基于模型的小麥根系可視化研究.pdf

1、虛擬根系是在計算機上以可視化的方式模擬根系在三維空間中的形態(tài)結(jié)構(gòu)變化規(guī)律及其生長發(fā)育過程，是虛擬作物研究中的重要組成部分，在農(nóng)學(xué)、生態(tài)學(xué)、虛擬教學(xué)以及提高虛擬作物生長研究整體水平具有十分重要的現(xiàn)實意義和廣泛的應(yīng)用前景。本文以小麥根系為研究對象，以生長度日(GDD)為驅(qū)動因子，基于不同試驗資料，初步構(gòu)建了小麥根系三維形態(tài)模型。然后，結(jié)合模型輸出的形態(tài)特征參數(shù)和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，利用三維幾何建模技術(shù)，構(gòu)建了小麥根軸的三維幾何模型，并實現(xiàn)對小麥根系的

2、三維重構(gòu)；基于OpenGL圖形平臺，利用紋理、光照、碰撞避讓等真實感顯示技術(shù)，實現(xiàn)不同條件下小麥根系三維形態(tài)的可視化表達(dá)；最后，利用組件化和可視化技術(shù)開發(fā)了數(shù)字化可視化的根系生長系統(tǒng)。研究結(jié)果為進(jìn)一步建立完整的可視化小麥生長系統(tǒng)奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。
　　 通過溫室桶栽和水培試驗對小麥根系形態(tài)建成進(jìn)行系統(tǒng)觀測，采用3Space Fastrak三維數(shù)字化儀和WinRhizo根系分析儀提取了小麥根系的長度、分枝根數(shù)、夾角等形態(tài)特征參數(shù)，利

3、用數(shù)學(xué)建模技術(shù)，結(jié)合植物學(xué)理論分析根系的拓?fù)湫纬梢?guī)律，構(gòu)建了小麥根軸的幾何形態(tài)模擬模型，包括根軸生長模型、分枝幾何模型和根軸曲線模型。
　　 基于已建立的根系幾何動態(tài)生長模型，應(yīng)用Visual C++和OpenGL圖形庫，結(jié)合小麥根系的基本模式，確定相應(yīng)的圖元；然后利用根系形態(tài)模型輸出的各個生長階段每條根軸及其根段的形態(tài)特征參數(shù)和相應(yīng)實測形態(tài)數(shù)據(jù)，創(chuàng)建根軸、根段及根軸類型等數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，編制遞歸算法計算根軸生長量并新建分枝根，完成根

4、系動態(tài)可視化生長，最終實現(xiàn)對整個小麥根系進(jìn)行三維重構(gòu)。利用三維圖形技術(shù)，綜合紋理映射、光照渲染、隨機抖動處理，并進(jìn)一步提出了根系間碰撞檢測的方法和相應(yīng)的響應(yīng)機制，實現(xiàn)對小麥根系生長分布的可視化模擬。
　　 基于小麥根系形態(tài)模型和可視化模型，利用組件化和可視化技術(shù)開發(fā)了數(shù)字化可視化的根系生長系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以模擬不同條件下小麥根系生長可視化，展示不同品種類型、不同水分、氮素處理下根系生長的動態(tài)過程。此外，系統(tǒng)還設(shè)置了圖像的編輯，縮放