專利名稱：基于生長模型的單莖植物數(shù)字化構建方法
技術領域：
:本發(fā)明涉及農業(yè)信息技術領域，尤其涉及一種基于生長模型的單莖植物數(shù)字化構建方法。
背景技術：
:隨著數(shù)字農業(yè)的快速發(fā)展，農林數(shù)字化技術逐漸應用于農業(yè)相關領域，如數(shù)字植物有利于植株株型的改良、對預測適宜植物生長的外部環(huán)境條件可提供直觀的科學依據等?！爸参飻?shù)字化”作為現(xiàn)代農業(yè)技術與信息技術相結合的有機體，是指將植物生長信息進行重構以便采用直觀的可視化方式在計算機上對其進行仿真。目前，現(xiàn)有的植物數(shù)字化方法多出于某一個方面目的而對植物進行仿真，如為了達到逼真的仿真效果而提出了一些靜態(tài)的虛擬植物方法或模型，然而，在對植物生長過程進行數(shù)字化仿真方面仍然沒有較好的模型或方法，如尚未形成如實反映單莖植物生長規(guī)律的植物數(shù)字化構建方法。1968年，美國生物學家Lindenmayer提出了 L系統(tǒng)理論，并成為植物形態(tài)數(shù)字化建模的一般框架，該方法主要通過語言描述規(guī)則和采用字符串迭代的形式對植物進行數(shù)字化模擬。在實際應用中該方法又逐步演變發(fā)展成為以下系列形式；上下文敏感的L系統(tǒng)(Context-sensitive L-system)以便對植物的根到葉(自下而上)以及葉到根(自上而下)的信息傳輸進行模擬；參數(shù)化的L系統(tǒng)(Parametric L-system)對植物生長發(fā)生的形態(tài)變化過程進行模擬；開放式的L系統(tǒng)(Open L-system)對植物與環(huán)境的交互作用過程進行模擬；時變L系統(tǒng)(Time-changing L-system)主要通過計算機動畫形式對植物生長過程進行繪制；隨機L系統(tǒng)(Stochastic L-system)通過產生給定參數(shù)對植物形態(tài)結構變化進行仿真。隨后又有很多專家提出生成植物圖形的各種方法和模型來模擬植物的生長過程，其中最具有代表性的是:20世紀90年代，Prusinkiewicz領導的加拿大Calgary大學虛擬植物實驗室對不同的L-system理論以及應用進行了綜述，對植物生長過程的模擬取得一些進展，但也僅限于對一些簡單的植物進行模擬，在模擬具體植物的生理生態(tài)特性方面存在不足；20世紀末，法國國際農業(yè)發(fā)展研究中心de Reffye等人開發(fā)了基于參考軸技術的AMAP植物生長軟件系統(tǒng)，該系統(tǒng)能對常見的23種類型的植物形態(tài)及其拓撲結構進行模擬，但在對植物的生理生態(tài)特性方面的模擬依然存在不足，大多數(shù)變化規(guī)律是基于經驗數(shù)據或基于美學觀點設置，與植物實際的生長規(guī)律難以建立聯(lián)系，尤其是無法真正模擬植物與環(huán)境之間的相互作用而導致的植物形態(tài)結構及其生態(tài)生理變化。采用L系統(tǒng)系列方法對植物進行數(shù)字化方面的不足之處:由于建模時未有效利用實驗觀測所得到的植物生長模型，所構建的植物數(shù)字化模型無法如實地反映植物生長機理，從而難以實現(xiàn)植物生長過程的計算機仿真，從而也無法通過植物數(shù)字化結果對不同外部環(huán)境條件下的植物生長發(fā)育進行預測
發(fā)明內容
:本發(fā)明的目的是提供一種基于生長模型的單莖植物數(shù)字化構建方法，它通過實驗觀測獲得植物生長模型，構建能如實反映植物生長機理的植物數(shù)字化模型，利用該模型實現(xiàn)植物生長過程的計算機仿真，從而依據植物數(shù)字化結果對不同外部環(huán)境條件下的植物生長發(fā)育進行預測。為了解決背景技術所存在的問題，本發(fā)明是采用以下技術方案:它采用以下步驟:
(I)對實驗觀測數(shù)據進行預處理，并利用SPSS統(tǒng)計軟件建立單莖植物的生長模型；(2)構建基于植株結構的同化物再分配模型；(3)對植株形態(tài)變化進行重構并建立單莖植物數(shù)字化模型；(4)對單莖植物進行數(shù)字化實現(xiàn)。本發(fā)明根據單莖植物的莖桿、葉面積指數(shù)、植株干物質量等均受累積生長度日變化影響，由此可以建立單莖植物的生長模型；在對單莖植株生長過程進行適度簡化后，構建基于植株結構的同化物再分配模型；建立節(jié)間、葉片和葉鞘的形態(tài)模擬模型，進而獲得基于同化物分配的植株形態(tài)構建模型；運用信息可視化技術對植株生長信息進行重構，建立單莖植物數(shù)字化模型；利用單莖植物數(shù)字化模型在計算機上實現(xiàn)了單莖植物生長的數(shù)字化顯示，并完成了不同外部環(huán)境作用下植株生長過程的仿真。本發(fā)明提供的方法，既能夠如實地反映不同外部環(huán)境條件下的植物生長過程，又能夠為預測適宜植物生長的外部環(huán)境條件提供直觀而科學的依據，具有較好的實用性。本發(fā)明通過實驗觀測獲得植物生長模型，構建能如實反映植物生長機理的植物數(shù)字化模型，利用該模型實現(xiàn)植物生長過程的計算機仿真，從而依據植物數(shù)字化結果對不同外部環(huán)境條件下的植物生長發(fā)育進行預測。


:圖1為本發(fā)明的技術方案流程圖；圖2為實施例中蘆葦在營養(yǎng)生長階段的節(jié)間數(shù)與累積生長度日關系圖；圖3為實施例中同化物的初分配和再分配虛擬流程圖；圖4為實施例中節(jié)間長度與直徑之間的指數(shù)曲線關系圖；圖5為實施例中形態(tài)系數(shù)μ e隨不同節(jié)序號的變化示意圖；圖6為實施例中形態(tài)系數(shù)Ve隨不同節(jié)序號的變化圖；圖7為實施例中不同株齡時節(jié)間密度隨節(jié)序號的變化圖；圖8為實施例中葉片長度與干重之間的對數(shù)曲線關系圖；圖9為實施例中葉鞘長度與干重之間的對數(shù)曲線關系圖；圖10為實施例中節(jié)間的縱向伸長和橫向增粗生長過程示意圖；圖11為實施例中節(jié)間上的形態(tài)特征點及其所在圓柱面的展開示意圖；圖12為實施例中節(jié)間形態(tài)結構信息圖形化算法流程圖；圖13為實施例中葉鞘的縱向伸長和橫向變化過程示意圖；圖14為實施例中葉片生長的形態(tài)變化示意圖；圖15為實施例中葉片上的形態(tài)特征點及其分布示意圖；圖16為實施例中葉片形態(tài)結構信息圖形化算法流程圖；圖17為實施例中虛擬植物生長的拓撲結構演變過程示意圖；圖18為實施例中植株的拓撲結構信息圖形化流程圖；圖19為實施例中虛擬植物生長數(shù)字化仿真系統(tǒng)工作原理圖20為實施例中氣象統(tǒng)計數(shù)據輸入文件格式圖；圖21為實施例中系統(tǒng)參數(shù)設置與數(shù)字化結果交互對話框示意圖；圖22為實施例中植株在其營養(yǎng)期內的生長數(shù)字化仿真結果圖；圖23為實施例中植株生長的拓撲變化數(shù)字化仿真結果圖；圖24為實施例中植株各位置器官生長到其最大周期數(shù)時的形態(tài)變化圖；圖25為實施例中葉片和葉鞘生長到最大周期時由枯黃到凋謝的過程圖；圖26為實施例中設置不同角度及比例系數(shù)后的葉片和葉鞘形態(tài)數(shù)字化結果圖；圖27為實施例中設置葉片的不同形態(tài)系數(shù)后植株生長數(shù)字化結果對比圖。
具體實施方式
:參照圖1，本具體實施方式
采用以下技術方案:它采用以下步驟:(1)對實驗觀測數(shù)據進行預處理，并利用SPSS統(tǒng)計軟件建立單莖植物的生長模型:具體包括:單莖植物莖桿高度、節(jié)間數(shù)隨累積生長度日變化關系模型；葉面積指數(shù)動態(tài)模型，即葉面積指數(shù)隨累積生長度日變化關系模型；植株的干物質量隨累積生長度日變化關系模型；植株干物質分配動態(tài)模型，即植株干物質分配隨累積生長度日變化關系模型；(2)構建基于植株結構的同化物再分配模型:在實驗時僅對地上部植株的生長進行觀測，對植株形態(tài)結構及生長過程進行適度簡化，并依據植株生長規(guī)則建立植株同化物再分配模型；(3)對植株形態(tài)變化進行重構并建立單莖植物數(shù)字化模型:建立節(jié)間、葉片和葉鞘的形態(tài)模擬模型，并依據基于同化物分配的植株形態(tài)構建模型，運用信息可視化技術對植株生長信息進行重構，由此建立單莖植物數(shù)字化模型；(4)對單莖植物進行數(shù)字化實現(xiàn):利用所構建的單莖植物數(shù)字化模型，在計算機上對單莖植物進行數(shù)字化仿真，并對仿真結果進行分析預測。本具體實施方式
根據單莖植物的莖桿、葉面積指數(shù)、植株干物質量等均受累積生長度日變化影響，由此可以建立單莖植物的生長模型；在對單莖植株生長過程進行適度簡化后，構建基于植株結構的同化物再分配模型；建立節(jié)間、葉片和葉鞘的形態(tài)模擬模型，進而獲得基于同化物分配的植株形態(tài)構建模型；運用信息可視化技術對植株生長信息進行重構，建立單莖植物數(shù)字化模型；利用單莖植物數(shù)字化模型在計算機上實現(xiàn)了單莖植物生長的數(shù)字化顯示，并完成了不同外部環(huán)境作用下植株生長過程的仿真。本發(fā)明提供的方法，既能夠如實地反映不同外部環(huán)境條件下的植物生長過程，又能夠為預測適宜植物生長的外部環(huán)境條件提供直觀而科學的依據，具有較好的實用性。本具體實施方式
通過實驗觀測獲得植物生長模型，構建能如實反映植物生長機理的植物數(shù)字化模型，利用該模型實現(xiàn)植物生長過程的計算機仿真，從而依據植物數(shù)字化結果對不同外部環(huán)境條件下的植物生長發(fā)育進行預測。實施例:列舉一種人工栽培的單莖植物——蘆葦為例，來說明本發(fā)明提出的基于生長模型的單莖植物數(shù)字化構建方法。該方案按以下五個步驟實施:第一步:建立單莖植物的生長模型通過實驗觀測獲得單莖植物的莖桿生長動態(tài)模型，即植株的莖桿高度、節(jié)間數(shù)隨累積生長度日變化關系模型；葉面積指數(shù)動態(tài)模型，即葉面積指數(shù)隨累積生長度日變化關系模型；植株的干物質量隨累積生長度日變化關系模型；植株干物質分配動態(tài)模型，即植株干物質分配隨累積生長度日變化關系模型。
由實驗數(shù)據經處理得到，人工栽培蘆葦?shù)那o高動態(tài)變化用Logistic曲線表示為:
「0043權利要求
1.關于生長模型的單莖植物數(shù)字化構建方法，其特征在于它采用以下步驟:(1)對實驗觀測數(shù)據進行預處理，并利用SPSS統(tǒng)計軟件建立單莖植物的生長模型；(2)構建基于植株結構的同化物再分配模型；(3)對植株形態(tài)變化進行重構并建立單莖植物數(shù)字化模型；(4)對單莖植物進行數(shù)字化實現(xiàn)。
全文摘要
基于生長模型的單莖植物數(shù)字化構建方法，它涉及農業(yè)信息技術領域。它采用以下步驟(1)對實驗觀測數(shù)據進行預處理，并利用SPSS統(tǒng)計軟件建立單莖植物的生長模型；(2)構建基于植株結構的同化物再分配模型；(3)對植株形態(tài)變化進行重構并建立單莖植物數(shù)字化模型；(4)對單莖植物進行數(shù)字化實現(xiàn)。它通過實驗觀測獲得植物生長模型，構建能如實反映植物生長機理的植物數(shù)字化模型，利用該模型實現(xiàn)植物生長過程的計算機仿真，從而依據植物數(shù)字化結果對不同外部環(huán)境條件下的植物生長發(fā)育進行預測。
文檔編號G06T17/00GK103093495SQ201110343838
公開日2013年5月8日 申請日期2011年11月4日 優(yōu)先權日2011年11月4日
發(fā)明者唐衛(wèi)東, 李萍萍, 劉昌鑫, 劉清 申請人:唐衛(wèi)東, 李萍萍, 劉昌鑫, 劉清