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基于模型的水稻根系可视化研究

作　者: 徐其军
导　师: 曹卫星
学　校: 南京农业大学
专　业: 作物栽培学与耕作学
关键词: 水稻根系形态模型三维碰撞检测可视化系统
分类号: S511
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

虚拟根系是在计算机上以可视化的方式模拟根系在三维空间中的形态结构变化规律及其生长发育过程,是虚拟作物研究中的重要组成部分,在农学、生态学、虚拟教学以及提高虚拟作物生长研究整体水平具有十分重要的现实意义和广泛的应用前景。本研究旨在作物学、应用数学、计算机图形学、虚拟现实等众多学科的理论和技术的基础上,以水稻根系为研究对象,在借鉴国内外对作物根系模拟的研究方法,基于水稻根系生长的生理生态过程,构建了水稻根系形态模型；然后,基于计算机可视化技术,研究水稻根系几何模型、真实感绘制、根系间碰撞检测与响应等关键技术；最后,基于面向对象的程序设计与软构件技术,建立了基于模型的水稻根系可视化生长系统,实现了根系的逼真形象显示。研究结果将为进一步从整体上研究水稻植株的生长可视化奠定基础。将系统分析方法和几何建模技术应用于水稻根系的形态建模,通过分析水稻根尖生长随生育进程的变化模式,构建基于形态参数的水稻根系模型,进一步结合水稻根系拓扑结构,以生长度日(GDD)为驱动因子,建立水稻根系形态动态模型,包括不定根初始发生时间和位置、不定根初始伸展角度、不定根的伸长速率、不定根的空间分布等模型算法；将主茎总叶片数、主茎伸长节间数、初始生长坐标、初始生长向量、根数、根长、根最大横截面半径等设为模型的主要控制参数,能较好地描述水稻根系生长的动态变化过程,参数的生物学意义明确,且容易与水稻其它形态模型相耦合,为实现水稻根系的虚拟生长奠定了基础。针对水稻根系几何建模描述,选取点、线段和圆柱等基本图元实现了水稻根系的三维图形绘制。进一步利用计算机图形学的真实感图形显示技术,如光照处理、颜色渲染、纹理映射等对生成的水稻根系几何模型进行渲染处理,实现了具有较强真实感的水稻根系三维图形显示,并初步研究了根系间的碰撞检测及响应机制。最后,通过模型主要控制参数的确定,提出了水稻根系动态生长信息存贮的数据结构以及根系的绘制机理,为实现水稻根系生长的可视化提供了关键技术支撑。最后,本研究利用Visual C++编程语言结合OpenGL图形平台,采用Access 2000设计和管理数据库结构,在气象因子、品种参数和栽培措施等数据的支持下,通过耦合水稻根系形态几何模型和可视化模型,构建了基于模型的水稻根系可视化生长系统。该系统从单根和根系两个层次上初步实现了不同类型品种、水分和氮素条件下水稻根系形态生长的动态模拟和逼真显示。研究结果将有助于从整体上研究综合性的数字水稻生长系统,并促进虚拟农业技术的发展。

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摘要 8-10ABSTRACT 10-12第一章绪论 12-26 1 虚拟植物与虚拟根系 12-15 1.1 虚拟植物 12-13 1.2 虚拟植物根系 13-14 1.3 虚拟水稻根系 14-15 2 国内外虚拟根系研究进展 15-17 2.1 国外研究进展 15-16 2.2 国内研究进展 16-17 3 虚拟根系研究中存在的问题 17-19 3.1 根系与土壤环境间的生理生态机制 17-18 3.2 根系生长可视化的真实感技术 18-19 3.3 根系模型的验证与评价 19 3.4 虚拟根系与地上部的耦合 19 4 本研究的目的与意义 19-20 参考文献 20-26第二章技术路线与研究方法 26-34 1 研究思路与技术路线 26-27 1.1 研究思路 26-27 1.2 技术路线 27 2 资料来源 27-30 2.1 田间试验 27-29 2.1.1 试验材料 27-28 2.1.2 试验设计 28-29 2.2 数据获取及主要测试指标 29-30 2.2.1 生育期内温度 29 2.2.2 根条数 29 2.2.3 根长度、体积与表面积 29-30 2.2.4 根倾角 30 2.2.5 根重 30 2.2.6 根色 30 2.3 数据处理与分析 30 3 研究内容与方法 30-31 3.1 水稻根系三维几何建模 30 3.2 水稻根系形态可视化的技术框架 30-31 3.3 水稻根系可视化生长系统的开发 31 参考文献 31-34第三章基于形态参数的水稻根系几何建模研究 34-44 1 水稻根系形态及拓扑结构的描述 35-36 1.1 水稻根系构成 35 1.2 水稻根系拓扑结构 35-36 2 水稻单根三维显示模型 36-38 2.1 根节点初始位置的确定 36-37 2.2 根节点生长方向的确定 37 2.3 根轴的空间模拟 37-38 3 水稻根系的三维重构 38-41 3.1 不定根初始发生时间、位置与数量 38-39 3.2 不定根初始伸展角度的确定 39-40 3.3 不定根的伸长速率 40-41 3.4 不定根的空间分布 41 4 讨论与小结 41-42 参考文献 42-44第四章水稻根系可视化关键技术研究 44-58 1 OpenGL简介 44-46 1.1 OpenGL特点及功能 44-45 1.2 OpenGL工作流程 45-46 2 VC++结合OpenGL开发流程 46-47 2.1 系统框架设计 46-47 2.2 图形绘制的主要步骤 47 3 根系真实感绘制技术 47-52 3.1 根系的三维图形设计 47-49 3.1.1 空间坐标系的确定 47-48 3.1.2 基本图元的选取与实现 48-49 3.1.3 结果示例与分析 49 3.2 可视化渲染技术 49-51 3.2.1 光照处理 49-50 3.2.2 颜色渲染 50 3.2.3 纹理映射 50 3.2.4 结果示例与分析 50-51 3.3 根系间的碰撞技术 51-52 4 水稻根系可视化模型的建立及实现 52-55 4.1 模型参数的确定 52-53 4.2 模型的数据结构 53 4.3 根系绘制机理 53-55 5 讨论与小结 55 参考文献 55-58第五章基于模型的水稻根系可视化生长系统的构建 58-70 1 系统的组织结构与功能 58-61 1.1 模型库 59-60 1.1.1 生长模型 59 1.1.2 形态模型 59-60 1.1.3 可视化模型 60 1.1.4 场景控制 60 1.2 数据库 60-61 1.3 人机接口 61 2 系统的开发与实现 61-66 2.1 系统开发环境 61 2.2 可视化模型组件设计 61-63 2.2.1 交互模块的设计 61-62 2.2.2 渲染模块的设计 62-63 2.2.3 根系可视化模块组件的设计 63 2.3 系统功能模块设计 63-65 2.4 系统开发流程 65-66 3 系统的应用 66-67 4 讨论与小结 67 参考文献 67-70第六章讨论与结论 70-78 1 讨论 70-72 1.1 水稻根系三维几何建模 70-71 1.2 水稻根系生长的动态模拟 71-72 1.3 系统开发与设计的关键技术 72 2 本研究的创新与展望 72-74 2.1 本研究的创新与特色 72-73 2.2 今后的研究设想 73-74 3 结论 74 参考文献 74-78附录 78-84 Ⅰ 参数及变量说明 78-79 Ⅱ 图表清单 79-81 Ⅲ 根系绘制实现函数 81-84在学期间发表的论文与参加的研究课题 84-86致谢 86

基于模型的水稻根系可视化研究

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