基于生理生态的虚拟水稻三维动态建模及可视化表达

基于生理生态的水稻生长发育过程形态结构三维动态建模及可视化表达，是数字农业研究中一个迫切需要解决的重要课题，是虚拟水稻研究的核心内容。本项目研究的主要内容是：（1）在采集水稻植株拓朴结构和器官几何形态结构变化数据的同时，获得与之相对应的生理生态数据，并利用定量统计分析等方法进行数据处理；拟采用生长函数描述水稻器官在生理生态参数影响下，随生长度日（GDD）动态变化关系。（2）以生理生态环境因子为输入参数，计算水稻器官几何形态特征参数，建立器官形态结构动态模型。（3）根据累积生长度日GDD和某GDD时刻的水稻器官形态结构动态模型，按照水稻植株拓扑结构，利用图形学技术，构建水稻植株形态结构三维动态模型。（4）采用面向对象方法，在Vc++6.0编程集成环境中，用OpenGL图形函数库，开发水稻生长三维可视化系统，对模型进行试验。

本项目以江西地区推广种植的早稻金优402、中嘉早17和株两优16等三个品种为试验材料，采用数字图象处理技术和人工测量两种手段获取建模数据。基于试验数据，并根据水稻生长规律和生理生态特征，建立了主茎叶龄有效积温模型、主茎叶器官三维形态模型（包括：叶长与叶位关系模型、叶长有效积温模型、叶宽与叶长关系模型 、茎叶夹角有效积温模型、叶鞘长度有效积温模型和叶鞘长度与叶位关系模型等），对建立的叶器官模型进行了检验，检验的结果RMSE值分别为：叶龄有效积温模型为20%，叶长与叶位模型为11.66%， 叶长积温模型为6.1% ，叶长叶宽模型为9.09%，茎叶夹角模型16.8%。叶器官模型检验的结果表明，模拟值与实际观测值一致性较好。为了构造水稻植株的拓朴结构模型，建立了叶龄与分蘖关系模型、水稻主茎和叶鞘的三维形态模型，稻穗三维形态模型，对水稻的根系也进行了建模研究，建立了根系的三维形态可视化模型。开发了虚拟水稻三维可视化系统，实现了虚拟水稻动态生长的三维可视化表达。. 该项目取得了如下研究成果：虚拟水稻生长可视化系统软件；发表了标注 “国家自然科学基金资助”的研究论文4篇：① 基于积温变化的水稻叶形态伸展过程可视化模拟[J]，②植物叶片渲染方法研究进展[J]，③Simulation and Implementation of Photosynthetic process based on MIS[C]．④ STUDY ON MORPHOLOGY AND GROWTH EQUATION OF RICE LEAVES BASED ON VISUAL SIMULATION OF RICE GROWTH[C]．标注“资助”的学位论文3篇：①基于计算机视觉的水稻植株三维重建[D]．②基于计算机视觉的水稻植株形态测量的研究[D]．③水稻生产智能决策支持系统模型库的研究[D]。