水稻冠层雾滴沉积与传输机理的模拟与仿真

Models for accurately simulating pesticide droplet deposition and transmission mechanism in rice canopy can provide an effective and economic tool to optimize methods for spraying pesticide, adjuvant formulation, and spray parameters. However, the current studies on modeling of spray droplets deposition on crops are still very limited. Therefore, we are going to study the modeling and visualization of spray deposition and transmission on rice plant in this research project, from the points of canopy structures, characteristics of leaf-surface, physical and spatial characteristics, behavior analysis and deposition characteristics of droplets. The detailed contents of this research include: 1) to establish models that simulating the structure of rice canopy and spray of droplets; 2) to simulate the physical mechanisms of spray deposition and transmission within rice plant canopy, based on the analysis of the droplets' behavior before and after the collision happens; 3) to propose the tracing algorithm of droplets transmission path with high efficiency and low-cost; 4) to propose the algorithms to visually simulate and render the natural scenes of the interactions between rice canopy and droplets, which are based on hardware acceleration. Our studies will solve the problems in simulation of distribution and transmission of droplets within plant canopies, and can provide new methods and tools for some agricultural applications, such as precision pesticide in rice fields and optimization of spray parameters.

精确模拟水稻冠层农药雾滴的沉积以及传输机理的仿真模型，能为优化农药喷施方法、农药制剂配方和喷雾技术参数等研究提供一个有效而又经济的工具。针对目前国内外模拟作物冠层雾滴分布的研究还相当薄弱的现状，本项目拟选择重要粮食作物-水稻，从其冠层形态结构、叶片表面特性、雾滴的几何与物理特性、雾滴的行为分析与沉积特性等方面入手，研究水稻冠层空间雾滴传输路径以及分布状态的模型与可视化仿真算法。具体包括：1)研究水稻冠层结构模型和雾滴喷射模型；2) 基于对碰撞前后雾滴行为的分析，研究建立水稻冠层内雾滴沉积与传输机理模拟模型；3)研究高效、低成本代价的雾滴传播路径追踪算法； 4)提出基于硬件加速的水稻冠层与雾滴交互过程的可视化模拟算法。研究将解决水稻冠层雾滴分布与传输模拟研究中的若干难点问题，为探索稻田精准施药、喷雾技术参数优化等问题提供新的方法。

精确模拟水稻冠层农药雾滴的沉积以及传输机理的仿真模型，能为优化农药喷施方法、农药制剂配方和喷雾技术参数等研究提供一个有效而又经济的工具。针对目前国内外模拟作物冠层雾滴分布的研究还相当薄弱的现状，本项目选择重要粮食作物—水稻，从其冠层形态结构、叶片表面特性、雾滴的几何与物理特性、雾滴的行为分析与沉积特性等方面入手，主要研究了以下几个主要内容：我们首先研究了水稻株型的生物学描述模型及精确模拟水稻拓扑结构和几何结构的方法，提出了基于遗传算法的水稻株型优化算法，在此基础上建立了不同生长期虚拟水稻模型；建立了一种能模拟喷头喷雾效果的雾滴喷射模型，通过调节模型的喷雾压力、雾滴的直径、喷射速度、喷射方向和喷射高度等参数，模拟不同的喷雾场景；研究了基于虚拟模型的雾滴与叶片的交互行为分析方法，针对传统基于实验模拟雾滴与叶片的模拟行为只能在水平叶片上进行的局限性，改进了一种基于实验的液滴与植物叶片交互行为模拟，并提出一种新的计算液滴弹跳方向的方法；提出一种基于粒子系统方法与光滑粒子流体动力学方法（SPH）的喷雾模型构建方法；设计了水稻形态仿真可视化系统，对水稻冠层雾滴分布以及雾滴与冠层叶片动态交互过程进行了模拟与可视化展示；此外，我们还研究了不同作物间作株行距优化方法，以及植物形态结构相似度比较方法。通过本项目的实施，发表与本课题内容相关的学术论文12篇（国内核心期刊上发表6篇，国际学术期刊3篇，国际学术会议发表3篇）。申报发明专利3件，授权发明专利1件，获得计算机软件著作权登记证书3件。在研究生培养方面，目前已毕业硕士研究生6人，另有2名硕士生在读。本课题负责人及项目组成员参加国际国内学术会议十余次。本课题组所取得的研究成果，达到任务书有关技术水平的要求以及各项具体指标。本研究在水稻冠层雾滴分布与传输模拟理论和方法以及虚拟植物建模等方面，取得了一系列创新性研究成果，具有重要理论意义和广阔应用前景。