水稻稻穗三维形态交互设计及可视化仿真研究

水稻叶片三维建模与叶色渲染汪丽萍;何火娇;杨红云【摘要】提出一种简单的水稻叶片三维建模与可视化方法.通过输入一张二维水稻叶片图像,提取叶片的基本轮廓,创建样条曲线并计算这些样条曲线的交点,然后将这些样条曲线相互连接构建水稻叶片分支脉络,从而建立叶片三维网格模型.利用纹理映射技术,将真实水稻叶片灰度纹理图像作为模型材质贴图,得到富含材质信息的叶片模型,结合前期建立的水稻叶色R、G、B三通道与SPAD的关系模型,实现了水稻叶色的实时渲染,得到的结果真实感强.%In this paper, a method to model rice leaves is proposed. The silhouette of the leaf is defined by inputting a grayscale which is converted from a scanned rice leaf image. By creating many spline curves and calculate the intersec-tions of them, and rice leaf veins are constructed by sweeping these generating curves along these intersections, then the rice leaf three-dimensional grid model is established. After that, the rice leaf grayscale image as the texture map which provides texture information and material information for the leaf model is used with texture-mapping technology to gen-erate the three-dimensional leaf model with material information. Combined with the relationship model between the rice leaf color channel R、G、B and SPAD, it realizes the real-time rendering of rice leaf color, and achieves promising realis-tic rendering results.【期刊名称】《计算机工程与应用》【年(卷),期】2017(053)024【总页数】4页(P187-190)【关键词】水稻;叶片;植物建模;渲染;可视化【作者】汪丽萍;何火娇;杨红云【作者单位】江西农业大学信息中心,南昌 330045;江西农业大学江西省高等学校农业信息技术重点实验室,南昌 330045;江西农业大学软件学院,南昌 330045;江西农业大学江西省高等学校农业信息技术重点实验室,南昌 330045;江西农业大学软件学院,南昌 330045;江西农业大学江西省高等学校农业信息技术重点实验室,南昌330045【正文语种】中文【中图分类】TP391随着数字农业研究与应用的蓬勃发展，数字植物研究专题应运而生[1]，研究的主要内容在于对植物-环境的形态结构、物理属性、生理生态过程等进行定量化、可视化表达，通过结构-功能相互作用过程的并行模拟来解释农林植物-环境的关系。

基金项目江西省教育厅科技项目（赣教技字[2005]96号）；江西省科技厅农业攻关项目（赣财教字[2006]188号）。

作者简介杨红云（1975-），男，江西新干人，硕士，讲师，从事虚拟农业技术研究。

收稿日期2007-10-12稻穗是水稻的结实器官，是产量形成的关键。

因此，众多学者开展了稻穗分化形成规律、产量构成要素之间的关系等研究，为水稻的高产栽培提供了决策依据。

在穗结构特征分析方面，一些学者进行了穗粒分布的定性描述，明确了穗结构中的稳定性状和易变性状以及不同基因型的穗结构特征[1-2]。

另外，一些学者还进行了稻穗结构的分形分析和三维重建等虚拟研究[3-4]。

但将水稻稻穗描述成计算机可以控制的模型则比较困难，关于水稻稻穗几何造型和虚拟稻穗数字化设计方面的研究还鲜有报道。

笔者采用的方法主要结合计算机图形学和数学方法来实现对稻穗的建模和可视化，构建普适性的稻穗形态模型。

采用VC++结合OpenGL 在微机上实现了水稻稻穗的三维结构，具有较强的真实感，为水稻稻穗研究提供一种新的手段。

1水稻稻穗的形态特征稻穗是圆锥花序，由主轴、枝梗和小穗组成。

穗中轴为主轴，底端连接植株主茎，主轴上生长的次枝为第一次枝梗，第一次枝梗再分生出小枝为第二次枝梗，三、四次枝梗较少发生，因而不予考虑。

由主轴顶端各节、一次枝梗顶端各节与二次枝梗的节上生出小穗梗，顶端着生小穗即谷粒。

一次枝梗、二次枝梗以及小穗均以约144°的角度螺旋状绕其着生轴生长[5]。

2水稻稻穗三维形态的几何造型描述根据水稻稻穗的主要形态结构特征，笔者将从主轴造型、枝梗轴造型以及小穗几何造型三个方面对水稻稻穗进行数学描述和建模。

水稻稻穗穗型主要分为直立穗型和弯曲穗型，直立穗型的三维形态描述相对简单，笔者主要以弯曲穗型为研究对象。

2.1稻穗穗轴造型稻穗穗轴几何模型主要描述稻穗的空间弯曲姿态和一次枝的着生位置。

将穗轴的空间姿态用空间曲线来描述，即穗轴曲线。

作物生长过程模拟模型与形态三维可视化关键技术研究作者：诸叶平李世娟李书钦来源：《智慧农业》2019年第01期摘; ;要：针对作物产量形成、品种适应性分析的数字化解析和可视化表达需求，以提高作物模拟模型的时效性、协同性和真实感为目标，结合物联网技术与作物模拟模型，进行了田间数据实时采集;应用多智能体技术进行了作物协同模拟方法研究与框架设计;开展了作物生长过程模拟模型及基于作物模型的形态三维可视化关键技术研究，以小麦作物为例，进行了田间试验，阐述了小麦三维形态模拟可视化系统的设计实现并进行了试验验证;构建了Logistic方程模拟小麦叶长、最大叶宽、叶片高度、株高等的生长变化，采用基于曲线、曲面的参数化建模方法和3D图形库OpenGL构造了小麦器官几何模型。

结果表明小麦叶长、最大叶宽、叶片高度和株高模拟模型R2值在0.772～0.999之间，回归方程的F值在10.153～4359.236之间，且Sig.小于显著水平0.05，模型显著性较好，模型的拟合度较高。

本研究将作物模拟模型结果和形态结构模型有效结合，实现了以小麦为代表的作物在不同管理措施条件下的生长过程形态三维可视化表达，为作物生产数字化系统应用提供了更有效的途径，该技术体系与方法同样适用于玉米、水稻等作物。

关键词：作物模拟模型;生长过程数字化;形态可视化;Agent技术;三维中图分类号：S24; ; ; ; ; ; ; ; ; 文献标志码：A; ; ; ; ; ; ;文章编号：201901-SA005诸叶平，李世娟，李书钦.作物生长过程模拟模型与形态三维可视化关键技术研究[J]. 智慧农业， 2019， 1（1）： 53-66.Zhu Y， Li S， Li S. Research on key technologies of crop growth process simulation model and morphological 3D visualization[J]. Smart Agriculture， 2019， 1（1）： 53-66. （in Chinese with English abstract）1; 引言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。

本技术新型公开了一种水稻三维侧视图成像装置，涉及农业科学装置技术领域，针对现有的测量绘制精度不高的问题，现提出如下方案，其包括多个支撑架，所述支撑架的上端固定连接有水平设置的放置板，所述放置板的上侧固定连接有电机，所述电机的输出轴通过联轴器固定连接有与放置板转动连接的旋转轴，且旋转轴的另一端固定连接有夹具，所述夹具的下侧固定夹持有放置箱，所述夹具的底部固定连接有镜片，本技术新型结构简单，使用方便，可以很好的进行多方位的成像，方便观察根系的生产情况，同时在绘制图形时，可以通过电脑自动合成，提高测量和绘制的精度。

权利要求书1.一种水稻三维侧视图成像装置，包括多个支撑架(1)，其特征在于，所述支撑架(1)的上端固定连接有水平设置的放置板(13)，所述放置板(13)的上侧固定连接有电机(10)，所述电机(10)的输出轴通过联轴器固定连接有与放置板(13)转动连接的旋转轴(11)，且旋转轴(11)的另一端固定连接有夹具(2)，所述夹具(2)的下侧固定夹持有放置箱(3)，所述夹具(2)的底部固定连接有镜片(12)，所述支撑架(1)底部固定连接有调节座(6)，所述调节座(6)的上端滑动配合有平衡板(5)，所述平衡板(5)的上侧放置有玻璃缸(4)，所述夹具(2)和放置箱(3)均位于玻璃缸(4)内，所述平衡板(5)的一侧通过螺栓固定连接有支撑座(7)，所述支撑座(7)的上侧固定连接有数码相机(8)，所述支撑架(1)的两侧均连接有LED灯(14)。

2.根据权利要求1所述的一种水稻三维侧视图成像装置，其特征在于，所述放置板(13)的一侧通过螺栓固定连接有控制器(9)，所述控制器(9)采用AFPX0L14R型号控制器，所述电机(10)和LED灯(14)均通过导线与控制器(9)电连接。

3.根据权利要求1所述的一种水稻三维侧视图成像装置，其特征在于，所述放置箱(3)采用圆柱形结构，所述放置箱(3)采用透明玻璃材质。

4.根据权利要求1所述的一种水稻三维侧视图成像装置，其特征在于，所述调节座(6)包括与平衡板(5)互动连接的螺纹杆，所述螺纹杆的另一端螺纹连接有螺纹座，螺纹座与支撑架(1)固定连接。

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。

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]。

水稻根系生长动态模拟模型及可视化表达杨乐;万韵【摘要】To build the dynamic simulation model for rice root growth and to achieve visualization of the root system,this paper uses Ganxin203 as experimental material,and analyses morphological features and growth characteristics of rice root by “root box”experiments.According to the morphological structure characteristic of self-similarity of rice root,using logistic equation analyses of the rice root growth rule,this article designs the L-system of rice root system and in visual C++ 6.0 using OpenGL technology to achieve the 3D visual simulation of rice root.The results show that the model behaves well to express the continue growing of rice root,and provides references for visualization studies in other crops.%为了构建水稻根系生长动态模拟模型，实现根系可视化仿真，以淦鑫203作为实验材料，设计“根箱法”试验，分析水稻根系形态特征与生长特性.根据水稻根系形态结构具有自相似性的特点，基于逻辑斯谛方程提取水稻根系生长规则，设计了水稻根系L-系统，并采用Visual C＋＋6．0和OpenGL标准图形库，实现了水稻根系生长的三维可视化模拟.检验结果表明，该模型可以很好地模拟水稻根系连续生长的效果，同时也有助于为其他作物根系的可视化研究提供参考.【期刊名称】《实验技术与管理》【年(卷),期】2016(033)008【总页数】4页(P37-40)【关键词】水稻根系;模拟模型;L-系统;三维可视化【作者】杨乐;万韵【作者单位】江西农业大学计算机与信息工程学院，江西南昌 330045; 江西省高等学校农业信息技术重点实验室，江西南昌 330045;江西农业大学计算机与信息工程学院，江西南昌 330045; 江西省高等学校农业信息技术重点实验室，江西南昌 330045【正文语种】中文【中图分类】S511;TP391.9水稻根系没有类似主茎、叶片等具有较为突出的生长特征(如节等)[1],所以定量化(如基本单元的划分等)水稻根系的结构比较困难。

(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 202010420982.5(22)申请日 2020.05.18(71)申请人 浙江托普云农科技股份有限公司地址 310015 浙江省杭州市拱墅区祥茂路36号1-2楼(72)发明人 朱旭华　林乾毕　(74)专利代理机构 杭州橙知果专利代理事务所(特殊普通合伙) 33261代理人 李品(51)Int.Cl.G06T 5/00(2006.01)G06T 5/30(2006.01)G06T 7/11(2017.01)G06T 7/136(2017.01)G01B 11/02(2006.01)(54)发明名称基于图像处理的多株水稻穗长的测量方法(57)摘要本发明公开了一种基于图像处理的多株水稻穗长的测量方法，包括以下步骤：S1、拍摄待测水稻以获得水稻图，图像记录为图jpg1；S2、对图jpg1进行图像几何校正处理，获得图jpg2；S3、对图步骤S2获得的图jpg2进行光照补偿处理，然后利用大津法OTSU对图像进行二值化，利用图像分割技术将单株水稻从二值图中分割成两部分，保留含有水稻穗长的部分，获得图jpg3；S4、将图jpg3进行形态学膨胀处理，然后进行轮廓提取，利用Zhang骨架快速并行细化算法计算，将结果图记录为图jpg4。

本发明将数字处理技术应用于农业领域的自动水稻穗长测量，取代了人工测量和笨重的仪器分析，节省了人力成本和设备成本，大幅的提高了工作效率。

权利要求书2页 说明书6页 附图6页CN 111738936 A 2020.10.02C N 111738936A1.一种基于图像处理的多株水稻穗长的测量方法，其特征在于：包括以下步骤：S1、拍摄待测水稻以获得水稻图，图像记录为图jpg1；S2、对图jpg1进行图像几何校正处理，获得图jpg2；S3、对图步骤S2获得的图jpg2进行光照补偿处理，然后利用大津法OTSU对图像进行二值化，利用图像分割技术将单株水稻从二值图中分割成两部分，保留含有水稻穗长的部分，获得图jpg3；S4、将图jpg3进行形态学膨胀处理，然后进行轮廓提取，利用Zhang骨架快速并行细化算法计算，将结果图记录为图jpg4；S5、获取步骤S4中的图jpg4，计算骨架图中的最短路径图，从最短路径图的最底部往上每隔n个像素打一个点，得到穗长路径点，计算单株水稻的穗长；S6、重复步骤S1-S5以计算图中的所有水稻的穗长，最后显示保存。

水稻生长可视化模拟系统的设计与实现丁维龙; 朱元伟; 章谦元; 张玉屏【期刊名称】《《浙江工业大学学报》》【年(卷),期】2012(040)001【总页数】4页(P46-49)【关键词】虚拟作物; 可视化; 水稻生长建模; 参数化L系统; 自动机模型【作者】丁维龙; 朱元伟; 章谦元; 张玉屏【作者单位】浙江工业大学计算机科学与技术学院浙江杭州310023; 中国水稻研究所水稻生物学国家重点实验室浙江杭州310006【正文语种】中文【中图分类】TP391.9以植物为对象的建模、仿真与可视化研究开始于上世纪60年代.早期的研究主要是基于计算机图形学的树木外型模拟，追求的是视觉效果的真实性.近十几年来，基于结构功能反馈机制的虚拟作物研究受到了越来越多的关注.国内外众多学者在棉花［1］、玉米［2－3］、高粱［4］、西瓜［5］、小麦［6］等作物的器官建模以及植株生长的可视化模拟方面做了较多工作［5］.由于水稻分蘖多、株型复杂，导致其虚拟仿真研究相对其他形态简单的作物而言比较薄弱.另一方面，尽管目前国内外已开发出多种流行的植物形态可视化建模系统，如 Xfrog［7］，PlantStudio，Virtual Plants及Tree Professional等，但专门针对某种作物的可视化仿真软件却未见文献报道.因此，以水稻为例，研究了水稻拓扑结构及其生长过程的可视化建模方法，在此基础上，开发了交互式的水稻植株形态设计系统，实现了水稻植株形态及其生长过程的交互式模拟.系统设计的总体思路是通过田间试验获取水稻生长数据，在分析水稻冠层结构特征的基础上，利用L系统构建水稻拓扑结构，结合有限态自动机模型，模拟水稻生长.系统运行时，先把数据载入系统中，再对数据进行处理，作为水稻生长的数据.然后，利用三维可视化技术，将数据转化为三维可视化，从而输出虚拟水稻植株. 水稻虚拟生长系统的设计，主要实现了三大功能：拓扑结构的构建、虚拟生长控制、三维可视化输出.系统共分为6个模块，各模块功能如下：数据载入模块是系统最先运行的模块，包括参数初始化单元和田间试验数据读取单元.参数初始化单元包括水稻品种选择、信息输出格式等初始化操作.其中，田间试验数据读取模块负责从Excel文档中读入数据.该模块包括L系统定义单元、拓扑结构建立单元、导龟设计与构建单元.其中L系统定义单元包括对L系统公理和产生式的定义.拓扑结构建立单元，用于根据水稻知识库建立水稻的拓扑结构.导龟设计与构建单元，用于对L系统的字符串进行图形化解释，并进行三维视图和坐标的定义，以可视化输出模拟结果.有限态自动机模块包括：水稻生长参数初始化单元、事件触发器单元、三维可视化信息输出单元.水稻生长参数初始化单元包括：时间轴的初始化和导龟状态的初始化.事件触发器单元根据时间轴的变化，不断产生新的事件，并对事件按发生的时间进行排序，从最早发生的事件开始，直到时间轴末端停止.三维可视化信息输出单元，主要是利用导龟机制对L系统解析，并可视化输出模拟结果.该模块主要包括水稻器官的建模算法.它根据水稻各器官的三维特征，利用数学建模和计算图形学知识，得到水稻器官的三维数学描述.关于该模块的建模算法，在笔者发表的论文［8～9］中有详细的描述，此处不再赘述.光照模块包括光照环境模拟模型，光照量计算模型.光照环境模拟模型用以完成光照强度、光源等参数的设置.光照量计算模型，以层为单位进行，将水稻冠层分为五层，如图1所示.假设上一叶层基部的辐射量即为下一叶层的辐射输入量.基于Goudriaan J.提出的冠层光合产量计算的算法思想［10］，确定水稻生长的地理条件、生长日期、环境因素、自身生长情况等参数，然后计算出各层的光合产量以及整个冠层的光合总产量.输出模块包括三维可视化输出单元和屏幕信息输出单元.三维可视化输出单元根据有限态自动机模块输出的三维信息，结合水稻器官建模模块，利用计算机图形绘制接口（OpenGL）进行绘制输出.屏幕信息输出单元负责水稻生长过程中的信息输出，包括生长时期、当前叶数、分蘖数，以及光照环境等提示信息的输出.水稻主茎和分蘖的生长具有递归性的特点，即茎上长出第四片叶的同时产生一个分蘖.同时，它们也具有同伸关系，即n叶抽出≈n－3号分蘖的第1叶抽出.分蘖的第1叶抽出后，其出叶速度与主茎叶片的出叶速度大体相同.水稻茎叶的生长关系，就单茎而言，叶片的生长具有互生关系，生于茎节的两侧.每个茎节生长一片叶子，单株常保持4－5片绿叶，随着上部新叶的生长，下部老叶逐渐枯死.每片叶子具有相似的形态，因此，水稻茎叶的分形特征比较明显.将水稻植株在器官尺度上分成：基部、生长单元、分蘖（单茎）、植株四个部分.其中生长单元，由叶下节间、叶鞘叶片或者稻穗组成.然后，通过多次试探，归纳出描述水稻单茎拓扑结构的L系统公理及其产生式规则：式中：W 为L系统公理；P1，P2，P3 为产生式规则；R为基部；B为生长单元，由叶下节间、叶鞘、叶片组成；I，S，L，P分别代表节间、叶鞘、叶片、穗.＆（180）用来控制水稻叶片的互生关系；参数i和j分别表示分孽茎号和节位号，初始都为0.maxB为最大单茎数，maxI为最大节数.利用上述产生式P1进行迭代，随着迭代次数的增加不断抽出新的分蘖；产生式P2的迭代则会使单个分蘖新器官不断抽出和生长；产生式P3则为最后一个生长单元穗和穗下节间的抽出和生长.通过控制产生式的迭代次数，可以生成不同叶数和分蘖数的水稻植株的拓扑结构.实现单株水稻拓扑结构模拟的算法思想，可以概括为：首先根据公理和产生式以及迭代次数来生成字符串，然后计算机对字符串进行解释，从而画出相应的植物拓扑结构.该算法的伪代码如下：采用有限状态自动机模型来控制水稻的生长.如前所述，在L系统迭代过程中，每次迭代都会有新的生长单元加入.假设每种生长单元都有相同或者近似的生长过程，如节间生长、出叶、叶片生长、抽穗、穗的生长.采用有限状态自动机中的状态来描述这些生长过程.经过抽象和简化，在模型中定义了4种状态：基部、节间、叶、穗.相应地，在模型中也定义了4种大事件：状态事件、分蘖事件、拔节事件、抽穗事件.状态事件分为生长事件和枯萎事件（主要针对叶状态）.模型中的“动作”是指由事件引起的状态生长变化.在模型中，建立一个“事件触发器”，事件触发器接收水稻生长的时间轴天数，结合单个器官生长方程，计算模型中每个状态（由几何参数表征），当状态值满足一定得条件，则触发一个事件.从水稻种子发芽开始（在时间轴上从0天开始），随着天数的增加，事件触发器不断的触发事件，导龟则根据不同的事件，通过扫描L系统字符串，读取相应的字符串作为状态，进行解析，根据不同的事件做出不同的动作.详细的过程流程如图2所示.依据上述水稻形态建模思想，研究开发了水稻生长三维形态可视化模拟系统“VirtualRice-1”.该系统在VisualStudio 2005集成开发环境下，使用C＋＋并结合三维绘图程序工具OpenGL开发，操作系统是Windows Vista.计算机硬件条件为Intel Core2 Duo E7300 CPU，主频为2.66 G及2.67 G；显卡为NVIDIA GeForce GTX 260；4 G内存.使用Excel文件存储实验数据.系统基于MFC中的SDI，利用窗口分割技术，把窗口分割成三个板块，其主界面如图3所示.系统主界面主要包括菜单栏、操作区、动画显示区、进度控制区.菜单栏包括数据管理、场景选择、系统帮助信息.操作区可进行的操作有：导入水稻数据、选择水稻品种、启动水稻生长、光照计算控制、器官展示和数据显示选择.动画区将显示水稻生长三维动画，及其当前的生长状态信息.进度控制区显示当前水稻生长进度，并可以调节当前进度.图4是在计算机上模拟出的水稻生长的效果图，其中图4（a）为分蘖期；图4（b）为抽穗期的形态，图4（c）为穗成熟期的形态.从模拟结果可以看出，建立的系统较好地模拟了水稻生长的形态变化过程.针对水稻结构及其生长过程极为复杂的特点，将参数化L系统和有限状态自动机模型有机融合，利用参数化L系统建立水稻的拓扑结构，结合有限状态自动机模型描述水稻器官的生长，实现了水稻生长的可视化模拟.研究建立了多模型综合集成的水稻形态三维可视化建模系统原型.该软件专门针对水稻株型的模拟和设计，能够根据田间测量出的形态数据，可视化模拟出不同品种水稻的株型.设计开发的水稻形态三维可视化建模系统，目前只实现了基本原型，系统功能、界面还需要进一步扩充和完善，系统模拟的可视化效果和交互能力还需进一步提高.在未来的工作中，为设计高产水稻株型及对其生长进行调控，必需综合考虑冠层生物量生产及其分配和叶片生长三者之间的关系，研究建立水稻冠层的“结构-功能”反馈模型，在此基础上建立高产水稻形态结构的定量化设计方法和相关原型系统.【相关文献】［1］ROOM P M，HANAN J S.Virtual cotton：a new tool for research，management and training［C］／／Proceedings of the World Cotton Research Conference-1：Challenging the Future，Brisbane.Melbourne：Csiro Australia，1995：40-44.［2］FOURNIER C，ANDRIEU B A.A 3D architectural and process-based model of maize development［J］.Annals of Botany，1998，81：233-250.［3］郭炎，李保国.玉米冠层的数学描述与三维重建研究［J］.应用生态学报，1999，10（1）：39-41.［4］KAITANIEMI P，HANAN J S，ROOM P M.Virtual sorghum：visualization of partitioning and morphogenesis［J］.Computers and Electronics in Agriculture，2000，28：195-205.［5］赵春江，陆声链，郭新宇，等.西瓜三维形态几何建模和真实感绘制技术研究［J］.中国农业科学，2008，41（12）：4155-4163.［6］伍艳莲，曹卫星，汤亮，等.基于Open GL的小麦形态可视化技术［J］.农业工程学报，2009，25（1）：121-126.［7］LINTERMANN B，DEUSSEN O.Interactive modeling of branching structures［J］.IEEE Computer Graphics ＆ Applications，1999，19（1）：56-65.［8］丁维龙，刘畅，张玉屏，等.基于弯曲变形计算的水稻穗空间形态模拟研究［J］.中国水稻科学，2010，24（3）：309-314［9］马培良，丁维龙，古辉.基于OpenGL和双三次贝塞尔曲面的稻叶可视化建模［J］.浙江工业大学学报，2010，38（1）：36-40.［10］GOUDRIAAN J.A simple and fast numerical method for the computation of daily totals of crop photosynthesis［J］.Agricultural and Forest Meteorology，1986，38：249-254.。