土壤微观孔隙结构及团聚体结构三维建模仿真研究

With the development of precision agriculture, the research of virtual plant growth and the modeling and simulation of virtual plant roots is deepened. As the growth environment of plants, the 3D simulation and visualization of soil is an important part of digital agriculture and has an important significance to the digital agriculture. Combining with the traditional soil analysis method, computer graphics and image processing methods, the soil pore structure and 3D model will be analyzed in this project, and the virtual simulation model of soil porosity will be established, and the soil pore rapid generation method of three-dimensional network structure and visual analysis will be studied. Second, We will analyze the soil colloidal aggregation theory, study the model and virtual simulation algorithm of soil colloidal aggregation process, realize the 3D dynamic simulation and visualization of soil colloidal aggregation, and analyze the static structure and fractal characteristics of condensates. Third, in this project, we will also explore the response mechanism of the soil colloidal aggregation dynamics process, and compare the simulation results with the actual results of the actual soil environment factors to verify the correctness of the factors of the model. This research attempts to provide new ideas and methods for the virtual simulation of soil, to provide a new approach for soil physical properties, soil properties and its effect on crop growth and the research of virtual plant simulation.

随着精准农业研究的深入，虚拟植物生长、虚拟植物根系建模与仿真等方面研究的深化，土壤作为植物的生长环境，土壤的三维仿真与可视化研究是数字农业的重要组成部分，对数字农业有重要意义。本项目将传统土壤研究方法与计算机图形学、图像处理方法相结合，分析土壤孔隙三维模型及结构形态，建立土壤孔隙虚拟仿真模型，研究快速生成土壤孔隙三维空间网络结构的方法并进行可视化分析；分析土壤胶体凝聚理论，研究土壤胶体凝聚过程的构建模型和虚拟仿真算法，实现土壤胶体凝聚的三维动态化和可视化模拟，并分析土壤团聚体的静态结构和分形特征；探索土壤胶体凝聚动力学过程的响应机制，将模拟仿真结果与实际土壤环境因素的实际结果作对比，验证模型中影响因素的正确性。本项目研究试图为虚拟土壤仿真模拟提供新思路和方法，为土壤物理属性、土壤性能及其对作物生长影响、植物虚拟仿真应用研究提供新的途径与方法。

土壤是农业的基础，是植物生长繁育和生物生产的重要环境。目前精细农业、精准农业的研究与应用深入，植物生长、植物根系建模与仿真等方面的研究也不断深化，而土壤的数字化及微观结构建模与仿真的研究相对较少。本项目研究土壤孔隙结构的三维特征及三维结构建模与可视化；研究土壤胶体凝聚过程，利用三维可视化模拟技术，实现土壤胶体凝聚的动态化和可视化；研究土壤胶体凝聚形成的凝集体的静态结构及分形特征、几何特征等。项目研究主要取得以下成果：（1）利用土壤显微图像获得土壤孔隙三维形态及参数，计算土壤孔隙的二、三维分形维数，结合形态学、图形学相关技术，设计实现了基于分形及动态过程建模方法的土壤孔隙三维结构的生成仿真算法。（2）通过研究土壤胶体粒子存在状态、粒子相互作用发现胶体凝聚的动力学规律，提出土壤胶体凝聚过程的构建模型和仿真算法，实现土壤胶体凝聚的快速、慢速动态凝聚的模拟。（3）采用矢量场表征土壤胶体动态凝聚过程。在矢量场可视化中提出了一种动态确定积分步长和插值方式的线积分卷积方法，该方法速度较快，得到的纹理更加清晰，对比度更强。（4）提出了一种基于临界点和网格点的动态种子布局算法，该算法能很好地显示矢量场的特征信息，使流线分布均匀，并允许流线长度较长。（5）表面网格模型是表达三维几何的重要方法，为表征土壤凝聚体结构，提出了一种基于无组织点云边缘生长的网格曲面重建方法，在不引入孔洞和缝隙的情况下，重建效果良好。（6）土壤表面结构建模可采用高精度结构光三维扫描方法，提出了一种结合高斯滤波和均值滤波的处理算法来适用于光照不均匀的结构光图像的条纹提取。该算法既可以有效的消除不均匀光照对图像的影响，又保留了原始图像的特征信息。本项目设计构造的表征土壤三维孔隙结构特征、土壤团聚体结构动态凝聚的仿真算法，为土壤物理属性、土壤性能及其对作物生长影响和在植物虚拟仿真应用研究提供新的途径与方法。