基于生理生态的水稻根系建模及可视化仿真研究

This project focus on the discipline among the morphological structure of rice roots based on ecophysiological parameters (effective accumulated temperature,nitrogen,water and light) in different rice growth stages,to establish a three-dimensional visualization model of single rice root based on the morphological structure changing of three tested rice cultivars which are popularized in Jiangxi province.The model consists of the sub-models of initial location and growth orientation of root node,and the spatial elongation curve of root axis.By integrating the topological structure of rice root,the whole three-dimensional visualization model of rice root was established using GDD as driving factor,including the sub-models of the initial emergence time and location,initial extension angle,elongation rate and spatial distribution of.adventitious root in rice.In order to achieve better realistic visual effects,further by using of realistic graphics display technology of computer.graphies,such as color rendering,illumination treatment and texture mapping,visualization of rice roots were realized.Preliminaxy studies on the rice root of collision detection and response mechanism was conducted.This research is the development and extension of modeling and visualization of dynamic crop morphology.It makes the rice crop model more complete,and it is expected to improve the feasibility and practicability of the rice model and rich crop modeling theory and visualization methods.

以江西地区推广生产的三个水稻品种为试验材料，探索水稻根系不同生育期的形态结构变化与其生理生态因子（有效积温、施氮量、水分和光照）之间的变化规律，构建水稻单根三维形态模型，包括根节点初始位置的确定、根节点生长方向的确定、根轴的空间模拟等模型；进一步结合水稻根系拓扑结构，以生长度日（GDD）为驱动因子，建立水稻根系三维形态模型，包括不定根初始发生时间和位置与数量、不定根初始伸展角度的确定、不定根的伸长速率、不定根的空间分布等模型；为使可视化仿真的效果更加逼真，利用颜色渲染、光照处理、纹理映射等对生成的水稻根系三维形态模型进行渲染处理，拟实现具有较强真实感的水稻根系三维图形显示，并初步研究根系间的碰撞检测及响应机制。本项研究将有望解决目前虚拟水稻可视化模型仅有形态结构模拟，而没有根系变化模拟的状况，使水稻三维动态可视化模型更加完整，提高模型的可行性和实用性；同时也能丰富作物建模理论和可视化方法。

水稻根系的三维建模和可视化研究对于根系提高养分利用效率和通过优化根-土壤相互作用来提高产量具有重要意义，同时为水稻精准管理栽培研究提供依据。由于受到土壤观测阻碍的影响，水稻根系三维形态的认知和表达一直是研究的重点和难点，也是根系深入研究难以突破的瓶颈。项目组围绕构建水稻根系的三维动态生长模型、模型的检验与结果分析、根系三维生长可视化、根系形态结构功能的辅助分析、根系与土壤环境耦合等方面展开研究，取得了如下重要研究成果。首先，利用水培法和根箱法开展试验，研究不同生长时期的水稻根系形态结构、动态生长与生理生态因子之间的相互关系，统计分析水稻根系的形态参数，量化其生物学意义和结构特征，基于水稻根系拓扑结构，构建水稻根系的三维动态生长模型；其次，计算模型总根长、总表面积、总体积、最大根宽、最大根深等指标，通过与实验测量数据对比分析，根系总长度、表面积和体积的模拟平均准确率分别为94.27%、93.68%和92.35%，最大根宽、最大根深的相关性较强。结果表明，该模型对水稻根系生长的形态结构具有较好的模拟效果；再次，以水稻根系三维动态生长模型作为算法基础，结合根系发根时间、发根位置、生长速度和生长方向等指标，并与L-系统文法相结合，根据根系生长的形态结构特点，对根系半径进行约束，借助MATLAB实现水稻根系三维生长可视化；然后，基于可视化模型量化不同土壤深度的根长分数、坚固度、凸包体积、根系表面积密度和体积密度等参数，进一步对根系三维表型进行分析，同时也为其他作物的根系建模及可视化研究提供参考；最后，构建一个基于参数L-系统的水稻根系三维生长模型，在三种不同情况下实现了根系-土壤的耦合，灵活性较高，通过可视化模型反映水稻根系在不同生长环境下的生长趋向。上述系统深入的研究，丰富并完善了作物建模理论和可视化方法，为智慧农业、虚拟植物、产品展示等相关的应用领域提供了技术支撑。