基于生理生态水稻叶色建模及可视化仿真

This project focus on the discipline among the color changes of rice leaves in different rice growth stages, physiological parameters (SPAD, concentration of chlorophyll and lutein) of rice and ecological parameters (Effective accumulated temperature, photosynthetically active radiation ,nitrogen, water and) of rice, to establish a new model of the relationship between leaf color and physiological and ecological parameters, then produce a visual emulation based on the color changing of three cultivars of early rice which are popularized in Jiangxi province. The model consists of six sub-models, which including leaf color - SPAD model, leaf color - chlorophyll and lutein concentration model, leaf color - effective accumulated temperature model, leaf color - photosynthetically active radiation model ,leaf color -nitrogen model, and leaf color - water model; In order to achieve better realistic visual effects，the existing research result has been improved, The three-dimensional morphological model of carrier leaves of leaf color of rice is developed according to the spatial distribution of leaf color algorithm; The visualization model includes single rice leaf model , each leaf of rice main stem model and each tiller model. This research is the development and extension of modeling and visualization of dynamic crop morphology. It makes the rice crop model more complete，and it is expected to improve the feasibility and practicability of the rice model and rich crop modeling theory and visualization methods.

本项目以水稻叶色为研究对象，以江西地区推广生产的三个早稻品种为试验材料，探索水稻不同生育期叶片的颜色变化与其生理因子（相对叶绿素含量SPAD、色素含量）和生态环境因子（有效积温、光合有效辐射、氮肥、水份、）之间的变化规律，建立叶色与生理生态参数之间的关系模型，并实现可视化仿真。该模型包括水稻叶色与相对叶绿素含量SPAD、色素含量、有效积温、光合有效辐射、叶片含氮量、叶片含水量等六个子模型；为使叶色达到可视化仿真逼真的效果，本研究在课题组已有的研究成果基础上，对叶色的载体叶片进行三维形态建模，着重研究叶片上颜色空间分布的算法；建立单叶片叶色、主茎上各叶位叶片的叶色和植株的分蘖叶色等三种尺度的叶色可视化仿真模型。本项研究将有望解决目前虚拟水稻可视化模型仅有形态结构模拟，而没有叶色变化模拟的状况，使水稻三维动态可视化模型更加完整，提高模型的可行性和实用性；同时也丰富了作物建模理论和可视化方法。

以两个水稻生产推广品种为试验材料，研究了水稻不同生育期主茎叶色变化与其生理因子（RGB组分、叶绿素a、叶绿素b、类胡萝卜素Cx和相对叶绿素SPAD等）和生态环境因子（有效积温、氮素水平）之间的变化规律，建立了基于生理生态的水稻叶色模型及可视化仿真,实现了项目资助计划书的研究目标。该研究所做的工作和取得的成果概述如下:（1）获取水稻叶色生理参数。该研究在大田开展了两年的重复水稻试验样本栽培，获取的叶色生理参数有：叶色RGB组分、叶绿素a、叶绿素b、类胡萝卜素Cx和相对叶绿素SPAD值等。（2）研究了水稻叶色与其生长环境因子间的关系。根据观测数据拟合出叶绿素总量CT和SPAD值与有效积温和氮素水平等环境因子间的关系曲线，探明了水稻叶色生理参数与环境因子间的关系。（3）建立了多个叶色生理生态子模型。采用回归分析法与曲线拟合法建立了水稻叶色RGB组分与叶绿素总量CT的关系模型、RGB组分与相对叶绿素SPAD值的关系模型、水稻冠层各叶位的RGB值与叶绿素的关系模型等多个叶色生理生态子模型。（4）建立了基于生理生态的水稻叶色模型,并实现了可视化仿真。该研究包括建立水稻叶片的三维空间模型和建立水稻叶色的生理生态模型及可视化仿真两部分。对于水稻叶色模型的可视化仿真研究了两种算法，算法一：根据RGB组分与叶绿素的关系模型进行线性插值分析。对叶绿素含量随叶片表面空间和时间的变化分析，利用线性插值原理计算出叶片不同部位的叶绿素值，根据水稻叶色RGB组分与叶绿素含量的关系模型计算生成叶片的RGB值，在计算机上调用微软的 Direct3D9.0图形函数库和 vc++编程，在水稻叶片三维空间模型上实现了水稻叶色变化过程的可视化仿真。算法二：利用双向反射分布函数建立叶色渲染方程。利用双向反射分布函数BRDF分析水稻材质的颜色分布情况，求得叶色渲染方程，将RGB与叶绿素的关系式作为渲染方程的参数进行计算，在计算机上由OpenGL通过编写着色器程序和调用相关函数对水稻叶片表观颜色进行渲染，从而实现水稻叶色模型的可视化仿真。. 公开发表研究论文18篇，其中1篇SCI 收录，4篇ISTP收录，7篇EI 收录，4篇核心期刊；项目组主要研究人员参加相关的国际学术交流会共17人次；利用该项目培养了硕士研究生5人。该研究成果提出的水稻叶色建模方法，丰富了植物建模的理论，完善了虚拟水稻三维可视化模型