棉花形態(tài)建成模型及虛擬生長系統(tǒng)的構(gòu)建

0棉田織物形態(tài)模型[研究意義]虛擬作物是作物生長模擬模型的進(jìn)一步發(fā)展，它可以獲得植物生理生態(tài)過程和形態(tài)結(jié)構(gòu)的平行過程的共同結(jié)果。通過三維動(dòng)畫，整個(gè)模擬過程可以模擬植物的生長，并輸出植物的生理參數(shù)和關(guān)系。近年來，虛擬棉花已成為國內(nèi)外研究的熱點(diǎn)問題，通過對棉花形態(tài)的可視化模擬，有助于加深棉花生長機(jī)理的研究，使人在更形象生動(dòng)的環(huán)境中研究農(nóng)業(yè)問題?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】目前，虛擬作物的研究主要是在形態(tài)模型的基礎(chǔ)之上，結(jié)合已構(gòu)建的機(jī)理模型，借助計(jì)算機(jī)編程語言實(shí)現(xiàn)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(jìn)行三維重構(gòu)，陳國慶等基于形態(tài)模型實(shí)現(xiàn)了小麥的虛擬生長，石春林等利用L系統(tǒng)結(jié)合器官幾何參數(shù)對水稻的形態(tài)特征進(jìn)行可視化表達(dá)。棉花具有無限生長習(xí)性，器官種類多且結(jié)構(gòu)復(fù)雜，國內(nèi)外學(xué)者在其結(jié)構(gòu)功能方面做了一定研究，如Room等基于開放式L系統(tǒng)構(gòu)建的L-Cotton模型，對棉花的形態(tài)特征進(jìn)行簡單模擬；Hanan等對該模型進(jìn)行擴(kuò)展，將其與OZCOT相結(jié)合，雖然能對形態(tài)的發(fā)生（尤其是棉鈴的生長）有較好的解釋，但對形態(tài)的描述不夠細(xì)致，且該方法缺少試驗(yàn)數(shù)據(jù)的驗(yàn)證；Jallas等以機(jī)理模型GOSSYM為基礎(chǔ)，通過干物質(zhì)重計(jì)算各器官尺寸大小及角度，采用OpenGL技術(shù)實(shí)現(xiàn)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(tǒng)，該系統(tǒng)以實(shí)際測量數(shù)據(jù)進(jìn)行模擬，但未考慮品種特性、環(huán)境因素和栽培措施等。【本研究切入點(diǎn)】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(tài)建成與品種、環(huán)境、措施等效應(yīng)因子之間的關(guān)系，因此不能真實(shí)有效地虛擬棉花的形態(tài)特征以及模擬棉花的生長過程?！緮M解決的關(guān)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(yàn)，通過定量研究棉花形態(tài)建成與品種、環(huán)境和技術(shù)措施之間的動(dòng)態(tài)關(guān)系，構(gòu)建棉花形態(tài)模型，并進(jìn)一步以VC++6.0為工作平臺，C++為開發(fā)語言，采用OpenGL技術(shù)實(shí)現(xiàn)棉花虛擬生長系統(tǒng)。通過簡單的人機(jī)交互，即可在微機(jī)上實(shí)現(xiàn)棉花器官、個(gè)體和群體的三維重構(gòu)與虛擬顯示，真實(shí)感較強(qiáng)，為虛擬棉作的深入研究奠定了基礎(chǔ)。1棉花形狀模型1.1田間配合試驗(yàn)試驗(yàn)于2005-2006年在南京農(nóng)業(yè)大學(xué)衛(wèi)崗試驗(yàn)站進(jìn)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(jī)質(zhì)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(yàn)所用盆缽高55cm、直徑60cm，每盆裝土25kg，土壤經(jīng)自然風(fēng)干、粉碎、過篩去雜后裝盆，加水沉實(shí)。兩年試驗(yàn)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(chǎn)栽培要求進(jìn)行。共設(shè)置5組試驗(yàn)。試驗(yàn)1：品種試驗(yàn)。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(yàn)2：播期試驗(yàn)。以德夏棉1號、美棉33B和科棉1號為供試品種。設(shè)置4個(gè)（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(yàn)3：氮素試驗(yàn)。以美棉33B為供試品種，根據(jù)240kgN·hm-2是南京地區(qū)棉花高產(chǎn)適宜施氮量的研究結(jié)果，設(shè)置3個(gè)氮素水平：0、2.7和5.3gN/pot（分別相當(dāng)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(yàn)4：水分試驗(yàn)。以美棉33B為供試品種，設(shè)置2個(gè)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(xù)8d，待棉株出現(xiàn)萎蔫癥狀時(shí)，復(fù)水至正常灌水水平直至收獲。每處理種植12盆。試驗(yàn)5:DPC化控試驗(yàn)。以科棉1號為供試品種，設(shè)置兩個(gè)處理：一是全程化控，全生育期使用DPC1.17mg/pot（相當(dāng)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(dāng)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(yàn)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(jié)間和果節(jié)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(yàn)所用氣象資料由南京氣象局提供。1.2模型建設(shè)1.2.1器官形態(tài)模型棉花主莖葉、主莖葉柄和節(jié)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(yàn)資料首先構(gòu)建無氮素、水分、化控等脅迫條件下棉花分器官的形態(tài)模型，進(jìn)而綜合考慮品種、氮素、水分、化控等因子，分別構(gòu)建其效應(yīng)函數(shù)，實(shí)現(xiàn)棉花上述器官形態(tài)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(jié)間）實(shí)際尺寸大?。╟m）;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(yīng)函數(shù)。fGDD的計(jì)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(shù)；c1,d1,e1,a1,b1為系數(shù)；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(xiàn)所需的GDD(℃·d)。式中，LGDD表示棉花從播種至主莖葉開始出現(xiàn)所需的生長度日（℃·d）;PHYLLj表示棉花同類器官相繼出現(xiàn)所需的生長度日（即熱時(shí)間間隔），隨棉花品種與生育時(shí)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(shí)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(jì)算：式中，Wa表示土壤實(shí)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(shù)（d）;SN表示土壤基礎(chǔ)供氮量（kg·hm-2）;RFN表示施氮量（kg·hm-2）;CURN表示氮肥利用率（%），計(jì)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(chǎn)栽培實(shí)際的需氮量（kg·hm-2）。利用2005年試驗(yàn)數(shù)據(jù)，確定模型各系數(shù)值。為方便起見，器官形態(tài)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(jié)間長、節(jié)間粗模型。1.2.2模型的計(jì)算過程分析兩年試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，德夏棉1號、科棉1號、美棉33B的果枝生長始節(jié)分別為第4、第5和第7主莖節(jié)位，定為品種遺傳參數(shù)。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(jié)）實(shí)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(jì)算過程如下：式中，f2(pos2)、f3(pos3)分別表示果枝位（pos2）、果節(jié)位（pos3）的影響函數(shù)，a2、b2、c2、d2、e2、c3、d3、e3為模型系數(shù)；其它符號意義同上。利用2005年試驗(yàn)測量數(shù)據(jù)，確定模型各系數(shù)值。為方便起見，器官形態(tài)模型表示為ff={c2,d2,e2,c3,d3,e3,a2,b2}。本研究所建模型數(shù)據(jù)如下：式中，PN表示鈴期棉株實(shí)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(yàn)測量的棉鈴高度、直徑數(shù)據(jù)，確定模型系數(shù)。為方便起見，器官形態(tài)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(yù)測效果利用2006年試驗(yàn)數(shù)據(jù)對上述棉花形態(tài)模型進(jìn)行檢驗(yàn)的結(jié)果表明（圖1），模型對棉花各器官的形態(tài)數(shù)據(jù)具有較好的預(yù)測性，棉花主莖葉片長寬、主莖葉柄長、主莖節(jié)間長粗、果枝葉片長寬、果枝葉柄長、果節(jié)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(yù)測結(jié)果準(zhǔn)確，效果較好。2棉鈴起始生長時(shí)間式中，ff1～ff5分別表示果枝葉長、果枝葉寬、果枝葉柄長、果節(jié)長、果節(jié)粗模型。1.2.3棉鈴形態(tài)模型分析兩年試驗(yàn)表明，德夏棉1號、科棉1號、美棉33B的棉鈴起始生長時(shí)間不同，所需的GDD分別為455、513和526℃·d，生長過程與果節(jié)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(yīng)函數(shù)：2.1葉片形態(tài)模型葉形態(tài)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(gè)裂片，第3、4片主莖葉以及果枝葉有3個(gè)裂片，第5片及以上主莖葉有5個(gè)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(diǎn)，借助NURBS曲面模擬葉片形狀，然后以GDD為主線，以葉片形態(tài)模型為基本算法，計(jì)算出葉片實(shí)際尺寸，再結(jié)合已繪制圖形進(jìn)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(dá)80℃·d時(shí)的虛擬顯示結(jié)果。2.2棉鈴繪制方法莖（節(jié)）的特點(diǎn)是外表呈柱狀，可利用二次曲面–圓柱體來構(gòu)建其形態(tài)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(jié)）的長和粗，其取值可通過所建立的棉花節(jié)間形態(tài)模型（棉花果節(jié)形態(tài)模型）來獲得，將形態(tài)模型模擬的莖（節(jié)）長和粗?jǐn)?shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為顯示模型中各點(diǎn)的坐標(biāo)，然后選擇合適的繪制模式進(jìn)行繪制，實(shí)現(xiàn)莖（節(jié)）形態(tài)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(jīng)3次90°旋轉(zhuǎn)，得到完整的棉鈴（圖3）。在此過程中，需要準(zhǔn)確控制棉鈴最頂端以及最寬處的點(diǎn)坐標(biāo)，以反映實(shí)際的鈴長和鈴寬，棉鈴長寬的取值可通過棉鈴形態(tài)模型來獲得。2.3真葉繞主莖或枝條旋轉(zhuǎn)角度在完成棉花器官形態(tài)特征可視化的基礎(chǔ)上，依據(jù)不同時(shí)期所拍攝的棉株圖像提取拓?fù)湫畔?。本研究將相鄰葉片的水平夾角（真葉繞主莖或主枝旋轉(zhuǎn)的角度）設(shè)置為135°，垂直方向（葉柄與主莖或主枝的夾角）設(shè)置3個(gè)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(chǔ)上利用函數(shù)rand()產(chǎn)生隨機(jī)因子，在[-15°，15°]范圍內(nèi)波動(dòng)。3系統(tǒng)設(shè)計(jì)3.1含成棉的含棉棉系統(tǒng)棉花可視化的實(shí)現(xiàn)是指棉花形態(tài)結(jié)構(gòu)特征在計(jì)算機(jī)上的顯示與虛擬表達(dá)，即以不同器官之間的拓?fù)潢P(guān)系和形態(tài)模型為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)棉花可視化的生長過程。本系統(tǒng)主要用給定的參數(shù)和模型，通過計(jì)算機(jī)模擬出棉花靜態(tài)及動(dòng)態(tài)的三維形態(tài)。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示。系統(tǒng)由參數(shù)輸入、模型計(jì)算、存儲系統(tǒng)、結(jié)果輸出等部分組成。通過人機(jī)交互修改各影響因子參數(shù)值，然后調(diào)用形態(tài)模型為可視化模型提供形態(tài)特征參數(shù)，最后將結(jié)果以文本數(shù)據(jù)或圖像的形式輸出。3.1.1雙程式：學(xué)生虛擬生長數(shù)據(jù)庫中存有品種數(shù)據(jù)、土壤數(shù)據(jù)、氣象數(shù)據(jù)、棉花形態(tài)特征參數(shù)最大值以及初始化的最優(yōu)栽培參數(shù)值，用戶即可在不輸入任何數(shù)據(jù)的情況下點(diǎn)擊按鈕直接實(shí)現(xiàn)棉花的虛擬生長，也可根據(jù)實(shí)際情況，修改品種、土壤和氣象參數(shù)值進(jìn)行模擬。此外，系統(tǒng)還能對數(shù)據(jù)庫中品種參數(shù)等進(jìn)行擴(kuò)充，以實(shí)現(xiàn)不同地區(qū)、不同品種的顯示需求。3.1.2形態(tài)子模型研究模型庫是系統(tǒng)的核心部分，提供本系統(tǒng)運(yùn)行所需的算法支持。包括主莖葉片形態(tài)子模型、主莖葉柄形態(tài)子模型、主莖節(jié)間形態(tài)子模型、果枝葉片形態(tài)子模型、果枝葉柄形態(tài)子模型、果節(jié)形態(tài)子模型和棉鈴形態(tài)子模型。其中葉片形態(tài)子模型包括葉片長寬和葉型、莖葉夾角等形態(tài)結(jié)構(gòu)建成的模擬，主莖節(jié)間與果節(jié)形態(tài)子模型包括節(jié)長、節(jié)粗變化過程的模擬，棉鈴形態(tài)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(tài)測試模塊設(shè)計(jì)棉花虛擬生長系統(tǒng)是一個(gè)功能綜合軟件系統(tǒng)，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(nóng)學(xué)意義的參數(shù)，以控制器官、單株的三維幾何造型，還能設(shè)置具體顯示規(guī)格如群體的株數(shù)等。具體輸出結(jié)果包括：(1）棉花形態(tài)特征參數(shù)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(jié)；c.主莖、果節(jié)、棉鈴；d.單株。(3）群體動(dòng)態(tài)生長及多視角觀察3個(gè)模塊即相互獨(dú)立又有一定的關(guān)聯(lián)。其中單個(gè)器官顯示模塊通過對參數(shù)的設(shè)定可改變器官的形態(tài)。棉株個(gè)體由單個(gè)器官根據(jù)拓?fù)潢P(guān)系進(jìn)行拼接而得，而群體又是由多個(gè)棉株個(gè)體組成。此外，系統(tǒng)設(shè)有數(shù)據(jù)管理及幫助模塊，其中數(shù)據(jù)管理主要是對數(shù)據(jù)庫中基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行維護(hù)（添加、修改、刪除）和查詢，幫助模塊主要提供系統(tǒng)的使用說明文檔，指導(dǎo)用戶正確操作與使用系統(tǒng)。同時(shí)，提供系統(tǒng)的開發(fā)研制單位與版權(quán)說明。4棉株圖的顯示和動(dòng)態(tài)生長本研究采用Access2003數(shù)據(jù)庫，以VisualC++6.0為開發(fā)環(huán)境，利用C++和OpenGL圖形處理技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了交互式的棉花虛擬生長系統(tǒng)。考慮到實(shí)際顯示需求，構(gòu)建系統(tǒng)時(shí)，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(jié)間類、果枝葉類、果枝葉柄類、果節(jié)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(jié)類、棉鈴類為成員對象）。每一類數(shù)據(jù)都封裝了數(shù)據(jù)獲取GetData()、模型計(jì)算Size()以及圖形顯示Draw()的成員函數(shù)。系統(tǒng)設(shè)置3個(gè)控制面板：“器官可視化”、“棉株可視化”以及“數(shù)據(jù)管理”，分別控制器官、棉株的顯示以及數(shù)據(jù)庫內(nèi)容的維護(hù)。具體實(shí)現(xiàn)時(shí)，用戶根據(jù)實(shí)際需求，調(diào)用相應(yīng)面板完成操作。圖5為“棉株可視化”面板完成的群體顯示結(jié)果。棉株動(dòng)態(tài)生長過程主要是借助VC提供的OnTimer()函數(shù)完成。分別繪制各器官在幾個(gè)形狀變化明顯階段的圖形樣本，通過改變尺寸、調(diào)整空間位置和方向構(gòu)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(tài)模型的構(gòu)建虛擬作物的研究從研究方向來看，主要包括形態(tài)結(jié)構(gòu)的模擬、生理生態(tài)過程方面的模擬以及生理生態(tài)過程與形態(tài)結(jié)構(gòu)的耦合。其中生理生態(tài)與形態(tài)結(jié)構(gòu)的耦合是目前虛擬作物研究的主流趨勢，國內(nèi)外均有相關(guān)學(xué)者進(jìn)行研究。與玉米、小麥、水稻等作物相比，棉花結(jié)構(gòu)復(fù)雜且葉片形狀多樣化，模擬研究存在一定的難度。本研究構(gòu)建了以GDD為驅(qū)動(dòng)變量的棉花形態(tài)模型，反映棉花形態(tài)特征參數(shù)與主要影響因子之間的關(guān)系，該模型較Room、Jallas、Hanan等建立的形態(tài)模型具有較好的廣適性和預(yù)測性，較楊娟等建立的棉花器官幾何模型機(jī)理性和動(dòng)態(tài)性更強(qiáng)。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(tài)特征。本研究利用圓柱體來構(gòu)建莖（節(jié)）的形態(tài)，與棉花形態(tài)模型結(jié)合，較好地實(shí)現(xiàn)了莖（節(jié)）生長過程的可視化表達(dá)。棉花形態(tài)模型的引入增加了系統(tǒng)運(yùn)行結(jié)果的可靠性與科學(xué)性，且該形態(tài)模型的