土壤压实对作物地下组织构型作用建模与动态仿真

土壤与作物地下组织组成的根土系统建模是数字农业研究的基础之一。一般的虚拟植物根系模型多是通过对根系或其图像进行处理后得到根构型参数获得的，是对植物根系可认知构造的三维建模，未将土壤特性结合在模型中，难以适应农学上对复杂根土系统结构及功能进行动态仿真要求；特别是对作物生长情况检测、土壤性能评估中对作物地下组织构型功能的模拟分析，都需要参考作物生理和土壤物理等相关领域知识。本课题拟在根构型模拟模型研究基础上，结合与土壤压实对作物地下组织构型作用相关的领域知识建立知识库，根据先验知识来指导和约束在土壤压实作用下作物地下组织构型的模型构建并建立数字化根土系统动态仿真平台，继而研究运用领域知识来指导作物地下组织构型变化模型构建的基本方法，探讨土壤压实对作物地下组织构型与功能仿真的核心思路，对作物地下组织在不同土壤压实中生长情况进行交互时实动态仿真，获得栽培作物的合理土壤压实范围。

本课题在根构型模拟模型研究基础上，进行了有关研究。结合与土壤压实对作物地下组织构型作用相关的领域知识建立了知识库。利用领域知识方法进行数据挖掘，构建根系—土壤领域知识库，采用Apriori性质的多维关联规则，将复杂外界作用分解为单影响因子作用，基于OpenAlea 利用根系构型信息，建立根系构型模型并实现可视化模拟。以土壤压实为外界作用的单因素进行对比实验，结果表明该方法能速效完成根系生长的可视化模拟。根据先验知识指导和约束在土壤压实作用下作物地下组织构型的模型构建方法，建立了数字化根土系统动态仿真平台。一方面，采用体着色三维重建的方法获取变态根点云，提出并实现了去除变态根点云噪声、离群点和修补孔洞的预处理通道，并对预处理后的点云进行曲面重建，构建曲面模型，进而提取变态根的构型参数，对重建后的曲面模型进行可视化模拟。另一方面，利用基于图像的建模技术，采用不同视点处的图像建模，通过不同视点处稀疏分布的根系图像中对应枝干及其枝干中点的对应关系求解来重建根系三维模型系统，以作物根系为对象进行的实验结果表明该方法可行、有效，可为建立完整植株可视化系统提供参考。研究了运用领域知识指导作物地下组织构型变化模型构建的基本方法，探讨了土壤压实对作物地下组织构型与功能仿真的核心思路，针对作物地下组织的形态特征和生长特点，提出了一种基于形态特征参数的作物地下组织三维建模方法，用面向对象语言C++和Mesa图形库，建立了在Linux下基于FLTK的作物地下组织仿真系统，实现了作物地下组织生长过程的可视化动态仿真，不仅能生动地显示作物地下组织动态生长三维结构，而且还能揭示土壤压实对作物地下组织生长的作用。对作物地下组织在不同土壤压实中生长情况进行交互时实动态仿真，获得栽培作物的合理土壤压实范围。.　　该项目工作已基本完成了项目计划的各项相关研究内容，达到了项目目标，取得的成果超过了计划要求。目前该研究已取得46项成果，其中发表论文27篇，获得授权专利10个，获得相关硕士学位论文9篇。