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植物根系生物学的研究进展植物根系是植物的重要器官之一，对于植物的生长、营养吸收和环境适应起着至关重要的作用。
近年来，随着科学技术的不断发展和研究方法的不断创新，植物根系生物学的研究取得了一系列重要进展。
本文将从根系形态、生理功能以及基因调控等方面介绍植物根系生物学的最新研究成果。
一、根系形态的研究进展根系形态对植物的生长、稳定和营养吸收能力具有重要影响。
传统的研究方法主要依赖于手工测量和观察，但这种方法耗时费力且无法获取全面准确的数据。
近年来，随着三维成像技术的发展，研究者们可以更加准确地描述和分析根系的形态特征。
例如，基于X射线断层扫描技术（X-ray computed tomography，CT）和核磁共振成像技术（magnetic resonance imaging，MRI），研究者们可以获得根系的三维结构，进而分析根系的形态参数如长度、体积、分枝角度等。
此外，还有一些自动化的图像处理工具和算法应用于根系形态的分析，大大提高了测量效率和准确度。
二、根系生理功能的研究进展根系不仅是植物吸收水分和养分的器官，还参与了植物对环境的感知和适应。
近年来，研究者们通过测定根系的生理指标和代谢产物来揭示根系的功能。
例如，根系的渗透调节机制对于植物在不同土壤水分条件下的水分平衡至关重要。
研究者发现，植物根系中的渗透调节物质（如脯氨酸和可溶性糖）在根系水分调节中起着关键作用。
此外，根系还参与植物的营养吸收和物质转运等过程。
通过研究植物根系与土壤微生物共生关系，研究者们发现根系分泌的有机物质可以促进土壤微生物的生长和活动，从而提高植物对养分的吸收效率。
三、根系生长调控的研究进展根系的生长调控是植物长期适应环境的结果，也是植物发育和形态变化的基础。
近年来，研究者们通过逆向遗传学、表观遗传学以及转录组学等研究方法，揭示了许多控制根系生长的关键因子和信号通路。
例如，植物激素（如生长素、赤霉素、脱落酸等）在根系发育中发挥着重要作用。
植物根系形态结构的三维成像技术及其在资源利用研究中的应用植物的根系是其生存和发展的重要基础，在植物学和农业领域的研究中具有重要意义。
随着科技的发展，越来越多的研究者开始关注植物根系的形态结构，尝试使用先进的成像技术来研究植物根系的结构和功能。
近年来，三维成像技术的应用已经成为研究植物根系的重要手段之一。
本文将介绍三维成像技术在植物根系研究领域中的应用现状和前景，以及其在资源利用研究中的重要意义。
一、三维成像技术在植物根系研究中的应用现状1. 数字根系分析技术（DRA）数字根系分析技术（DRA）是一种基于计算机成像的技术，可以对植物根系进行三维成像和分析。
DRA使用高分辨率数字图像来重建根系的三维结构，能够测量其体积、分叉、长度、表面积等参数。
同时，DRA还可以通过模拟光线来预测植物根系的分布和影响，为植物生长和营养吸收提供帮助。
2. 光学显微成像技术（OMI）光学显微成像技术（OMI）是一种基于光学显微镜的技术，可以对植物根系进行大规模的三维成像和分析。
通过在显微镜下将根系进行分层成像，OMI能够在一定范围内获得高分辨率的三维图像。
OMI还可以通过数字化技术将根系形态结构进行数字化处理，进一步分析根系结构的动态变化和生长规律。
3. X射线CT成像技术X射线CT成像技术是一种基于X射线探测器的技术，可以对植物根系进行高分辨率的三维成像和分析。
通过将植物根系置于CT扫描仪中，可以获取其详细的三维形态结构信息。
X射线CT成像技术具有不破坏性的特点，不会影响植物的正常生长和发育，因此被广泛应用于植物根系的研究和分析。
二、三维成像技术在资源利用研究中的应用前景植物根系的形态结构对其生长和营养吸收具有重要影响。
因此，三维成像技术在植物资源利用研究中具有重要意义。
以下是三维成像技术在资源利用研究中的应用前景：1. 植物选择和培育通过对植物根系形态结构的分析和比较，可以筛选出最具生产力和适应力的植物品种，并进行分析和改良。
农林作物三维重建方法研究进展随着科技的不断进步，农林作物三维重建方法已成为研究农作物生长过程、优化农业生产的重要手段。
本文将概述农林作物三维重建方法的现状、研究方法及实验结果，并探讨未来的研究方向和发展趋势。
三维重建技术是指通过计算机技术和图像处理方法，将物体或场景转化为三维模型的过程。
近年来，随着计算机视觉、深度学习等技术的不断发展，三维重建技术已广泛应用于各个领域，包括农业、林业、医学、建筑等。
在农林作物领域，三维重建技术可以用于研究作物生长过程、监测作物病虫害、优化农业生产等方面，具有广阔的应用前景。
目前，农林作物三维重建方法主要包括以下几种：结构光三维重建法：通过结构光扫描获取物体的三维信息，然后利用三角测量原理重建出物体的三维模型。
该方法精度较高，但需要精密的设备支持，且操作较为复杂。
立体视觉三维重建法：通过多个视角的图像获取物体的三维信息，然后利用立体视觉原理重建出物体的三维模型。
该方法适用于远距离和动态目标的重建，但精度较低。
深度学习三维重建法：通过深度学习算法对图像进行特征提取和分类，然后利用分类结果生成物体的三维模型。
该方法适用于复杂结构和动态变化的物体，但需要大量的训练数据。
在农林作物领域，目前应用最为广泛的是深度学习三维重建法。
该方法可以通过对作物图像的学习，自动识别作物的不同部位，如叶片、茎秆、果实等，并生成作物的三维模型。
同时，深度学习算法还可以根据作物的形状、尺寸等特征进行分类和识别，从而为农业生产提供更为精确的数据支持。
在农林作物三维重建方法的研究中，我们采用了深度学习三维重建法进行研究。
具体流程如下：数据采集：收集不同种类农林作物的图像数据，包括正常生长状态和受灾状态下的图像。
数据预处理：对采集的图像进行预处理，包括图像增强、去噪、分割等操作，以提高图像质量和识别效果。
模型训练：利用深度学习算法对预处理后的图像进行训练，学习作物的特征和形态。
三维模型构建：在训练好的模型基础上，对新的图像进行分类和识别，并根据分类结果生成作物的三维模型。
番茄植株三维形态精确重构研究袁晓敏;赵春江;温维亮;郭新宇;陆声链;魏学礼【摘要】In order to provide techniques for digital design of the 3-D shape and visual simulating of tomato, on the foundation of observation, measurement and analysis of long term on tomato, the classification modeling of configuration of leaves and lateral branches was put forward based on measured data. Leaves and lateral branches were classified, and template libraries were constituted, which contains 2 ~ 4 temples respectively. Several principal control parameters with explicit biological background for these geometric models of organs were extracted based on the morphological features of tomato. Interactive designing the 3-D shape and organs of tomato were implemented by using template techniques. The models designed by this method, which presented polymorphism and have high realistic, could be integrated with agricultural knowledge easily. An interactive design software based on geometric model of tomato organs was exploited, by which users can design tomato plant model interactively. The digital model appears polymorphism, and ratios of model and real plant that the vertical projection leaf area and total leaf area were compared, they were 0. 478 8 and 0. 483 2, respectively, the error between them was 0. 91% , so it has a high sense of reality.%为实现番茄形态的数字化设计与可视化模拟,通过对番茄进行长期的观察测量与分析,提出了对实测数据统计分析的基础上进行器官模板分类的几何建模方法.对叶片和侧枝进行了分类,每种分类都建立模板库.依据番茄器官的主要形态特征,提取器官几何模型的主控参数.结合模板技术实现了番茄主要器官和植株三维形态结构的交互式设计软件.所提出的基于番茄器官几何模型的植株结构交互式设计方法所构建的模型呈现多态性,并且对模型和对应的真实植株的垂直投影叶面积与总叶面积的比值进行了计算,分别为0.478 8和0.483 2,其误差为0.91％,具有较高的真实感效果.该设计方法易于结合农学知识,且满足番茄形态多样化的数字化设计要求,对形态结构复杂的园艺作物几何建模具有一定的参考价值.【期刊名称】《农业机械学报》【年(卷),期】2012(043)012【总页数】7页(P204-210)【关键词】番茄;三维形态;分类建模;交互设计【作者】袁晓敏;赵春江;温维亮;郭新宇;陆声链;魏学礼【作者单位】国家农业信息化工程技术研究中心,北京100097;国家农业信息化工程技术研究中心,北京100097;国家农业信息化工程技术研究中心,北京100097;国家农业信息化工程技术研究中心,北京100097;国家农业信息化工程技术研究中心,北京100097;国家农业信息化工程技术研究中心,北京100097【正文语种】中文【中图分类】TP391.4引言目前在农业信息化研究中，数字植物技术体系的研究越来越受到广大学者的关注，数字植物是利用数字化的方法对植物进行研究，并为植物几何建模、生长过程模拟、可视化计算、植物生命体系的数字化表达、协同科研实验、集成应用以及成果共享等提供技术支撑和信息服务［1～2］。
研究进展：作物生长过程模拟模型与形态三维可视化技术研究进展：作物生长过程模拟模型与形态三维可视化技术作物生长过程是一个涉及作物基因、生长环境、管理措施等诸多变化因素的复杂巨系统，作物生长过程模拟一直都是作物生长过程数字化研究的重点内容之一。
目前发达国家已经建立了比较完善的作物生长模拟模型，如美国的D S S AT模型、澳大利亚的A P S IM模型、荷兰的S U C R O S模型等。
我国的作物生长过程模拟研究虽然起步晚，但发展较快，并形成了一些具有代表性的模型。
曹宏鑫等、曹卫星等以及高亮之和金之庆主要以作物栽培学为主，从作物科学与信息技术相结合角度，探讨了数字化栽培的框架与技术体系；潘学标等结合中国棉花栽培研究成果研制了棉花生长发育模拟模型C O T G R O W；冯利平和韩学信建立了棉花的生长模拟模型C O T S Y S；孙忠富和陈人杰建立了以太阳辐射为基本驱动因子的温室番茄生长发育动态模型。
2005年，作者团队完成了小麦、玉米及连作模拟模型构建；赵春江院士团队、曹卫星团队、曹宏鑫团队还集成专家系统、决策支持系统等技术，构建了相应技术的作物模拟系统。
随着数字化技术的发展，作物生长过程模拟模型得到了越来越多的重视和科研投入，并且正在向实用化方向迈进。
现有的作物模拟技术都是针对各要素建立相应的模拟模块，并最终集成形成整体的作物生长模拟模型，在各个模拟模块的协同性和模型的可扩展性上均存在明显的不足。
出现于20世纪70年代末的智能体（Ag e n t）技术是人工智能技术的一个重要分支，具有较强的自主性、协同性、响应性及智能性，能够有效地解决作物生长模拟模型在协同和扩展方面存在的问题，已经成为作物生长过程模拟研究的新手段。
随着理论和技术的不断成熟，Ag e n t技术逐渐发展为多智能体系统（Mu l t i-Ag e n t Sy s t e m，MA S）。
国内外学者对Ag e n t技术在农业领域的应用开展了一定的研究，Ba d j o n s k i和Iv a n o v i研制了一个遗传育种Mu l t i-Ag e n t专家系统，实现了模拟育种专家选择合适品种；Be n t h a m在作物生产管理方面进行了尝试，构建了开放性的基于Ag e n t技术的决策支持系统，可以为农场主提供决策支持；Be r g e r提出了一个基于Mu l t i-Ag e n t的农业经济空间模型，该模型将经济和水文模块融合到同一个空间框架内，以便及时反馈灌溉带来的影响；作者团队将Ag e n t技术融于现代农业经济管理决策支持系统的研究与开发中，设计了基于Ag e n t的农业经济智能决策支持系统；王纪章针对温室作物生长模拟生理生态模型的特点，开展了基于Mu l t i-Ag e n t技术的温室作物模型自动集成机制研究，建立了温室作物模型库系统。
小麦根系三维形态建模及可视化*谈 峰 汤 亮 胡军成 姜海燕 曹卫星 朱 艳**(南京农业大学江苏省信息农业高技术研究重点实验室,南京210095)摘 要 作物三维形态建模和可视化技术是数字植物研究的重要组成部分,本文旨在构建基于形态特征参数的小麦根系三维形态模型,并实现小麦根系生长的可视化.基于小麦根系生长的可视化技术框架,首先构建了小麦根轴的三维显示模型,包括根轴生长模型、分枝几何模型和根轴曲线模型;然后结合根系拓扑结构,确定相应的图元,利用根系形态模型输出的形态特征参数,对整个小麦根系进行三维重构;最后基于OpenGL 图形平台,综合纹理映射、光照渲染、碰撞检测等真实感处理手段,实现了小麦根系生长的三维可视化表达.结果表明:模型输出的根系真实感较强,能较好地实现不同品种、水分和氮素条件下小麦根系的三维可视化表达.研究结果为进一步建立完整的可视化小麦生长系统奠定了技术基础.关键词 小麦 根系 几何建模 形态参数 可视化文章编号 1001-9332(2011)01-0137-07 中图分类号 S126 文献标识码 AThree -di m ensional m orphological m odeling and visua lization of wheat root syste m.TAN Feng ,TANG L iang ,HU Jun -cheng ,JI A NG H a-i yan,CAO W e-i x ing ,ZHU Yan (J i a ng s u K ey La -borator y for Infor m ation Agricult u re ,N anjing Agricultural University ,Nanjing 210095,China ).-Ch in .J.App l .E col .,2011,22(1):137-143.A bstract :C rop three -di m ensi o na l (3D)m or pho l o g ical m odeling and v isualization is an i m portant part o f dig ita l plant study .Th is paper ai m ed to deve l o p a 3D m orpho log ica lm ode l ofwhea t root sys -te m based on t h e para m eters ofw heat roo tm or pho l o g i c al features ,and to rea lize the v isualization o f wheat roo t g r ow th .Accord i n g to t h e fra m e w ork of v isualization techno l o gy for wheat roo t gro w th ,a 3D v isualization mode l o fwheat root ax is ,inc l u d i n g root ax is g r ow th m ode,l branch geo m e tric m od -e ,l and roo t ax is curve m ode,l w as deve l o ped firstly .Then ,by integra ti n g roo t topology ,the corre -sponding p i x e lw as deter m ined ,and the whole wheat r oot syste m w as t h ree -di m ensionally re -con -structed by usi n g the m orpho log ica l feature para m eters i n the root m orpho log ical m ode.l F i n ally ,based on t h e platfor m o fOpenGL ,and by integra ti n g the techno l o g i e s of tex t u re m apping ,li g hting renderi n g ,and co llision detection ,the 3D v isualization of wheat roo t g r ow th w as rea lized .The 3D output ofw heat root syste m fro m the mode lw as viv i d ,wh ich cou l d realize the 3D roo t syste m v isua-l ization o f d ifferentw heat cultivars under d ifferen tw ater reg i m es and n itr ogen app lication rates .Th is study cou ld lay a technical founda ti o n for furt h er deve l o p m ent of an integra l visua lizati o n syste m o f wheat p lan.t K ey words :whea;t root syste m;geo m etric m ode li n g ;m orpholog ical para m eter ;v isualization .*国家自然科学基金项目(30800136)和江苏省科技支撑项目(BE2009342)资助.**通讯作者.E-m ai:l yanzhu @n j 2010-05-07收稿,2010-10-18接受.根系是作物与土壤相互作用的纽带,在作物的生长发育过程中起着极其重要的作用.虚拟根系是指基于作物根系生长的生理生态过程和形态结构建成规律,利用计算机技术建立作物根系的三维形态与可视化表达模型,为直观展示作物根系的生长过程提供技术途径[1].近年来,许多学者已通过直接或间接的方法来定量描述作物根系的形态结构及其空间分布特征,但由于作物根系形态较难测量,使得根系的三维形态建模与可视化研究严重滞后于地上部植株[2].国内外许多学者在根系的可视化研究上展开了大量的工作,如D i g g le [3]建立了第1个模拟根系结构的三维模型,该模型可以模拟根系的年龄、位置和根段取向,但是没有考虑其形态学参数,如根茎增长应用生态学报 2011年1月 第22卷 第1期 Ch i nese Journa l of A pp lied E co logy ,Jan .2011,22(1):137-143等形态特征;Pages等[4]基于观察到的根系结构特征,构建了玉米根系结构模型,但此模型完全基于数学统计方法,所描述的根系生长速率的变化范围较大,涉及的参数生物学意义不明确;王美丽和何东健[5]基于L系统建立了根系分形度量的计算机模型,实现了对小麦根系生长过程的模拟,但用L系统生成的根系十分规则,缺乏真实感;熊海桥等[6]提出了一种基于约束和粒子系统思想的建模方法对小麦根系生长进行建模,但此模型随机性很强,不能与农学知识进行有效的耦合.另外,上述这些模型均没有考虑水分、养分胁迫及其他环境因子对根系的影响.为此,金明现等[7]应用面向对象的程序设计方法建立了玉米根系三维生长模型,模拟了不同土壤水分剖面根系的生长过程,探讨了根系向水性的产生机制;Lynch等[8]应用几何表示法对大豆根系的平面和空间几何位置进行了模拟,建立了S i m Root 模型,可以初步模拟植物根系结构及其对水分和养分的吸收,但上述模型均没有考虑根系所具有的随机性特征,应用起来具有一定的局限性.尽管前人在作物根系建模与可视化方面已有较多研究,但大多侧重于模拟作物根系的生长发育规律和拓扑结构特征,不能较好地模拟不同品种和水氮处理下根系三维形态的差异,虽有少数研究构建出了根系三维模型,但忽略了对根系细节的形态描述,真实感不强.为此,本研究以小麦根系为对象,在提出小麦根系生长可视化技术框架的基础上,构建小麦根轴的三维显示模型;结合根系形态建成模型输出的形态特征参数和拓扑结构,对小麦根系进行三维重构;并进一步基于OpenGL图形平台,利用纹理、光照、碰撞避让等真实感显示技术,实现对不同品种、氮素和水分条件下小麦根系三维形态的可视化表达,为进一步建立数字化可视化的小麦生长系统奠定技术基础.1小麦根系生长可视化技术框架小麦根系生长可视化技术框架总体上分为建模和渲染两部分.建模是指对小麦根系的三维重构;渲染是指利用计算机图形学上的真实感显示技术(碰撞避让、纹理映射、光照渲染、随机性处理),生成形态逼真的小麦根系仿真图形.其中,根轴的三维显示模型主要包括根轴几何图元的建立和根轴曲线的确定;小麦根系形态建成模型主要是基于品种遗传参数、气象资料、管理技术措施等数据,模拟小麦根系图1小麦根系形态可视化的技术框架Fig.1T echn i ca l fra m ewo rk o fw heat root m orpho l ogy v is ua liza-tion1的形态发生随生育进程的变化规律及其与环境的动态关系,其输出指标包括:不同级别根系数量、发根的时间与部位、不同类别根系生长速率等形态特征参数和拓扑结构.具体实现过程如图1.2小麦根系构成与拓扑结构211小麦根系构成小麦属须根系,当种子萌发时,从胚根发育的根称为种子根,直接从胚轴上生出的根称不定根,它们统称为初生根.随着生长进程的推移,初生根成熟区分生出侧根(即分枝根),而侧根上又发生次一级的枝根,枝根上再生出各级小枝根.从基部茎节上发生的不定根叫做次生根,次生根基本上也以初生根同样的方式发生不同级别的分枝根.这样,初生根、次生根、不同级别的分枝根等,就在土壤中形成一个上大下小、圆锥状的须根系[9].具体如图2所示.212小麦根系的拓扑结构在描述小麦根系的拓扑结构时,分析小麦根系各类型根轴相互之间的位置关系,使用倒向放置的轴向树来描述.它由根、主根轴、分枝组成,各部分都带有标号,且遵循一定的顺序.从根节点出发到每个终止节点均形成路径,在该路径中至少有一条后继边的节点称为内节点;终止节点称为外节点或顶端;主轴及分枝依序分成一级、二级等.节点可以确定是否产生分枝,一旦分枝便形成一级分枝,类似地二级分枝也是如此.因此小麦根系的生长可以采用几何模型结合一些特征参数来进行描述.138应用生态学报22卷图2小麦根系的形态结构示意图F i g.2The diag ram of root m orpho logy and structure i n wheat.1)初生根Pri m ary rad i cle;2)分枝间隔B ran c h i ng i n t erva;l3)一次分枝Pri m ary b ran ch of root;4)二次分枝Secondary b ranch of root;5)次生根Secondary root.3小麦根系的空间生长模拟311小麦根轴三维显示模型在根系的绘制过程中,根轴伸长发育过程的模拟是其重要的组成部分.描述根轴动态生长时,每个生长周期的生长量是不可预知的,而是根据当前节点携带的信息决定下一步生长,每个生长节点是一个结构体,携带生长所需的信息.31111根轴的生长方向参照Pages等[4]的模型,在均质土壤条件下,根轴在当前生长周期内的生长方向D取决于:根轴前一个周期的生长方向(D-1)、根轴生长所受到的向性影响(D T)、根轴生长所受到的随机因素的影响(D R).其中,向性影响包括水分、养分、自身遗传属性和向地性生长趋势.D=D-1+D R+D T转换到空间坐标系根轴的最终位置可以用坐标表示为:X2=X1+L#cos A,Y2=Y1+L#cos B,Z2=Z1+ L#cos C式中:(X1,Y1,Z1)是在该生长周期内根轴的初始位置;(X2,Y2,Z2)是在该生长周期内根轴的终点位置;L为该生长周期内根轴生长的长度;cos A、cos B、cos C为根轴向量的方向余弦值,根轴向量由方程D最终决定.31112根轴的分枝根系生长最终将导致分枝,即新的侧根产生.根据Lung ley[10]和Chen等[11]对侧根位置的研究,小麦根系有明显的顶端优势,只有在距离顶端一定长度的部位才能长出侧根.根系分枝前方向多变,为了确定分枝根的方向,使用旋转变化张量方法,应用每条根轴分枝前后的空间位置矢量之间的关系计算得到分枝根的方向.首先将根轴分枝空间结构经过一系列的旋转平移至正交坐标系中,然后进行新的分枝计算,得出在正交坐标系中新的分枝方向,最后进行回溯反向平移旋转回到空间初始位置,确定空间分枝的方向.由图3a可以看出,最终的分枝方向P2P3由先前的向量P0P1和P1P2共同决定,将已知坐标转换到标准正交坐标系XOY中,对应的坐标位置通过旋转平移至XY平面内,设为:P0c,P1c,P2c,所要求的分枝方向则变为P2c P3c,用向量v表示,具体分解到每个坐标轴表示成(v1,v2,v3)(图3b).v1=|v|#si n C#cos Dv2=|v|#cos C,y单位化|v|=v21+v22+v23,v/|v|v3=|v|#si n C#si n D旋转向量至正交坐标系后:a1=(x1-x0)/|v|b1=(y1-y0)/|v|,y单位化x=(a1,b1,c1)c1=(z1-z0)/|v|类似,可以求得y c=(a2,b2,c2),z c=(a3,b3, c3),x c=(a4,b4,c4).得到组成矩阵R的3个单位向量x c,y c,z c,即:xyz===a4b4c4a1b1c1a3b3c3=R通过矩阵运算就可以经过回溯得到P2P3的方向,即新的分枝根的生长方向.31113根轴曲线的建立根轴的生长以一定的时间间隔为步长,以段的方式向前递进,每次只向前递进一段.生长过程中遇到需要分枝时,则按照分枝规则分枝,产生新的生长节点.这样就构成了一个生长节点的序列,连接这些生长节点,就构成了一条根轴曲线(图3c).312小麦根系的三维重构在小麦根轴曲线三维模型建立的基础上,由于实际根轴的断面近似于圆截面,可以认为根轴曲线是由无数个绕轴线圆台组合而成,而整个根系构型则是由一定数量的根轴依据根系拓扑结构构成的. 31211几何图元本研究中描述的根轴以图4a所示的圆台进行绘制,含有4个属性:圆台上底R1、下底R2、高度L和根轴的生长方向.且遵循一定的约束条件:前一根段顶部比后一根段的半径大;主轴比1391期谈峰等:小麦根系三维形态建模及可视化图3 小麦根系分枝方向F i g .3 Branchi ng d i recti on of roo t i n whea t .a)侧根空间向量确定The deter m i nati on of s pace vect or of bran ch i ng root ;b)原始方向The ori gi nal d i recti on ;c)根轴曲线的建立Estab lis hm en t of root axis cu rve .次生轴根半径大.根轴的绘制采用根段连接的方法,调用OpenGL 图形库中二次曲面绘制函数:g luCy li n der (Ob,j node ->data 1thick1,node ->data 1thick2,d istance ,10,1),其中,node ->data 1th ick1为半径R 1,node ->data 1thick2为半径R 2,distance 为根轴高度L ,10是控制这个圆柱体的圆截面的数量,1是控制围绕圆柱体沿z 轴所产生的片段的数量.31212模型参数的确定 根据311中根轴的三维显示建模过程,根轴的三维形态是由发根时间、发根部位、根轴生长方向、分枝发生方向等描述参数决定的,这些参数在小麦根系形态建成的不同时期,均可以通过具体的试验资料和实验室已有小麦根系形态模型进行模拟输出,具体参数见表1.31213整个根系的三维重构 构造出根轴的三维形态后,基于小麦根系的拓扑结构,就可实现整个根系图4 小麦根系根段空间模型Fig .4 Space m ode l of root seg m ent i n wheat .a)根段基本模型The b as i c m odel of root s egm ent ;b )根段生长模拟The s i m u lati on of root seg m en t grow t h.表1 小麦根系形态特征参数及定义Table 1 M orphol ogical character para m eters and defin iti on of wh eat root参数Para m eter含义I m pli cati on单位Un it 根系初始生长点I n iti al positi on 初始生长的位置Th e initi al positi on of root i n w heat c m 根系初始生长速率I n iti al rat e 根轴生长速率Th e i n i ti al rate of root i n w heatmm /GDD 根系初始生长方向I n iti al d irecti on 初始生长时的方向Th e i n iti al d irecti on of root in w heat TYPE 轴向角Ax i al ang l e 沿根轴向旋转的角度Angle rotati ng al ong the root ax i alrad 径向角Rad i al ang l e 沿根径向旋转的角度Angle rotati ng al ong the root rad i al rad 根轴半径Radius 主轴、3级分枝根半径Rad i us of p ri nci pal axis and other three types of rootc m 弯曲时间Bend ti me 根轴沿一个方向弯曲时间The curli ng ti m e al ong one d irection TYPE 发根时间Em erge ti m e 根轴发根的时间Th e e m ergence ti m e of root i n w heat TYPE 分枝出生时间Branch ti m e 分枝根出生的时间Th e e m ergence ti m e of branch TYPE 根系类型Type of root0~3级根轴类型Types of rootTYPE 生长度日G ro w i ng degree days(GDD)根系生长需要的积温A ccumu lated t e m perat u re f or root grow t he #d140应 用 生 态 学 报 22卷的三维重构.首先由小麦根轴的形态特征参数完成单个根轴的几何造型,然后根据形态模型中确定的不同类型根轴的发根节位和发根时间,依据根系的拓扑形成规律,实现小麦根系的三维重构.4小麦根系的真实感技术小麦根系形态的可视化不仅应该保证三维形态的准确性,还应具有比较真实的视觉外观.因此,在对小麦根系进行三维重构的基础上,还需对生成的三维模型进行纹理映射、光照渲染、碰撞检测以及随机抖动等真实感显示技术的处理,以生成真实感较强的图形.411纹理映射本研究采用颜色纹理来进行纹理映射,使用根系扫描仪定点定时扫描不同时刻根系的纹理特征.纹理图片的大小为32@32bm p格式(这里只考虑规则的纹理图像,高度和宽度为2的幂).基本步骤如下:首先调用函数g l G enTextures()来获取未使用的根系纹理数据,使用函数g l T exPara m eter*()设置纹理映射到根系根段表面的状态参数,然后使用函数gl T ex I m age2D()和g l B indTex ture()分别指定纹理图像和绑定纹理对象,并使用函数g l E nab le()启用纹理映射,最后使用函数g l T exCoord()定义顶点的纹理坐标与几何坐标,几何坐标决定了顶点在显示屏上的位置,纹理坐标决定纹理图像中哪一种纹理赋予这个顶点.412光照处理由于根系生长在黑暗的环境中,无法对其准确描述,故使用光照效果以达到比较直观的表达.本研究采用OpenGL的光照模型来模拟现实世界的光照效果.基本步骤如下:首先用g l L igh tfv()函数定义光源,调用g l E nab le()打开光源,然后调用g l L ighM t o-defv()设置OpenGL光照模型中的3个参数:全局环境光、观察点的位置以及对前、后面的光照计算,最后用g M l aterialfv()函数指定根系的材质属性.413根系碰撞检测避让模型根系生长过程中,在同一个生长环境下不同根系及相邻根系之间难免会出现碰撞、交叉、回避现象[12],本研究采用回避偏向角算法来实现根系间的碰撞效果.小麦根系在生长过程中每个生长阶段都会产生新的根节点,而新产生的根节点都有具体的空间坐标.当相邻两条根系经历了相同的生长时间后,遍历两条根系的所有根节点的空间坐标,通过比较分析来判断这两条根系是否有碰撞.当根系间存图5小麦根系生长碰撞示意图Fig.5Si m ulation d i agra m o fw hea t roo t gro w th co lli sion1在不碰撞相交时,则不用继续检测直接进行下一阶段生长;当根系间进行碰撞相交时,则需要对其进行碰撞响应.假设两条根系的当前根段中所有点的坐标集合分别为P i(x i,y i,z i)和P j(x j,y j,z j),其中i,j=1,2, 3,,,n,则:d=|P j-P i|= (x j-x i)2+(y j-y i)2+(z j-z i)2当d小于产生碰撞所设置的临界值时,在根轴原生长方向的基础上旋转一个角度U(图5)进行调整,产生一个回避偏移量,这个角度在本研究中设为1b~30b之内的随机取值,用来避免碰撞所产生的根系重合现象.414随机性处理为了避免可视化时根系曲线生硬,对参数做随机处理以增加抖动效果.在小麦根系形态模型输出的形态特征参数的统计均值基础上,加上一个介于上下限值之间的随机变量予以实现,随机变量的范围由上下限限定,准确度由均值确定.根据中心极限定理和大数定理[13],本模型构造了如下随机变量:N r=(N m ax-N a)r12158-(N a-N m in)r22158式中:N r为随机变量;N a为形态特征参数的平均值; N m in为形态特征参数的最小值;N max为形态特征参数的最大值;r1,r2为服从正态分布N[0,1]的随机变量.5小麦根系的虚拟仿真基于2009年在南京农业大学校内温室实施的不同品种(淮麦25与扬麦18)、水分和氮素处理的小麦水培试验,测定了不同处理条件下小麦根系的三维形态参数,并将其输入到上述建立的小麦根系可视化模型中,对不同处理下的小麦根系三维形态进行可视化模拟分析.1411期谈峰等:小麦根系三维形态建模及可视化图6小麦根系的可视化显示F i g.6V isualizati on of wheat roo t syste m.a)出苗后25d扬麦18在不同氮素水平下的根系可视化Root vi sualizati on ofYang m ai18at25d ays after e m ergence under d i ff eren t n i trogen rates:1)低氮Low n itrogen;2)中氮M i dd le n itrogen;3)高氮H i gh n i trogen;b)出苗后25d淮麦25在不同水分处理下的根系可视化Root vi sualizati on of Hu ai m ai25at25days after e m ergence under d ifferent water reg i m es:1)干旱Drought;2)适宜Su i tab le;3)渍水W aterl oggi ng;c)小麦根系生长竞争模拟S i m u lati on of root gro w th co m petiti on i n wh eat;d)不同生育阶段的小麦根系生长模拟S i m ulation of root gro w t h i n wh eat at d ifferen t gro w th sta-ges:1)出苗后6d6days after e m ergence;2)出苗后15d15d ays after e m ergen ce;3)出苗后25d25days after e m ergence;4)出苗后35d35days after e m ergence.图6a为不同氮素水平下扬麦18出苗25d根系三维形态的可视化输出,显示氮素水平对根系的影响主要体现在侧根数量和长度上,低浓度氮素刺激侧根生长,而高浓度氮素则显著抑制侧根生长.图6b为不同水分胁迫下淮麦25出苗25d根系三维形态的可视化输出,显示不同水分处理对根系的影响主要体现在根系扎根的深度和侧根数量上,当土壤含水量较大时,扎根比较浅,根系相对较发达,反之扎根较深,根系相对较弱.图6c为模拟的相邻根系的碰撞避让.图6d为模拟的出苗后6、15、25和35d 4个不同生育阶段小麦根系的可视化输出,可较好地展现出苗35d内小麦根系的动态生长过程.6小结本文以小麦根系为研究对象,初步构建了小麦根系三维形态显示模型,模型所需参数都是在试验基础上获得,具有明确的生物学意义;在此基础上,进一步结合根系拓扑结构,对整个小麦根系进行三维重构;最后利用OpenGL图形平台,对根系进行真实感绘制,初步实现了小麦根系生长过程的三维可视化输出.模型具有良好的通用性、实用性和可控性,能够较好地应用于作物根系的研究与教学工作.依据参数化建模技术,结合植物学理论分析根系的拓扑形成规律,用参数拟合和数学统计方法对小麦根系的根轴生长进行空间模拟,克服了传统经验模型[4,14-16]的模拟结果与实际根系形态间存在较大误差的缺点.在对根系分枝进行几何建模时使用旋转变换张量法,并通过碰撞检测和随机抖动处理来增加环境因素对根系生长速率、根系分枝密度、分枝方向和根系直径等的影响,与大多数根系模型[7,17-20]相比,更加合理可行,更好地体现了根系生长对环境因子的响应[21],同时,经过渲染处理后生成的虚拟小麦根系具有较强的真实感,符合植物学上的生长发育规律.根系的生长发育受到多种因素的综合影响[21-24],与地上部的生长也存在一定的协同关系,今后应进一步构建根冠耦合的虚拟作物模型,以更好地体现品种遗传特征、生态环境和管理措施对小麦根系三维生长的定量影响.参考文献[1]Hu B-G(胡包钢),Zhao X(赵星),Y an H-P(严红平),et al.P lant gro w th m ode li ng and v i sualization:R ev i ew and perspecti ve.A cta A uto m atica S i 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植物根系结构与功能研究的新进展植物的根系是其重要的生命组成部分之一，承担着吸收水分和养分、固定植物体以及与土壤环境相互作用等重要任务。
对植物根系结构与功能的研究，有助于我们更好地理解植物的生长发育、适应环境的机制以及提升植物的产量和抗逆能力。
近年来，关于植物根系的研究取得了新的进展，本文将着重介绍一些新的研究成果和新的研究方法，以期为植物科学研究提供新的思路和方法。
一、植物根系结构的新进展植物根系的结构对植物的生长发育以及对土壤环境的适应有着重要影响。
近年来，针对植物根系结构的研究逐渐深入，取得了一些新的进展。
1. 植物根系的分形结构探索分形是一种自相似的结构形态，在植物根系的研究中，也引起了广泛的兴趣。
研究表明，植物根系的分枝模式和树冠结构之间存在着一定的相似性，这种相似性可能对植物的生长和适应起到重要的作用。
利用分形理论和数学模型，科学家们研究了植物根系的分形特征和分支模式，从而进一步探索了植物根系的生长规律和适应机制。
2. 植物根系的空间排列与地下竞争植物根系的空间排列对于生态系统的稳定性和植物个体生存竞争力具有重要影响。
传统上，人们对植物根系的空间排列主要是从二维平面的视角进行研究，但是近年来，随着三维技术的进步，科学家们开始尝试使用三维重建技术来研究植物根系的空间分布。
通过分析植物根系的空间排列，可以探讨植物的竞争与合作策略，为建立生态系统合理管理和植物优化种植模式提供理论依据。
二、植物根系功能的新进展植物根系的功能包括吸收水分和养分、固定植物体以及抗逆等多个方面。
近年来，针对植物根系功能的研究也取得了一些新的进展。
1. 植物根系对水分和养分的吸收机制植物根系对水分和养分的吸收是植物生长发育的重要环节。
研究表明，植物根系的吸收能力与其表面积、根毛密度以及根系分泌物等因素密切相关。
近年来，科学家们运用生物化学、分子生物学等多种技术手段，对植物根系吸收机制进行了深入研究，揭示了一些新的吸收机制和调控途径。
水稻根系三维建模及可视化方法研究进展作者：吴盼盼唐子宗杨乐彭军张欢欢施俊林来源：《福建农业学报》2021年第08期摘要：根系是水稻获取养分的主要器官，水稻根系三维建模及可视化有助于进一步了解其根系的形态、结构和功能。
随着计算机视觉和非侵入性技术的小断发展，根系形态和功能研究已进人数字化和可视化的阶段。
近年来许多研究者分别从制作出土根系于绘图、计算机断层扫描（ CT）等非侵入性技术、数学建模以及仿真模拟等方面推进水稻根系三维建模及可视化的研究。
根系数据的获取是三维建模的有效前提，根据是否破坏根系原有生长环境，根系数据探测被分为破坏性探测和原位探测两类，本文对比分析了两种探测方式的方法和特点。
从人工观察测量、机器视觉、光学仪器或断层扫描的三维数字化等方面对水稻根系的三维建模进行了阐述，总结了水稻根系三维建模及可视化的研究进展，并对当下主流三维重构技术进行分类和对比，总结了不同根系三维重构方法在重建效果、成本、操作水平等方面的优劣势。
此外，南于根系生长在复杂多变的土壤环境中，小同时期根系的生长发育受土壤紧实度，水分、养分分布等因素的影响而存在差异，且受限于土壤的不透明和小稳定性，更多水稻根系的三维建模研究主要停留在根系基本指标与非环境因素（如土层深度、时问）的统计拟合及单环境因子对水稻根系生理生态的影响上，而根系与多环境因子动态交互方面的研究较少。
在高度非结构化的根系数据处理困难的情况下，探究水稻根系与环境的动态转化过程及根系生长与多环境因子的定量关系模型将成为未来根系三维建模研究的重要方向，为构建更具真实意义的可视化模型提供基础。
关键词：水稻根系;探测方法;三维重构;环境一根系模型中图分类号：S 511文献标志码：A文章编号：1008-03 84（2021）08-0972-09Visualization of Rice Root System by 3D Modeling： A ReviewWU Panpan 1， TANG Zizong 1， YANGLe 1.2*， Peng Jun 1. Zhang Huanhuan 1， Shi Junlin l（ I. College of Computer Information and Engineering， Jiangxi Agricultural University Nanchang， Jiangxi 330045， China;2. Key Laboratory of lnformation Technology in Agriculture for Colleges and Universities in Jiangxi Province， Jiangxi AgricultureUniversity， Nanchang， Jiangxi330045. China）Abstract： As an organ that extracts water and nutrients from the soil. the root system is vital for a rice plant. Establishing a 3Dmodel to visualize the system structure can materially help the studies on the morphology and functional traits of the roots.Recent advancements in the computerized and non-invasive technologies make the information digitization for scientificresearch increasingly accessible and significant progresses possible. For instance， utilizing hand drawings and computertomography （CT）， mathematical models were built to vividly simulate the configuration of unearthed root system. Since dataacquisition that proceeds model building is essential for an accurate and reliable representation. this article compares andanalyzes the principles and characteristics of two classes of detection methods for information collection on the rootsystems.These methods can be either destructive or in-situ in applications depending upon whether or not the original growthenvironment was interrupted or destroyed. The 3D modeling and visualization of rice root system is explained in this articlefrom the aspects of manual observation and measurement， machinery vision. 3D digitization by optical instruments. andtomography， etc. The mainstream reconstruction technologies are classified， compared， and analyzed with respect to the prosand cons on the resulting effect as well as the cost and ease of operation. Since environmentalconditions are ever-changing. thedevelopment of a root system is invariably complex and varied. The affecting factors include the firmness. moisture content.and nutrients distribution of the soil a plant grows on. In addition. the non-transparency and instability of soil has so farhindered the related studies and confined to the fundamental and non-enviromuental elements. such as. depth of layer and time，for statistical analysis. Consequently， few reports dealt with the dynamic interactions among the multi-environmental factorsthat effect on the root development are available. Evidently， in the foreseeable future. the newly developed modeling andvisualization technologies would usher in innovative applications and deep understanding in the field of study.Key words： Rice root system： detection method： 3D reconstruction; root system-environment model1绪论水稻是重要的粮食作物之一[1]，根系作为水稻的重要器官可直接影响其水分和养分的吸收能力，并通过与土壤的相互作用影响其生产效率[2-3]。
作物根系研究方法与技术作物根系研究是作物根系形态结构、发育生理、功能和适应性等方面的综合研究。
通过研究作物根系，可以深入了解作物的养分吸收和水分利用方式，为作物的栽培管理和育种提供科学依据。
以下是几种常见的作物根系研究方法与技术。
1.根系形态观察和测量：根系形态是根系研究的基础，可以通过标本解剖、盆栽观察和非破坏性测量等方法进行研究。
标本解剖是将根系从植株中取出，进行解剖切片观察，可以获得根系的内部结构信息。
盆栽观察是将植株种植在透明容器中，观察根系在土壤中的生长形态，了解根系的分布和形态特点。
非破坏性测量利用根系图像分析仪等设备，通过扫描和图像处理技术，测量各种根系参数，如总根长、根直径、根表面积等。
2.根系生长和发育生理研究：作物根系的生长和发育过程受到内外源因素的影响，通过研究这些生理过程可以了解根系的发育机制。
根系生长与根尖细胞分裂活性有关，可以通过根系伸长速率、根尖细胞分裂活性和根毛数量等指标来评估根系生长发育。
可以利用生长室中的水培或纸培等方法，控制外源因素变化，如光照、温度、水分等，以探究对根系生长影响的生理机制。
3.根系功能研究：作物根系是作物吸收水分和养分的重要器官，可以通过实验测定根系对水分和养分的吸收能力，从而评估根系功能。
常用的测定方法包括根系水吸力曲线、离子吸收曲线和根系生物气候学等。
利用这些方法，可以了解作物根系对土壤水分和养分的吸收规律和适应性状况。
4.根系适应性研究：不同作物在不同土壤条件下，根系适应性差异较大。
通过研究作物根系在不同土壤中的形态结构和生理特征，可以评估和筛选根系适应性强的品种。
常用的方法包括根系发育型研究、根系图像分析、土壤环境分析和根系编译等。
可以利用特殊土壤条件或土层叠合栽培的方式研究根系的适应性。
总之，通过上述方法和技术，可以全面深入地研究作物根系的形态结构、发育生理、功能和适应性，为作物的栽培管理和育种提供科学依据。
