；一次枝梗上的二次枝梗數(shù)與一次枝梗長度呈線性變化；一次枝梗基本均勻著生于穗軸上，一次枝梗和二次枝梗的節(jié)間距離變化不大。進一步利用水稻生長模型輸出的穗粒數(shù)和一次枝梗數(shù)分析了二次枝梗的空間分布；根據(jù)穗軸受力平衡原理，推導(dǎo)了穗軸空間形態(tài)曲線。并利用利用試

6、驗資料對模型進行了初步檢驗。根據(jù)對文獻資料的綜合分析，明確了水稻種子根與各節(jié)位不定根的發(fā)根時間、數(shù)量、伸長速度、伸展方向等基本特征及影響因子，進一步提出了根系生長特征及根系構(gòu)型的定量模擬方法，并初步實現(xiàn)了水稻根系生長的虛擬表達。 在不同器官形態(tài)建模的基礎(chǔ)上，以節(jié)問及其著生葉或穗為單位，將整個水稻植株分解成若干生長單元，來描述水稻植株的冠層拓撲結(jié)構(gòu)；利用Logistic曲線模擬器官伸長過程；進一步根據(jù)器官伸長與葉齡發(fā)育的對應(yīng)關(guān)系，