基于生物量的水稻地上部植株形态结构模型及可视化研究

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。本研究运用系统分析方法，结合水稻生长模型相关输出，基于生物量构建了水稻器官结构形态模型，以期为作物生长模型与形态结构模型的结合及功能结构水稻模型研究奠定基础。 在2007年和2008年江苏省农业科学院院部试验田试验观测的基础上，分析了四个品种水稻叶片叶角动态变化规律、叶长与叶宽关系以及主茎与分蘖同伸叶片的长度关系、比叶重随叶位变化规律。结果表明：叶角随叶龄发育可分四个变化阶段；叶长与叶宽的关系可用幂指数函数描述；比叶重随叶位变化可用二次曲线拟合。结合水稻叶片比叶重(Specific leaf weight，SLW)，构建了预测水稻叶片几何参数(叶长、叶宽)的动态模型。实测资料对横型的检验表明，叶长、叶宽的实测值与模拟值的根均方差(Root Mean Square Error，RMSE)分别为2.55cm和0.06cm，叶片几何属性模型可较好地模拟不同环境条件下水稻不同叶位叶片的几何属性。 同时，本文分析了水稻茎秆节间长度随节位变化以及叶鞘随叶位的变化规律，探讨了主茎与分蘖茎秆长的关系。结果表明，相对节间长度随伸长节间的变化规律可用幂指数方程描述，叶鞘长随叶位可用线性方程拟合。结合生长模型输出的生物量，构建了叶鞘、节间的形态建成模型，并利用试验资料对模型进行了可靠性检验，叶鞘、节间的实测值与模拟值的根均方差(RMSE)分别为1.82cm和3.35cm，模型预测效果较好。 此外，在连续观察不同品种、不同氮肥和密度条件下水稻穗结构的基础上，对水稻穗结构的特征进行了定量分析及参数化处理。结果表明；一次枝梗长与穗长之比随穗轴节位呈二次函数变化，不同品种类型之间的参数变异较大；一次枝梗上的二次枝梗数与一次枝梗长度呈线性变化；一次枝梗基本均匀着生于穗轴上，一次枝梗和二次枝梗的节间距离变化不大。进一步利用水稻生长模型输出的穗粒数和一次枝梗数模拟了二次枝梗的空间分布，独立试验资料的检验结果显示模拟效果较好，二次枝梗数的实测值与模拟值的均方根差(RMSE)为8个。 最后，运用虚拟植物中常用的L系统方法，结合水稻器官的形态特征，实现水稻叶片、叶鞘和茎秆的虚拟表达。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章 文献综述

1虚拟现实技术

1.1虚拟现实概念

1.2虚拟现实主要技术

2虚拟植物研究概述

2.1虚拟植物研究的定义与特征

2.2虚拟植物研究的主要内容

3水稻模型研究进展

4研究目的与意义

参考文献

第二章 研究思路与方法

1研究思路与技术路线

2资料来源

2.1田间试验

2.2试验数据获取

3模型的建立与检验

3.1建模方法

3.2模型检验

参考文献

第三章 水稻叶片形态模型及可视化表达

1资料分析与利用

2叶片特征分析

2.1叶片角度动态变化规律

2.2主茎不同叶位叶长与叶宽的关系

3基于生物量的水稻叶片主要几何属性研究

3.1比叶重随叶位变化规律

3.2模型原理

3.3模型检验

4分蘖与主茎同伸叶片叶长的关系

5水稻叶片可视化表达

6小结与讨论

参考文献

第四章 基于生物量的茎秆和叶鞘形态研究

1数据分析利用

2基于生物量的主茎茎秆和叶鞘形态模拟模型

2.1模型描述

2.2模型检验

3 讨论

参考文献

第五章 水稻穗形态结构的定量分析与模拟

1数据分析与利用

2穗结构特征及其定量关系

2.1稻穗基本结构特征

2.2穗结构的数量关系

2.3穗结构定量关系的检验

3小结与讨论

参考文献

附录

致谢