基于C# 的冬小麥虛擬生長可視化系統(tǒng)實現(xiàn)

文 竹 ,舒 田*,童倩倩 ,郜 超，岳延濱,林少華 (.貴州省農(nóng)業(yè)科技信息研究所,貴州 貴陽 550006； .貴州省園藝研究所,貴州 貴陽 550006； .貴州省國土資源廳 技術(shù)信息中心，貴州 貴陽 55000)

基于C# 的冬小麥虛擬生長可視化系統(tǒng)實現(xiàn)

文 竹1,舒 田1*,童倩倩1,郜 超2，岳延濱1,林少華3
(1.貴州省農(nóng)業(yè)科技信息研究所,貴州 貴陽 550006； 2.貴州省園藝研究所,貴州 貴陽 550006； 3.貴州省國土資源廳 技術(shù)信息中心，貴州 貴陽 550001)

為精確表達冬小麥單株及群體三維動態(tài)生長過程，提高其模擬的真實感和實時性，利用株高、莖粗、葉長、葉鞘以及節(jié)間的幾何參數(shù)構(gòu)建了冬小麥動態(tài)生長模型。田間試驗表明，冬小麥株高、莖粗、葉長、葉鞘以及節(jié)間隨生長天數(shù)呈遞增變化；隨葉位升高,主莖葉片定形后的長度在拔節(jié)前、后均先遞增后降低，對應節(jié)間的最終長度呈遞增變化，最終粗度呈遞減變化?；贑#開發(fā)環(huán)境和3DS max 2014圖形平臺驅(qū)動幾何模型，設(shè)計開發(fā)出了一套集冬小麥單株及群體形態(tài)模擬、生長動態(tài)變化及場景渲染的可視化系統(tǒng)，從而實現(xiàn)了冬小麥生長全過程的數(shù)字化、可視化的虛擬綜合管理。

冬小麥； 虛擬生長； 可視化系統(tǒng)； C#

植物生長建模及可視化是現(xiàn)代數(shù)字農(nóng)業(yè)研究的重要內(nèi)容[1-2]，近年來,有關(guān)農(nóng)作物的動態(tài)生長模擬和可視化研究備受關(guān)注，尤其是糧食和經(jīng)濟作物。趙星[3]建立了基于植物學的植物形態(tài)發(fā)生模型，探討了利用雙尺度自動機模型生成植物構(gòu)造模型的方法，形象地模擬了植物枝條彎曲和植物花序，闡明了虛擬農(nóng)作物的生長過程。郭新宇等[4-5]、鄭文剛等[6]基于生長模型—形態(tài)模型—數(shù)學模型—顯示模型，實現(xiàn)了玉米三維形態(tài)可視化，為玉米形態(tài)結(jié)構(gòu)研究提供了新的思路和手段。劉炳成等[7]運用分形幾何理論與計算機圖形學技術(shù)，根據(jù)試驗實測參數(shù)模擬了小麥地下根系部分的動態(tài)生長過程。周國民等[8]、陳國慶等[9]、張吳平等[10]、孟軍等[11]、雷曉俊等[12]以小麥生長模擬模型，在VC++平臺上利用 OpenGL、3DS max構(gòu)建了小麥虛擬生長系統(tǒng)，實現(xiàn)了冬小麥生長過程的可視化表達。廖桂平等[13]基于參數(shù)L-系統(tǒng)原理，以L-Studio 4.0為平臺并結(jié)合VC++實現(xiàn)了油菜花朵和花序的可視化虛擬生長。

目前的研究大多數(shù)局限于生長模型的構(gòu)建和形態(tài)可視化，不能客觀有效地模擬真實作物的動態(tài)生長過程，而基于生理幾何參數(shù)模型、C# 及3DSmax 平臺研究小麥及群體可視化的研究也很少。因此，通過田間試驗，以貴州冬小麥為例，觀測并分析其株高、莖、葉長、葉鞘和節(jié)間等生長數(shù)據(jù)，借鑒參數(shù)化建模的思想，建立各器官精確的生長幾何參數(shù)模型，并借助于C# 和3DS max平臺設(shè)計開發(fā)一套集冬小麥單株及群體虛擬生長變化及場景渲染的可視化系統(tǒng)，旨在為冬小麥的形態(tài)、生理與功能間關(guān)系研究提供應用和參考價值。

1材料和方法

1.1 材料

數(shù)據(jù)來源于2014年貴州省旱糧所的貴州省農(nóng)業(yè)科學院試驗基地，品種為黔麥19號，于2013年10月19日播種，全生育期205 d，觀測項目為冬小麥的株高、主莖粗度(莖粗)、葉長、葉鞘長度，以及節(jié)間長度和粗度。

1.2 方法

1.2.1 觀測指標和方法 試驗冬小麥的株高采用卷尺進行測量，莖粗、葉長、葉鞘以及節(jié)間長度采用游標卡尺測量，每7 d測量取樣一次，直到冬小麥成熟。

1.2.2 數(shù)據(jù)統(tǒng)計方法 利用SPSS 13.0、Excel 2010和Sigma Plot 12.0等軟件對觀測數(shù)據(jù)進行相關(guān)性及回歸分析，采用Logistic方程曲線、指數(shù)、對數(shù)和二次方程進行表達。

1.2.3 編程及可視化實現(xiàn)方法 基于幾何參數(shù)公式，在3DS max 2014三維動畫渲染軟件中制作完成好各生長階段三維模型，然后采用微軟公司發(fā)布的面向?qū)ο驝# 語言為開發(fā)平臺，調(diào)用冬小麥各器官生長階段的三維模型，從而實現(xiàn)冬小麥的可視化再現(xiàn)系統(tǒng)。

2 結(jié)果與分析

2.1 冬小麥株高的變化

試驗表明，冬小麥前期株高增長較慢，拔節(jié)后株高迅速增加，在旗葉完全展開后達到最大值，符合S型生長曲線(圖1)。

圖1 冬小麥株高隨生長天數(shù)的變化

冬小麥株高的變化可以用以下方程進行描述：

(1)

式(1)中，DAY為驅(qū)動變量(天數(shù))；Lstem為冬小麥在DAY天的株高；Lstemmax為冬小麥的最大株高，為品種參數(shù)，本試驗取值93.92 cm；DAY0為冬小麥出苗的時間(d)。

2.2 冬小麥莖粗的變化

觀測試驗數(shù)據(jù)表明，冬小麥莖粗的變化比較緩慢，但也符合Logistic方程曲線，如圖2所示。

圖2 冬小麥莖粗隨生長天數(shù)的變化

冬小麥莖粗的變化可以用以下方程進行描述：

(2)

式(2)中，DAY為驅(qū)動變量(天數(shù))；THstem為冬小麥在DAY天的莖粗；THstemmax為冬小麥的最大莖粗，為品種參數(shù)，本試驗取值7.69 mm；DAY0為冬小麥出苗的時間(d)。

2.3 冬小麥葉長的變化

觀測試驗數(shù)據(jù)表明，葉片伸長是一個由慢到快再到慢的過程，符合S型曲線，即Logistic方程。圖3a、3b、3c分別為冬小麥第1、6、9片葉葉長隨生長天數(shù)的變化規(guī)律。

圖3 冬小麥葉長隨生長天數(shù)的變化

表1顯示，冬小麥前5葉從生長到定長約需要12 d，不受越冬期影響；第6～8葉受自身品種特性和越冬期影響，葉片從生長到定長約需要45 d；第9～11葉從出生到定長約需要18 d，不受越冬期影響。

表1 冬小麥主莖葉片參數(shù)

葉位成長期/d功能期/d最大葉長/cmL1128014．28L2128021．70L3128021．98L4128019．32L5128019．04L6456023．84L7454528．46L8454531．26L9184532．72L10184531．08L11184523．52

注：葉片露尖(≥0.5 cm)到長、寬定型為成長期；葉片定型到衰老枯黃為功能期。

將葉片的伸長過程用分段函數(shù)進行描述，方程如下。

(3)

式(3)中，LN為主莖總?cè)~片數(shù)，為品種參數(shù)，本試驗中取值11；a為主莖葉片所在的葉位；DAY為驅(qū)動變量(天數(shù))；Llena為a葉在DAY天的葉長；Llenmax為第a葉定形的長度；DAYa為第a葉露尖(葉長≥0.5 cm)時刻的時間(天數(shù))。

分析表明，冬小麥主莖不同葉位葉片定形后的長度隨葉位的不同而發(fā)生變化，但其變化規(guī)律在不同冬小麥品種中是一致的，如圖4所示。從第1片葉開始，不同葉位葉片定形后的長度隨葉位的升高而增加，拔節(jié)前在某葉位出現(xiàn)1個峰值，然后隨葉位的升高而降低; 拔節(jié)后又隨葉位的升高而增加，至倒3葉出現(xiàn)另1個峰值，其后又隨葉位的升高而降低。

圖4 冬小麥主莖不同葉位的最終長度

(4)

式(4)中各參數(shù)含義同式(3)。

2.4 冬小麥葉鞘長度的變化

觀測數(shù)據(jù)分析表明，葉鞘長度在拔節(jié)前、后呈現(xiàn)2種變化趨勢：拔節(jié)前，葉鞘長度隨生長天數(shù)的變化模式符合對數(shù)方程;拔節(jié)后，葉鞘長度隨生長時間的變化規(guī)律符合S型曲線。圖5和圖6分別為拔節(jié)前(第2葉)和拔節(jié)后(第8葉)冬小麥葉鞘長度隨播種后時間的變化規(guī)律。

圖5 冬小麥拔節(jié)前葉鞘長度隨生長天數(shù)的變化

圖6 冬小麥拔節(jié)后葉鞘長度隨生長天數(shù)的變化

冬小麥葉鞘長度的變化過程可用以下分段函數(shù)進行描述。

(5)

式(5)中，n為主莖葉鞘位；Lsheathn為第n葉在DAY天的葉鞘長度；Lsheathmax為第n葉對應葉鞘的最終長度；LNj為冬小麥品種拔節(jié)前葉片數(shù)，本試驗中取值5；LN為冬小麥主莖的總?cè)~片數(shù)，為品種參數(shù)，本試驗中取值11；DAY為驅(qū)動變量(天數(shù))；DAYn為第n葉對應葉鞘出生(葉鞘長≥0.2 cm)時刻的時間(天數(shù))。

表2表明，冬小麥主莖不同葉片對應葉鞘的最終長度隨葉位的不同而發(fā)生變化，但其變化規(guī)律在不同冬小麥品種中是一致的。本研究假設(shè)各冬小麥品種從第1葉片對應葉鞘到最后旗葉對應葉鞘的最終長度變化趨勢相同(圖7)，由于第1葉對應葉鞘最終長度的不同而造成了不同品種各對應葉鞘的差異。

表2 冬小麥主莖葉鞘參數(shù)

葉位成長期/d最大鞘長/cmL1423．70125L2424．23750L3424．01375L4425．23875L5425．08875L6186．53625L7188．49875L8189．32500L91811．86250L101816．58750L111821．04375

注：葉鞘露尖(≥0.2 cm)到長度穩(wěn)定的時間為成長期。

圖7 冬小麥不同葉位對應葉鞘的最終長度

主莖葉鞘最終長度的變化趨勢可以用下列方程描述。

Lsheathmax=0.239n2-1.313n+5.617,1≤n≤LN

(6)

式(6)中各參數(shù)含義同式(5)。

2.5 冬小麥節(jié)間長度和粗度的變化

試驗結(jié)果表明，拔節(jié)后節(jié)間開始伸長，其伸長規(guī)律與拔節(jié)后葉鞘的伸長規(guī)律類似，均符合營養(yǎng)器官的S型曲線生長，圖8為冬小麥第9葉對應節(jié)間長隨生長天數(shù)的變化規(guī)律。

圖8 冬小麥第9葉對應節(jié)間長度隨生長天數(shù)的變化

冬小麥節(jié)間長度的變化可用下面的方程描述。

(7)

式(7)中，Linternoden為第n葉對應節(jié)間在DAY天的長度；Linternodemax為第n節(jié)間的最終長度；DAY為驅(qū)動變量(天數(shù))；DAYn為第n葉對應節(jié)間出生(節(jié)間長≥0.2 cm)時刻的時間(天數(shù))；LNj為冬小麥品種拔節(jié)前葉片數(shù)，本試驗中取值5；LN為冬小麥主莖的總?cè)~片數(shù)，為品種參數(shù)，本試驗中取值11。

表3表明，冬小麥主莖不同葉位對應節(jié)間的最終長度隨葉位的不同而發(fā)生變化，但其變化規(guī)律在不同冬小麥品種中是一致的。冬小麥第6葉至11葉對應節(jié)間定長長度的變化規(guī)律如圖9所示。

表3 冬小麥主莖節(jié)間參數(shù)

葉位成長期/d最大節(jié)間長度/cm最大節(jié)間粗度/cmL6183．9855180．562383L7185．9019100．541090L8187．5201610．523109L91811．4062500．479931L101819．7470200．387255L111832．8808600．241324

注：節(jié)間露出(≥0.2 cm)至定長的時間為成長期。

圖9 冬小麥不同葉位對應節(jié)間的最終長度

主莖節(jié)間最終長度的這種變化趨勢可以用下列方程描述。

Linternodemax=0.302e0.416n，LNj

(8)

式(8)中各參數(shù)含義同式(7)。

同時，冬小麥各個節(jié)間的寬度在生長過程中會逐漸增大，從節(jié)間開始伸長到節(jié)間粗度穩(wěn)定的過程中，粗度的變化符合S型曲線規(guī)律(圖10)。

圖10 冬小麥第9葉對應節(jié)間粗度隨生長天數(shù)的變化

冬小麥節(jié)間粗度的變化可具體描述如下：

(9)

式(9)中，THinternoden為第n葉對應節(jié)間在DAY時刻的粗度；THinternodemax為第n葉對應節(jié)間的最終粗度，DAY為驅(qū)動變量(天數(shù))；DAYn為第n葉對應節(jié)間出長(節(jié)間長≥0.2 cm)時刻的時間(天數(shù))；LNj為冬小麥品種拔節(jié)前葉片數(shù)，本試驗中取值5；LN為冬小麥主莖的總?cè)~片數(shù)，為品種參數(shù)，本試驗中取值11。

冬小麥主莖不同葉位對應節(jié)間的最終粗度隨葉位的變化與長度隨葉位的變化規(guī)律不同。冬小麥第6葉至11葉對應節(jié)間定長粗的變化規(guī)律如圖11所示。

圖11 冬小麥不同葉位對應節(jié)間的最終粗度

主莖節(jié)間最終粗度的這種變化趨勢可以用下列方程描述。

THinternodemax=-0.016n2+0.219n-0.173,LNj

(10)

式(10)中各參數(shù)含義同式(9)。

2.6 冬小麥虛擬生長可視化系統(tǒng)的實現(xiàn)

根據(jù)上述冬小麥形態(tài)幾何參數(shù)模型，研究開發(fā)了冬小麥生長虛擬生長的三維可視化系統(tǒng)，直觀展示了冬小麥植株、莖、葉、葉鞘和節(jié)間的動態(tài)變化過程。該系統(tǒng)利用3DSmax軟件繪制冬小麥各形態(tài)虛擬模型并進行渲染，然后在C# 集成環(huán)境下對模型通過數(shù)據(jù)變換呈現(xiàn)到桌面屏幕，然后再封裝實現(xiàn)可視化表達，系統(tǒng)分為菜單欄、操作區(qū)、顯示區(qū)和參數(shù)區(qū)，如圖12、圖13所示。

圖12 冬小麥群體不同生長天數(shù)下的形態(tài)可視化效果

圖13 冬小麥單株不同生長天數(shù)下的形態(tài)可視化效果

3 結(jié)論與討論

本研究結(jié)合計算機與農(nóng)業(yè)知識，在前人研究的基礎(chǔ)上[13-15]并結(jié)合野外觀測數(shù)據(jù)，構(gòu)建了基于Logistic、指數(shù)及對數(shù)方程的冬小麥株高、莖粗、葉長、葉鞘和節(jié)間的形態(tài)結(jié)構(gòu)模型，然后在C# 和3DS max 2014環(huán)境下設(shè)計開發(fā)出了一套集冬小麥單株及群體生長動態(tài)變化及場景渲染的可視化系統(tǒng)。系統(tǒng)效果理想，冬小麥三維生長動態(tài)真實感強，通過對模型參數(shù)的控制，可實現(xiàn)不同生育期冬小麥形態(tài)快速構(gòu)建，對小麥形態(tài)、生理與功能間關(guān)系研究具有一定參考價值。系統(tǒng)具有普遍實用性，可為研究水稻、玉米等作物的生長可視化提供參考。

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Realization of Virtual Growth Visualization System for Winter Wheat Based on C#

WEN Zhu1,SHU Tian1*,TONG Qianqian1,GAO Chao2，YUE Yanbin1,LIN Shaohua3
(1.Guizhou Institute of Agricultural Science and Technology Information,Guiyang 550006,China;2.Guizhou Horticulture Institute,Guiyang 550006,China; 3.Technology &Information Center of Guizhou Land and Resources Department,Guiyang 550001,China)

In order to get the precise expression of wheat individual and group 3D dynamic growth process and improve the realistic and real-time simulation,the wheat dynamic growth model were built with the geometric parameter of the plant height，stem diameter,leaf length,leaf sheath and internode.Field test showed that all the plant height，stem diameter,leaf length,leaf sheath and internode of winter wheat increased with the increase of time after sowing,the length of main stem leaves at different position increased first and then decreased before and after jointing,final length of different leaf position corresponding internode increased,and final thickness decreased.A set of winter wheat plant and group morphology simulation,growth dynamics and scene rendering visualization system were designed and developed Based on the C# development environment and 3DS Max 2014 graphics platform drive geometry model,so as to achieve the digital and virtual management for growth and development of wheat in the whole process.

winter wheat; virtual growth; visualization system; C#

2015-12-25

貴州省科技計劃項目[黔科合NY字(2012)3039]；貴州省科學技術(shù)基金計劃項目[黔科合J字(2013)2173號]；貴州省科技廳、貴州省農(nóng)業(yè)科學院聯(lián)合基金項目(黔科合LH字[2015]7066號)

文 竹(1979-)，男，貴州德江人，助理研究員，大專，主要從事多媒體與農(nóng)業(yè)信息技術(shù)研究。E-mail：360159928@qq.com

*通訊作者：舒 田(1981-)，男，湖南洞口人，助理研究員，碩士，主要從事農(nóng)業(yè)GIS與作物模型研究。E-mail：378074794@qq.com

S126；S512.1

A

1004-3268(2016)06-0147-06