棉花形態建成模型及虛擬生長系統的構建

0棉田織物形態模型[研究意義]虛擬作物是作物生長模擬模型的進一步發展，它可以獲得植物生理生態過程和形態結構的平行過程的共同結果。通過三維動畫，整個模擬過程可以模擬植物的生長，并輸出植物的生理參數和關系。近年來，虛擬棉花已成為國內外研究的熱點問題，通過對棉花形態的可視化模擬，有助于加深棉花生長機理的研究，使人在更形象生動的環境中研究農業問題?！厩叭搜芯窟M展】目前，虛擬作物的研究主要是在形態模型的基礎之上，結合已構建的機理模型，借助計算機編程語言實現作物的可視化模擬，如郭新宇等、Fournier等、Drouet等分別采用不同方法對玉米進行三維重構，陳國慶等基于形態模型實現了小麥的虛擬生長，石春林等利用L系統結合器官幾何參數對水稻的形態特征進行可視化表達。棉花具有無限生長習性，器官種類多且結構復雜，國內外學者在其結構功能方面做了一定研究，如Room等基于開放式L系統構建的L-Cotton模型，對棉花的形態特征進行簡單模擬；Hanan等對該模型進行擴展，將其與OZCOT相結合，雖然能對形態的發生（尤其是棉鈴的生長）有較好的解釋，但對形態的描述不夠細致，且該方法缺少試驗數據的驗證；Jallas等以機理模型GOSSYM為基礎，通過干物質重計算各器官尺寸大小及角度，采用OpenGL技術實現了COTONS模型，考慮了不同株型對截光量的影響；楊娟等基于NURBS和VC++6.0建立了棉花可視化系統，該系統以實際測量數據進行模擬，但未考慮品種特性、環境因素和栽培措施等?！颈狙芯壳腥朦c】上述研究雖然取得了一定的研究成果，但未能反映棉花形態建成與品種、環境、措施等效應因子之間的關系，因此不能真實有效地虛擬棉花的形態特征以及模擬棉花的生長過程?！緮M解決的關鍵問題】本研究基于棉花品種、播期、氮素、水分和DPC化控等試驗，通過定量研究棉花形態建成與品種、環境和技術措施之間的動態關系，構建棉花形態模型，并進一步以VC++6.0為工作平臺，C++為開發語言，采用OpenGL技術實現棉花虛擬生長系統。通過簡單的人機交互，即可在微機上實現棉花器官、個體和群體的三維重構與虛擬顯示，真實感較強，為虛擬棉作的深入研究奠定了基礎。1棉花形狀模型1.1田間配合試驗試驗于2005-2006年在南京農業大學衛崗試驗站進行，采用盆栽方法。供試土壤為黃棕壤土，耕層土壤pH為7.5，含有機質17.8g·kg-1、全氮0.9g·kg-1、堿解氮74.6mg·kg-1、速效磷37.1mg·kg-1、速效鉀91.6mg·kg-1。試驗所用盆缽高55cm、直徑60cm，每盆裝土25kg，土壤經自然風干、粉碎、過篩去雜后裝盆，加水沉實。兩年試驗均于4月25日播種，出苗后每盆留生長一致的壯苗1株，7月25日打頂。其它管理措施按高產栽培要求進行。共設置5組試驗。試驗1：品種試驗。以德夏棉1號（特早熟品種，生育期100d，用Dexia-1表示）、美棉33B（中熟品種，生育期120d，用Meimian-33B表示）和科棉1號（中晚熟品種，生育期135d，用Kemian-1表示）為供試品種。每品種種植4盆。試驗2：播期試驗。以德夏棉1號、美棉33B和科棉1號為供試品種。設置4個（4月25日、5月25日、6月10日和6月22日）播期，每播期各品種種植4盆。試驗3：氮素試驗。以美棉33B為供試品種，根據240kgN·hm-2是南京地區棉花高產適宜施氮量的研究結果，設置3個氮素水平：0、2.7和5.3gN/pot（分別相當于0、240和480kgN·hm-2）。所用氮肥為尿素，均按基肥50%、花鈴肥50%施入。每處理種植4盆。試驗4：水分試驗。以美棉33B為供試品種，設置2個水平：一是正常灌水處理，土壤相對含水量（土壤相對含水量=土壤含水量/田間持水量）始終保持在75%左右；二是花鈴期干旱，即7月29日，將正常灌水的棉株停止灌水使其土壤含水量逐漸自然減少變旱持續8d，待棉株出現萎蔫癥狀時，復水至正常灌水水平直至收獲。每處理種植12盆。試驗5:DPC化控試驗。以科棉1號為供試品種，設置兩個處理：一是全程化控，全生育期使用DPC1.17mg/pot（相當于大田的105g·hm-2），蕾期、開花期、打頂后分別施用0.167、0.417、0.583mg/pot（相當于大田的15、37.5、52.5g·hm-2）；二是不化控。每處理種植3盆。試驗1～5自棉花出苗開始，每隔3d測量棉花主莖葉片和果枝葉片的長度、寬度和葉柄長度，主莖節間和果節的長度與直徑，棉鈴高度和直徑。直至上述各器官尺寸定長后停止測量。本試驗所用氣象資料由南京氣象局提供。1.2模型建設1.2.1器官形態模型棉花主莖葉、主莖葉柄和節間的生長隨GDD的增長呈S型曲線，可用Logistic方程定量描述。利用2005年試驗資料首先構建無氮素、水分、化控等脅迫條件下棉花分器官的形態模型，進而綜合考慮品種、氮素、水分、化控等因子，分別構建其效應函數，實現棉花上述器官形態變化的模擬。模型具體描述為：式中，f表示棉花某器官（主莖葉片、主莖葉柄或節間）實際尺寸大小（cm）;fGDD表示理想條件下的該器官尺寸大小（cm）;fN、fW、fP分別表示氮素、水分、化控因子的效應函數。fGDD的計算過程如下：式中，Lmax表示某器官類型尺寸最大值（cm）;f1(pos1)表示主莖葉位（pos1）的影響函數；c1,d1,e1,a1,b1為系數；GDD表示棉株自播種開始所累積的生長度日(℃·d);IniLGDD表示某器官出現所需的GDD(℃·d)。式中，LGDD表示棉花從播種至主莖葉開始出現所需的生長度日（℃·d）;PHYLLj表示棉花同類器官相繼出現所需的生長度日（即熱時間間隔），隨棉花品種與生育時期的不同而變化。每日有效積溫的積累可以表示成T平均溫度-T臨界溫度。T臨界溫度在棉花不同的生育時期有不同值：苗期為12℃，蕾期17℃，花鈴期19℃，吐絮期15℃。fW、fP、fN分別由下式計算：式中，Wa表示土壤實際含水量（%）；Wo表示土壤最適含水量（%）；DPCR表示DPC施用量（g·hm-2）;DADPC表示噴施DPC后天數（d）;SN表示土壤基礎供氮量（kg·hm-2）;RFN表示施氮量（kg·hm-2）;CURN表示氮肥利用率（%），計算方法為：式中，NBY和NCK分別表示施氮量為RFNO(kg·hm-2）、不施氮（CK）條件下棉花吸收的氮素（kg·hm-2）;TNP為高產栽培實際的需氮量（kg·hm-2）。利用2005年試驗數據，確定模型各系數值。為方便起見，器官形態模型表示為fs={c1,d1,e1,a1,b1}。式中，fs1～fs5分別表示主莖葉長、主莖葉寬、主莖葉柄長、節間長、節間粗模型。1.2.2模型的計算過程分析兩年試驗數據表明，德夏棉1號、科棉1號、美棉33B的果枝生長始節分別為第4、第5和第7主莖節位，定為品種遺傳參數。果枝上各器官的生長過程與主莖葉片相似，模型具體描述為：式中，f表示棉花某器官（果枝葉片、果枝葉柄、果節）實際尺寸大?。╟m）;fGDD＿f表示理想條件下該器官尺寸大小（cm）；其它符號意義同上。fGDD＿f的計算過程如下：式中，f2(pos2)、f3(pos3)分別表示果枝位（pos2）、果節位（pos3）的影響函數，a2、b2、c2、d2、e2、c3、d3、e3為模型系數；其它符號意義同上。利用2005年試驗測量數據，確定模型各系數值。為方便起見，器官形態模型表示為ff={c2,d2,e2,c3,d3,e3,a2,b2}。本研究所建模型數據如下：式中，PN表示鈴期棉株實際平均含氮率（%）；PN0表示鈴期棉株最適含氮率（%）；RWS表示花鈴期土壤平均含水量（%）。利用2005年試驗測量的棉鈴高度、直徑數據，確定模型系數。為方便起見，器官形態模型表示為fb={c2,d2,e2,c3,d3,e3,a2,b2}。式中，fb1、fb2分別表示棉鈴高度、直徑模型。1.3模型預測效果利用2006年試驗數據對上述棉花形態模型進行檢驗的結果表明（圖1），模型對棉花各器官的形態數據具有較好的預測性，棉花主莖葉片長寬、主莖葉柄長、主莖節間長粗、果枝葉片長寬、果枝葉柄長、果節長粗以及棉鈴高度、直徑模擬值與觀察值間的根均方差（RMSE）分別為0.85cm(n=117）、0.82cm(n=117）、0.87cm(n=120）、0.57cm(n=117）、0.086cm(n=117）、0.65cm(n=98）、0.74cm(n=107）、0.8cm(n=107）、0.73cm(n=130）、0.016cm(n=130）、0.36cm(n=110）、0.4cm(n=110），模型預測結果準確，效果較好。2棉鈴起始生長時間式中，ff1～ff5分別表示果枝葉長、果枝葉寬、果枝葉柄長、果節長、果節粗模型。1.2.3棉鈴形態模型分析兩年試驗表明，德夏棉1號、科棉1號、美棉33B的棉鈴起始生長時間不同，所需的GDD分別為455、513和526℃·d，生長過程與果節相似。模型具體描述為：公式（13）、（14）分別表示棉鈴高度模型、棉鈴直徑模型（未考慮化控因子影響），fGDD＿f形式與式（10）相同，fN＿f、fW＿f分別表示氮素、水分的效應函數：2.1葉片形態模型葉形態特征的可視化主要包括葉片伸展與葉色的虛擬顯示，棉花葉片主要有3種形狀（第1、2片主莖葉有1個裂片，第3、4片主莖葉以及果枝葉有3個裂片，第5片及以上主莖葉有5個裂片）。本研究基于拍攝的葉片照片，選取第2、4、10片主莖葉照片為典型的圖片，利用photoshop7.0勾勒出能夠反映葉片輪廓的控制點，借助NURBS曲面模擬葉片形狀，然后以GDD為主線，以葉片形態模型為基本算法，計算出葉片實際尺寸，再結合已繪制圖形進行縮放變形。圖2分別為美棉33B的第2、4、10片主莖葉的有效積溫達80℃·d時的虛擬顯示結果。2.2棉鈴繪制方法莖（節）的特點是外表呈柱狀，可利用二次曲面–圓柱體來構建其形態顯示模型（圖3）。以柱體的長度和上下底面的直徑分別表示莖（節）的長和粗，其取值可通過所建立的棉花節間形態模型（棉花果節形態模型）來獲得，將形態模型模擬的莖（節）長和粗數據轉化為顯示模型中各點的坐標，然后選擇合適的繪制模式進行繪制，實現莖（節）形態的可視化輸出。棉鈴繪制方法與葉片相似，繪制過程稍有差異，首先以NURBS曲面繪制出1/4形狀的鈴形，然后經3次90°旋轉，得到完整的棉鈴（圖3）。在此過程中，需要準確控制棉鈴最頂端以及最寬處的點坐標，以反映實際的鈴長和鈴寬，棉鈴長寬的取值可通過棉鈴形態模型來獲得。2.3真葉繞主莖或枝條旋轉角度在完成棉花器官形態特征可視化的基礎上，依據不同時期所拍攝的棉株圖像提取拓撲信息。本研究將相鄰葉片的水平夾角（真葉繞主莖或主枝旋轉的角度）設置為135°，垂直方向（葉柄與主莖或主枝的夾角）設置3個定值，分別為15°（GDD0≤50℃·d）、40°（50℃·d<GDD0<140℃·d）以及70°（GDD0≥140℃·d），其中GDD0=GDD-IniLGDD，在此基礎上利用函數rand()產生隨機因子，在[-15°，15°]范圍內波動。3系統設計3.1含成棉的含棉棉系統棉花可視化的實現是指棉花形態結構特征在計算機上的顯示與虛擬表達，即以不同器官之間的拓撲關系和形態模型為基礎，實現棉花可視化的生長過程。本系統主要用給定的參數和模型，通過計算機模擬出棉花靜態及動態的三維形態。其系統結構如圖4所示。系統由參數輸入、模型計算、存儲系統、結果輸出等部分組成。通過人機交互修改各影響因子參數值，然后調用形態模型為可視化模型提供形態特征參數，最后將結果以文本數據或圖像的形式輸出。3.1.1雙程式：學生虛擬生長數據庫中存有品種數據、土壤數據、氣象數據、棉花形態特征參數最大值以及初始化的最優栽培參數值，用戶即可在不輸入任何數據的情況下點擊按鈕直接實現棉花的虛擬生長，也可根據實際情況，修改品種、土壤和氣象參數值進行模擬。此外，系統還能對數據庫中品種參數等進行擴充，以實現不同地區、不同品種的顯示需求。3.1.2形態子模型研究模型庫是系統的核心部分，提供本系統運行所需的算法支持。包括主莖葉片形態子模型、主莖葉柄形態子模型、主莖節間形態子模型、果枝葉片形態子模型、果枝葉柄形態子模型、果節形態子模型和棉鈴形態子模型。其中葉片形態子模型包括葉片長寬和葉型、莖葉夾角等形態結構建成的模擬，主莖節間與果節形態子模型包括節長、節粗變化過程的模擬，棉鈴形態子模型包括鈴長與直徑變化過程的模擬。3.1.3接口人力資源部3.2棉株形態測試模塊設計棉花虛擬生長系統是一個功能綜合軟件系統，其主要的功能是棉花器官級的三維可視化展示以及植株、群體級顯示，用戶不但可以輸入具有農學意義的參數，以控制器官、單株的三維幾何造型，還能設置具體顯示規格如群體的株數等。具體輸出結果包括：(1）棉花形態特征參數及可視化(2）棉株可視化a.主莖、主莖葉片、主莖葉柄；b.主莖、果枝葉片、果枝葉柄、果節；c.主莖、果節、棉鈴；d.單株。(3）群體動態生長及多視角觀察3個模塊即相互獨立又有一定的關聯。其中單個器官顯示模塊通過對參數的設定可改變器官的形態。棉株個體由單個器官根據拓撲關系進行拼接而得，而群體又是由多個棉株個體組成。此外，系統設有數據管理及幫助模塊，其中數據管理主要是對數據庫中基礎數據進行維護（添加、修改、刪除）和查詢，幫助模塊主要提供系統的使用說明文檔，指導用戶正確操作與使用系統。同時，提供系統的開發研制單位與版權說明。4棉株圖的顯示和動態生長本研究采用Access2003數據庫，以VisualC++6.0為開發環境，利用C++和OpenGL圖形處理技術，實現了交互式的棉花虛擬生長系統。考慮到實際顯示需求，構建系統時，分別定義了單器官類和器官組合類，其中器官組合類中以涉及到的器官作為成員對象。單器官類包括：抽象類COrgan以及由其派生的主莖葉類、主莖葉柄類、主莖節間類、果枝葉類、果枝葉柄類、果節類和棉鈴類，器官組合類包括：主莖葉與主莖葉柄類、果枝葉與果枝葉柄類、果枝類（以果枝葉與果枝葉柄類、果節類、棉鈴類為成員對象）。每一類數據都封裝了數據獲取GetData()、模型計算Size()以及圖形顯示Draw()的成員函數。系統設置3個控制面板：“器官可視化”、“棉株可視化”以及“數據管理”，分別控制器官、棉株的顯示以及數據庫內容的維護。具體實現時，用戶根據實際需求，調用相應面板完成操作。圖5為“棉株可視化”面板完成的群體顯示結果。棉株動態生長過程主要是借助VC提供的OnTimer()函數完成。分別繪制各器官在幾個形狀變化明顯階段的圖形樣本，通過改變尺寸、調整空間位置和方向構造棉株圖形。圖6為棉株在苗期、蕾期和鈴期的三維圖形。5棉株形態模型的構建虛擬作物的研究從研究方向來看，主要包括形態結構的模擬、生理生態過程方面的模擬以及生理生態過程與形態結構的耦合。其中生理生態與形態結構的耦合是目前虛擬作物研究的主流趨勢，國內外均有相關學者進行研究。與玉米、小麥、水稻等作物相比，棉花結構復雜且葉片形狀多樣化，模擬研究存在一定的難度。本研究構建了以GDD為驅動變量的棉花形態模型，反映棉花形態特征參數與主要影響因子之間的關系，該模型較Room、Jallas、Hanan等建立的形態模型具有較好的廣適性和預測性，較楊娟等建立的棉花器官幾何模型機理性和動態性更強。與三角面片及Bezier曲面相比，用NURBS曲面建立的葉片虛擬顯示模型更易于描述棉花葉片邊緣的形態特征。本研究利用圓柱體來構建莖（節）的形態，與棉花形態模型結合，較好地實現了莖（節）生長過程的可視化表達。棉花形態模型的引入增加了系統運行結果的可靠性與科學性，且該形態模型的