基于植物虚拟模型的玉米/大豆间作模式优化研究

摘要

农作物的间套作一直是国内外研究的一个热门课题，而间作距离是影响间作土地利用率的主要因素。因此，高土地利用率的间作距离受到广泛关注。在研究间作距离的工作中，传统的田间试验方法可以为间作距离的优化提供方向和参考，但是这种方法比较繁琐、需要长时间的田间观测和分析，无法快速且较有针对性地进行定量化的间种距离优化。因此，在间种距离优化过程中，如何进一步减少人工操作，自动且快速地得到指定域内的最佳种植距离，已成为该领域研究者比较关注的问题。
　　本文基于玉米/大豆间种的功能-结构模型，将优化算法应用在间种种植距离的优化方面，可以自动快速地得到光照截获量最大的距离组合，该距离视为最佳种植距离。本文可以为研究农作物间种模型的学者提供新的间种密植程度研究思路；还可以为用户提供间种密植的合理化建议，因而具有重要的理论意义和现实价值。本文的主要工作如下：
　　1.建立玉米与大豆的形态模型。首先，分析玉米与大豆的形态特征，并将玉米与大豆形态的各个器官分离出来；其次，根据器官的形态特点，并利用几何建模方法，绘制器官的三维形态，并提出了一种基于NURBS曲面的大豆豆荚建模方法；最后，利用XL语言描述玉米与大豆的拓扑结构，并可视化玉米/大豆的单株及间种的形态。
　　2.建立玉米/大豆间种的功能-结构模型。首先在玉米/大豆间种的形态结构的基础上，计算玉米/大豆冠层的光照截获量。在光照截获量的计算中，本文结合间种的形态结构特点利用GroIMP平台中的光照截获量的计算方法，计算叶片的光照截获量。然后，根据光照截获量，计算光合产物产生与分配对冠层中各器官生长的影响，研究器官重建对植株形态结构的影响。最后，结合冠层同化物的生产、同化物分配和器官生长三者之间的反馈关系，建立玉米/大豆间种的功能-结构模型，实现间种模式下对玉米/大豆的生长过程的模拟。
　　3.提出一种玉米/大豆间种种植距离优化方法。该算法基于玉米/大豆间种的功能-结构模型，在指定间种比例（如玉米与大豆的间种比例为1:2）下，利用穷举算法不断改变其相互之间的位置进而获得在指定阈内所有种植距离组合的光照截获量，并将该距离组合及其所对应的光照截获强导入表中，然后对表进行排序，从而获得指定域内光照截获量最大的距离组合。

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第1章 绪论

1.1 研究背景与意义

1.2 国内外研究现状

1.3 本文研究内容和组织框架

第2章 玉米与大豆的形态建模

2.1 玉米的形态建模

2.2 大豆的形态建模

2.3 间种可视化模拟

第3章 玉米/大豆间作功能-结构模型建模

3.1 两种作物间种功能-结构模型的建模方法探讨

3.2 建模过程

3.3 实验结果

3.4 结论与讨论

第4章 基于玉米/大豆间种的功能-结构模型的株距优化

4.1 间种模式的基本概念

4.2 基于功能-结构模型的单作的种植距离优化

4.3 基于功能-结构模型的间作的种植距离优化

4.4 实验结果

4.5 结论与讨论

第5章 结论与展望

5.1 主要工作

5.2 未来展望

参考文献

致谢

攻读学位期间参加的科研项目和成果