水稻三维形态生长模型构建的初步研究

摘要

近年来，植物模型的研究得到了迅猛的发展。本研究基于水稻生长发育规律，通过连续观测水稻地上部各器官的形态特征，综合研究了水稻生长发育的过程，结合植株相关生理过程，在GroIMP建模平台上初步构建了水稻三维形态生长模型。
　　 本研究在试验观测的基础上，系统分析了水稻植株的生长发育和形态结构变化规律。采用S型曲线模拟了叶片的叶长和叶宽之间的关系;通过测量叶片与叶鞘之间的角度，分析了主茎和分蘖上的切角变化以及切角和张角之间的关系，结合叶片长度提出模拟叶片中脉曲线的方法;采用一元二次方程描述了叶片叶面积和叶长之间的变化规律，并分析了主茎上叶片的SPAD值变化;对于叶鞘和节间的形态模拟，分别应用一元二次方程和指数函数模拟叶鞘和节间长与叶位间的变化规律。根据试验结果，采用幂函数模拟水稻叶面积和积累的生物量之间的关系;分析了主茎各叶片比叶面积在叶位间的差异，结果显示比叶面积和叶位呈一元二次方程的关系。此外用S型曲线模拟了水稻植株在整个生长过程中的生物量积累过程。
　　 本研究依据上述水稻形态模拟模型，同时构建了水稻的光合模型和源库模型，以Thornley光合模型模拟了水稻叶片的光合作用过程;源库模型中采用β函数方程计算植株各器官的库强，根据各时期器官库强的大小将光合作用获得的光合产物进行同化物的分配，调节植物的生长。利用GroIMP建模平台初步建立了水稻功能结构模型。模型基于RGG(Relative Growth Grammar)图形文法和拓展L系统(XL)建模语言，并兼容Java语言。模型中包含的形态结构和生理功能之间紧密联系并且相互影响，能够输出直观的水稻动态生长过程，具有一定的指导意义。
　　 本研究采用的功能结构模型是新兴的模型构建方法，拥有广阔的发展前景。本研究建立的植物模型整合了植物结构和生理过程两方面的信息，且具备良好的扩展性，将会有助于我们理解作物在复杂环境中的表现，将来会在实践中得到越来越多的应用。

目录

论文说明

声明

致谢

摘要

第一章 文献综述

1．1 虚拟植物及其研究意义

1．2 主要的植物建模方法

1．2．1 分形方法

1．2．2 粒子系统

1．2．3 L系统

1．2．4 分步生长

1．2．5 随机过程方法

1．2．6 其他方法

1．3 虚拟植物模型研究进展

1．3．1 植物生理生态模拟模型

1．3．2 植物形态结构模型

1．3．3 形态与生理过程结合的模型

1．4 本研究的意义

第二章 试验研究方法

2．1 研究方案及技术路线

2．2 资料获取及利用

2．2．1 试验处理

2．2．2 数据获取和测定方法

2．3 模型构建

第三章 水稻形态结构的模拟研究

3．1 材料和方法

3．1．1 试验材料

3．1．2 试验设计

3．1．3 试验方法

3．2 结果分析(形态结构描述)

3．2．1 叶片形态模拟

3．2．2 茎鞘形态模拟

3．2．3 水稻整株生物量的变化规律

3．2．4 叶片SPAD值的变化规律

3．3 讨论

第四章 水稻三维形态模型的构建及虚拟生长的初步实现

4．1 建模平台GroIMP介绍

4．2 模型的建立

4．2．1 光合模型简介

4．2．2 源库模型

4．2．3 形态模型

4．2．4 模型描述

4．2．5 模拟结果输出

4．3 讨论

第五章 结论和展望

5．1 结论

5．2 本研究的创新之处

5．3 存在问题和研究展望

参考文献