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油菜植株形态结构模型及可视化

作　者: 岳延滨
导　师: 曹宏鑫；朱艳
学　校: 南京农业大学
专　业: 作物栽培学与耕作学
关键词: 油菜效应因子形态结构模型虚拟显示模型 GDD OpenGL
分类号: S565.4
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

虚拟作物是对作物在三维空间中的形态结构与生长过程的计算机仿真,是植物学家进行模拟研究的重要工具。它是计算机技术在农业中应用的一个方面,也是作物栽培、作物生理生态和作物育种研究的一个新方向。虚拟作物可促进人们对作物生长过程的理解和感知,为分析作物结构功能关系、设计理想株型以及调控生长模式等提供技术支撑。本研究在综合国内外相关研究成果的基础上,以油菜为研究对象,基于2007—2008和2008-2009年不同品种和氮素水平试验,运用系统分析原理和数学建模技术,综合油菜各个器官形态生长过程与主要环境影响因子间的定量关系,构建了基于生长度日(GDD)的油菜主茎叶片、分枝叶片、主茎、分枝、花柄、花蕾和角果形态结构模型。应用面向对象编程设计技术,在Visual C++平台上引入OpenGL技术,构建了油菜花朵和角果的虚拟显示模型。主要研究结果如下：1.建立了主要效应因子模型运用数学建模方法,构建了温度、氮素等效应因子模型,该系列效应因子模型能较好解释和响应各因子对油菜器官形态生长动态的影响。2.建立了油菜营养器官形态结构模型根据2007—-2008年试验数据,以Logistic方程为基础,在考虑氮素影响的基础上,构建了以GDD为驱动变量的油莱主茎和分枝叶片长度、宽度、叶柄长度及主茎高度、粗度和分枝长度形态建成的动态模型。利用2008—-2009年试验资料对所建模型进行了检验,结果表明,油菜主茎叶片、分枝叶片、主茎和分枝各个器官形态结构模型的根均方差(RMSE)值分别为1.212cm (n=265)、0.791cm (n=265)、0.467cm (n=194)、0.307cm (n=60)、0.218cm (n=60)、4.234cm (n=87)、0.091cm (n=87)、2.811cm (n=60),油菜器官形态建成的模拟值与观测值具有较好的吻合度,说明模型具有较好的预测性和准确性。3.建立了油菜生殖器官形态结构模型在2007—-2008年试验的基础上,系统分析了温度、氮素对油菜花柄、花蕾和角果形态发生的影响,量化了温度、氮素与各器官形态建成的关系,构建了基于GDD和Logistic方程的花柄、花蕾和角果形态建成的动态模型。利用2008—2009年盆栽试验资料对所建模型进行了检验,结果表明,花柄、花蕾、主轴角果、一次分枝角果、二次分枝角果的长度和宽度的模拟值与观察值之间的RMSE值分别为0.167cm(n=60)、0.06cm (n=60).0.047cm (n=60)、0.012cm (n=60)、0.402cm (n=285)、0.033cm (n=285).0.449cm (n=285)、0.037cm (n=285)、0.464cm (n=285)、0.039cm(n=285)。说明花柄、花蕾和角果形态建成的模拟值与观测值具有较好的吻合度,所建模型具有较好的预测性和准确性。4.建立了油菜花朵和角果虚拟显示模型基于油菜花柄、花蕾和角果形态结构特征,利用OpenGL函数和二次曲面分别构建了油菜花柄、花蕾和角果的虚拟显示模型。在此基础上,结合油菜花朵的拓扑结构和角果的群体形态特征,实现了油菜花朵开放过程的动态模拟和角果群体的形态可视化。虚拟显示结果表明：真实感基本达到要求。

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摘要 7-9ABSTRACT 9-11第一章文献综述 11-29 1 作物生长模型研究概述 11-14 1.1 作物生长模型的概念及特点 11-12 1.2 作物生长模型研究进展 12-14 2 虚拟植物模型研究概述 14-18 2.1 虚拟植物的概念与特征 14-15 2.2 虚拟植物模型研究进展 15-18 2.2.1 植物冠层形态结构模型及可视化研究进展 15-18 2.2.2 植物根系形态结构模拟及可视化研究进展 18 3 油菜生长模拟进展 18-20 4 研究目的与意义 20 参考文献 20-29第二章研究思路与方法 29-34 1 研究思路与技术路线 29 1.1 研究思路 29 1.2 技术路线 29 2 资料来源 29-32 2.1 田间试验 30-31 2.2 试验数据的获取 31-32 2.2.1 叶片 31 2.2.2 叶柄 31 2.2.3 主茎 31 2.2.4 分枝 31 2.2.5 花蕾 31-32 2.2.6 角果 32 2.2.7 整体形态 32 2.2.8 温度 32 2.3 资料分析与利用 32 3 模型的建立与检验 32-33 3.1 建模方法 32-33 3.2 模型检验 33 参考文献 33-34第三章油菜植株营养器官形态模型的构建 34-52 1 模型的描述 34-35 2 主要效应因子的确定 35-36 2.1 温度 35-36 2.2 氮素 36 3 模型的构建 36-47 3.1 主茎叶片形态结构模型 36-42 3.1.1 叶片长度 36-39 3.1.2 叶片宽度 39-40 3.1.3 叶柄长度 40-42 3.2 分枝叶片形态结构模型 42-45 3.2.1 分枝叶片长度 43-44 3.2.2 分枝叶片宽度 44-45 3.3 主茎形态结构模型 45-47 3.3.1 高度 45-46 3.3.2 粗度 46-47 3.4 分枝形态结构模型 47-48 3.4.1 分枝长度 47-48 4 模型检验 48-50 5 小结与讨论 50-51 参考文献 51-52第四章油菜植株生殖器官形态建成动态模型研究 52-63 1 模型的描述 52-53 2 模型的构建 53-59 2.1 花朵形态模型的构建 53-56 2.1.1 花柄长度 53-54 2.1.2 花柄宽度 54 2.1.3 花蕾长度 54-55 2.1.4 花蕾宽度 55-56 2.2 角果形态模型的构建 56-59 2.2.1 角果长度 56-59 2.2.2 角果宽度 59 3 模型检验 59-61 4 小结与讨论 61-62 参考文献 62-63第五章油菜植株生殖器官虚拟显示模型研究 63-72 1 油菜花朵可视化实现 63-69 1.1 OpenGL程序框架构建 63-64 1.2 油菜花朵器官显示模型 64-67 1.2.1 花柄 64-65 1.2.2 花萼 65 1.2.3 花瓣 65-66 1.2.4 花蕊 66-67 1.2.5 蜜腺 67 1.3 真实感显示处理 67-68 1.3.1 颜色渲染 67 1.3.2 光照处理 67-68 1.4 油菜花朵开放过程的动态模拟 68-69 2 油菜角果可视化实现 69-70 2.1 油菜角果显示模型 69 2.1.1 果柄 69 2.1.2 果身 69 2.1.3 果喙 69 2.2 角果群体的可视化 69-70 3 小结与讨论 70 参考文献 70-72第六章讨论与结论 72-79 1 讨论 72-74 1.1 主要效应因子的确定 72 1.2 油菜器官形态模型 72-73 1.2.1 油菜营养器官形态模型 72-73 1.2.2 油菜生殖器官形态模型 73 1.3 油菜器官虚拟显示模型 73-74 1.3.1 油菜花朵虚拟显示模型 74 1.3.2 油菜角果虚拟显示模型 74 2 本研究的特色与创新 74-75 3 今后的研究设想 75-76 3.1 油菜各个器官形态空间生长过程的动态模拟 75 3.2 油菜各个器官形态空间衰老过程的动态模拟 75 3.3 油菜营养器官及植株的虚拟显示 75-76 3.4 油菜器官虚拟显示模型的真实感有待进一步加强 76 4 结论 76 参考文献 76-79附录 79-85 1 符号与参数说明 79-83 2 读研期间发表与撰写的论文 83-85致谢 85

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