玉米生長動態(tài)模擬與仿真研究

舒 田 ,童倩倩* ,岳延濱,文 竹,郜 超，王 虎,陳維榕,林少華

(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)

玉米生長動態(tài)模擬與仿真研究

舒 田1,童倩倩1*,岳延濱1,文 竹1,郜 超2，王 虎1,陳維榕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)

為提高作物生長動態(tài)模擬的真實性和逼真感，結(jié)合田間試驗，構(gòu)建了玉米不同生長期的株高、莖粗、果穗長度和寬度(粗度)等生長模型，然后在C# 語言和CINEMA 4D植物建模軟件的支撐下，實現(xiàn)不同生長階段玉米單株及群體生長動態(tài)模擬與仿真，效果逼真，真實感強(qiáng)。

玉米； 生長； 動態(tài)模擬與仿真； 幾何參數(shù)模型； C# 語言; CINEMA 4D

計算機(jī)圖形學(xué)技術(shù)與農(nóng)業(yè)知識的有機(jī)結(jié)合使得對農(nóng)作物形態(tài)結(jié)構(gòu)和生理功能的研究跨入了數(shù)字化、可視化階段，在計算機(jī)上以三維可視的方式來分析、研究和設(shè)計農(nóng)作物的形態(tài)結(jié)構(gòu)及生長過程成為可能，數(shù)字植物、作物數(shù)字化設(shè)計等新的領(lǐng)域逐漸得到研究者的重視[1-6]，對作物生長的動態(tài)模擬及可視化越來越受到關(guān)注，尤其是糧食和經(jīng)濟(jì)作物。郭新宇等[7-8]通過構(gòu)建玉米器官、個體和群體的三維形態(tài)，在“生長模型-形態(tài)模型-數(shù)學(xué)模型-顯示模型”等模型基礎(chǔ)上結(jié)合VC++語言平臺實現(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。朱春嬈等[9]利用虛擬植物技術(shù)，在已有玉米生理生態(tài)模型的基礎(chǔ)上，采用Visual Studio NET技術(shù)設(shè)計了玉米生長動態(tài)模擬仿真系統(tǒng)。孟軍等[10]、陳國慶等[11]運用小麥生長形態(tài)參數(shù)，在VC++平臺上利用OpenGL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(dá)。周國民等[12]基于3DS max構(gòu)建出可視化模塊的小麥器官庫，在OpenGL技術(shù)下完成三維繪制，實現(xiàn)了小麥生長過程的可視化。由此看來，把計算機(jī)技術(shù)與作物的生理生態(tài)過程、幾何形態(tài)結(jié)構(gòu)有機(jī)結(jié)合將是虛擬作物研究的發(fā)展趨勢。

本研究以貴州主要糧食作物玉米為材料，通過田間不定期地觀測并記錄玉米生長過程，分析構(gòu)造出基于幾何參數(shù)的生長動態(tài)模型，然后基于C# 開發(fā)平臺，調(diào)用CINEMA 4D植物建模軟件中的生長過程模型，開發(fā)實現(xiàn)了玉米單株、群體的虛擬生長動態(tài)仿真，為農(nóng)學(xué)研究者提供便捷的玉米仿真系統(tǒng)研究平臺。

1 材料和方法

1.1 材料

供試材料為貴州省農(nóng)業(yè)科學(xué)院旱糧研究所選育的黔玉3號玉米雜交種，種植時間為2014年4月15日，6月23日長出果穗，全生育期130 d。

1.2 方法

1.2.1 觀測方法 玉米的莖稈株高采用卷尺進(jìn)行測量，莖粗、果穗長度及寬度(粗度)采用游標(biāo)卡尺測量，每7 d測量一次，直到玉米成熟。

1.2.2 數(shù)據(jù)統(tǒng)計方法 利用WPS 2015和SPSS 13.0統(tǒng)計軟件及SigmaPlot 12.0畫圖軟件對實測數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)性及回歸分析，采用Logistic方程進(jìn)行模擬。

1.2.3 模擬仿真實現(xiàn)方法 基于玉米生長幾何參數(shù)，在CINEMA 4D三維圖形軟件中制作玉米各生長階段三維模型，然后以微軟公司發(fā)布的C# 語言為開發(fā)平臺，調(diào)用玉米各器官生長的三維模型，從而實現(xiàn)玉米的生長動態(tài)三維模擬與仿真。

2 結(jié)果與分析

2.1 莖稈生長動態(tài)模擬

試驗數(shù)據(jù)分析表明，玉米種植后莖稈生長是一個由慢到快再到慢的過程，符合S形曲線，即Logistic方程。圖1中A和B分別為玉米株高和莖粗隨播種后天數(shù)的變化規(guī)律。

圖1 玉米莖稈生長動態(tài)變化規(guī)律

可以將玉米株高用以下方程描述：

(1)

式(1)中，MH為DAY天時主莖的高度；MHmax為主莖的最大高度，屬于品種參數(shù)，本研究取值223.2 cm；DAY為驅(qū)動變量(天數(shù))；DAY0為玉米出苗的時間(天數(shù))，本研究取值7。

通過SigmaPlot 12.0對式(1)進(jìn)行回歸分析和模型檢驗得出，R=0.992 8，達(dá)到極顯著水平。

玉米莖粗用以下方程描述：

(2)

式(2)中，MW為DAY天時主莖的粗度；MWmax為主莖的最大粗度，屬于品種參數(shù)，本研究取值2.71 cm；DAY和DAY0同式(1)。

同樣，通過SigmaPlot 12.0對式(2)進(jìn)行回歸分析和模型檢驗得出，R=0.994 6，達(dá)到極顯著水平。

2.2 果穗生長動態(tài)模擬

根據(jù)試驗數(shù)據(jù)分析，玉米果穗生長也是一個由慢到快再到慢的過程，符合S形曲線，即Logistic方程。圖2中A和B分別為玉米果穗長度和粗度隨播種后天數(shù)的變化規(guī)律。

圖2 玉米果穗生長動態(tài)變化規(guī)律

可以將玉米果穗長度和粗度用以下方程描述：

(3)

式(3)中，MFL為DAY天時玉米果穗的長度；MFLmax為果穗的最大長度，屬于品種參數(shù)，本研究取值31.29 cm；DAY為驅(qū)動變量(天數(shù))；DAY1為玉米出穗的時間(天數(shù))，本研究取值69。

通過SigmaPlot 12.0對式(3)進(jìn)行回歸分析和模型檢驗得出，R=0.963 2，達(dá)到極顯著水平。

(4)

式(4)中，MFW為DAY天時玉米果穗的粗度；MFWmax為果穗的最大粗度，屬于品種參數(shù)，本研究取值6.0 cm；DAY和DAY1同式(3)。

同樣，通過SigmaPlot 12.0對式(4)進(jìn)行回歸分析和模型檢驗得出，R=0.965 8，也達(dá)到極顯著水平。

2.3 玉米生長動態(tài)模擬與仿真

C# 語言是微軟公司發(fā)布的一種面向?qū)ο蟮?、運行于.NET Framework之上的高級程序設(shè)計語言。DirectX(Direct eXtension，簡稱DX)是由微軟公司創(chuàng)建的多媒體編程接口，由C++編程語言實現(xiàn)，遵循COM。CINEMA 4D是德國Maxon公司1993年成功開發(fā)的一款功能異常強(qiáng)大而操作簡單的軟件，它以出眾的操作流程、強(qiáng)大的多邊形建模工具和高質(zhì)量的渲染效果聞名，集合了Sketchup、Zbrush等建模軟件的功能于一體，更加注重工程流程的易用性、流暢性、舒適性、合理性和高效性，CINEMA 4D內(nèi)含有豐富的參數(shù)化基礎(chǔ)模塊和預(yù)制材質(zhì)庫，且擁有高速的渲染器，能高效地完成建模和渲染[13]。因此，利用CINEMA 4D建立玉米株高、莖粗、葉片和果穗模型并進(jìn)行渲染，通過導(dǎo)出*.x格式，在DirectX 9.0平臺上通過C# 計算機(jī)編程語言進(jìn)行解析加載，從而實現(xiàn)玉米生長的動態(tài)模擬。

通過設(shè)計得到玉米個體和群體不同生長天數(shù)下的生長動態(tài)虛擬仿真效果，如圖3和圖4所示。

A～D生長天數(shù)分別為45、60、90、118 d

A、B生長天數(shù)分別為50、105 d

3 結(jié)論與討論

本研究利用計算機(jī)、虛擬植物、圖形圖像學(xué)與農(nóng)業(yè)知識，在前人的工作基礎(chǔ)上[14-16]并結(jié)合田間觀測玉米生長動態(tài)數(shù)據(jù)，構(gòu)建了基于Logistic方程的玉米株高和莖粗、果穗長度和粗度等形態(tài)結(jié)構(gòu)模型，然后在C# 語言和CINEMA 4D軟件支持下設(shè)計實現(xiàn)玉米單株及群體生長動態(tài)模擬與仿真。仿真效果逼真，現(xiàn)實感強(qiáng)，通過對模型參數(shù)的控制，可實現(xiàn)不同生長期玉米形態(tài)快速構(gòu)建，對研究玉米形態(tài)、生理、功能關(guān)系具有一定價值，為玉米生產(chǎn)相關(guān)研究提供了新的試驗平臺。本仿真系統(tǒng)具有普遍實用性，為研究水稻、小麥、馬鈴薯等作物的生長動態(tài)模擬仿真提供了參考和借鑒，從而為精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)、現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)發(fā)展做出一定貢獻(xiàn)。

[1] De Reffye P,Houllier F.Modeling plant growth and architecture:Some recent advances and applications to agronomy and forestry[J].Current Science, 1997,73(11):984-992.

[2] Room P M,Hanan J S,Prusinkiewicz P.Virtual plants: New perspectives for ecologists,pathologists and agricultural scientists[J]．Trends in Plant Science,1996,1(1):33-38.

[3] 郭焱,李保國.虛擬植物的研究進(jìn)展[J].科學(xué)通報,2001,46(4):273-280.

[4] 薛林,鄭國清,戴廷波.作物生長模擬模型研究進(jìn)展[J].河南農(nóng)業(yè)科學(xué),2011,40(3):19-24.

[5] Bouman B A M,van Keulen H,van Laar H H,etal. The‘School of de Wit’crop growth simulation models: A pedigree and historical overview[J].Agricultural Systems，1996，52：171-198．

[6] 韓健,池寶亮.作物生長模型發(fā)展現(xiàn)狀及應(yīng)用前景[J].山西農(nóng)業(yè)科學(xué),2011,39(8):900-903.

[7] 郭新宇,趙春江,肖伯祥,等.玉米三維重構(gòu)及可視化系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報,2007,23(4):144-148.

[8] 郭新宇,趙春江,劉洋,等.基于生長模型的玉米三維可視化研究[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報,2007,23(3):121-125.

[9] 朱春嬈,陳桂芬,蘇恒強(qiáng).玉米生長動態(tài)模擬仿真系統(tǒng)的研究[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué),2011,39(5):2599-2600,2603.

[10] 孟軍,郭新宇,趙春江.小麥地上部器官幾何造型與可視化研究[J].麥類作物學(xué)報,2009,29(1):106-109.

[11] 陳國慶,朱艷,劉惠,等.基于形態(tài)模型的小麥器官和單株虛擬生長系統(tǒng)研究[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報,2007,23(3):126-130.

[12] 周國民,丘耘,曾枝連.小麥生長模擬過程可視化軟件的研究[J].農(nóng)業(yè)網(wǎng)絡(luò)信息,2005,23(8):10-12.

[13] 何鵬,李衛(wèi)正,王琦,等.三維建模軟件CINEMA 4D在園林輔助設(shè)計中的應(yīng)用[J].林業(yè)科技開發(fā),2014,28(4):121-125.

[14] 郭新宇,趙春江.基于過程的玉米生長模擬系統(tǒng)的研制[J].中國科技成果,2004,90(12):53-54,58.

[15] 鄭文剛,郭新宇,趙春江,等.玉米葉片幾何造型研究[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報,2004,20(1):152-154.

[16] 郭焱,李保國.玉米冠層的數(shù)學(xué)描述與三維重建研究[J].應(yīng)用生態(tài)學(xué)報,1999,10(1):39-41.

Research on Dynamic Imitation and Simulation of Maize Growth

SHU Tian1,TONG Qianqian1*,YUE Yanbin1,WEN Zhu1,GAO Chao2，WANG Hu1,CHEN Weirong1,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 improve the authenticity and realism of dynamic imitation of crop growth,we built the growth models of maize in different growth periods based on field experiments from the plant height,stem diameter,ear length and width etc in this study. Then,under the support of C# language and CINEMA 4D plant modeling software,we realized the dynamic growth imitation and simulation of maize plant and group in different growth stages.The effect was vivid and had strong sense of reality.

maize; growth; dynamic imitation and simulation; geometric parameter model; C# language; CINEMA 4D

2015-12-25

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

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

*通訊作者：童倩倩(1986-)，女，貴州遵義人，助理研究員，碩士，主要從事農(nóng)業(yè)GIS與農(nóng)業(yè)信息技術(shù)研究。 E-mail：172899499@qq.com

S513;S126

A

1004-3268(2016)07-0157-04