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小麦植株形态建成的模拟模型研究

作　者: 谭子辉
导　师: 曹卫星
学　校: 南京农业大学
专　业: 作物栽培学与耕作学
关键词: 小麦 叶长 叶宽 叶形 叶鞘 茎秆 节间 茎叶夹角 穗长 穗宽 穗厚 穗形 叶色 SPAD RGB 叶曲线 冠层 拓扑结构 形态模型 模拟模型 虚拟作物
分类号: S512.1
类　型: 硕士论文
年　份: 2006年
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内容摘要


小麦植株形态建成的模拟模型，对实现小麦生长的可视化表达具有重要的理论意义和应用价值。本研究基于小麦生长发育规律，以热时间为主线，通过连续观测不同氮肥水平下不同类型品种小麦地上部器官的形态特征，综合研究了不同处理条件下小麦主要器官生长发育的动力学过程及其受氮素因子的影响，构建了小麦植株主要器官形态建成的模拟模型，具有较好的解释性和预测性，从而为进一步建立虚拟小麦生长系统奠定了基础。本研究以不同氮肥水平下不同类型小麦品种的两年田间试验为基础，通过连续观测不同处理条件下小麦主茎和分蘖叶片形态指标(包括叶长和叶形)，综合分析了小麦叶片形态指标随生育进程和环境条件的变化规律，并构建了冬小麦叶片生长过程的动态模拟模型。小麦叶片的伸长过程符合S型曲线，而不同叶位叶片的最终长度符合双峰曲线，且在不同氮肥处理之间均差异明显。采用Logistic方程描述了叶片长度的动态变化过程，用二次曲线和线性方程来定量描述了叶形的动态变化过程，同时采用叶片氮含量量化了氮素对叶片生长特征的影响。并利用不同小麦品种的田间试验资料对所建模型进行了测试和检验。主茎叶片定长叶长、不同时刻叶长和叶宽预测值的平均RMSE分别为8.4％、12.3％和8.9％；分蘖叶片的定长叶长、不同时刻叶长和叶宽预测值的平均RMSE分别为11.5％、11.2％和9.4％。基于不同处理条件下小麦主茎和分蘖叶片的叶曲线特征，通过定量分析叶片的受力模式，推导建立了小麦叶曲线方程，并进行了影响系数的参数化和方程求解。进一步利用三维数字化仪获得的不同品种小麦拔节期和孕穗期叶脉空间坐标数据对叶曲线方程进行了模拟分析，结果表明叶曲线方程可以合理而可靠地定量描述小麦叶曲线特征的动态变化规律。通过连续观测不同处理条件下小麦主茎和分蘖叶片的SPAD，综合分析了小麦叶片SPAD随生育进程的变化规律及其与RGB的关系，并构建了基于SPAD的冬小麦叶色变化模拟模型。小麦叶片SPAD随生育进程的变化在生长初期和生长衰老期符合二次曲线的规律，叶片功能期SPAD保持不变，且在不同氮肥处理之间均差异明显。采用分段函数描述了叶片SPAD随生育进程的动态变化过程，并用线性方程定量描述了叶片SPAD与RGB的定量关系，同时采用叶片氮含量量化了氮素对SPAD变化规律的影响。利用不同小麦品种的田间试验资料对所建模型进行了测试和检验，不同时刻主茎和分蘖叶片SPAD预测值的平均RMSE分别为11.60％和9.03％。基于不同处理条件下小麦主茎和分蘖叶鞘与茎秆的形态指标(包括长度、粗度和茎叶夹角)，综合分析了小麦叶鞘和茎秆随生育进程的变化规律，并构建了冬小麦叶鞘及茎秆生长过程的模拟模型。小麦叶鞘长度的变化过程在拔节前符合对数方程，拔节后符合S型曲线。节间长度的变化过程符合S型曲线，粗度的变化过程符合线性方程。茎叶夹角的变化过程在生长初期符合线性方程，叶片功能期保持不变，衰老期呈现无规律的变化，且在不同施氮水平之间差异明显。采用Logistic方程描述了节间长度的变化过程；用分段函数描述了叶鞘长度和茎叶夹角的变化过程，用线性方程描述了节间粗度的变化过程；同时采用叶片氮含量量化了氮素对叶鞘及茎秆生长特征的影响。利用不同小麦品种的田间试验资料对所建模型进行了测试和检验，显示不同时刻主茎和分蘖叶鞘长度、节间长度、节间粗度和茎叶夹角预测值的平均RMSE分别为8.2％、10.4％、11.2％和13.2％。基于不同处理条件下小麦主茎和分蘖麦穗的形态指标(包括穗长、穗宽和穗厚)，分析了小麦麦穗形态指标随生育进程和环境条件的变化规律，并构建了冬小麦麦穗生长过程的动态模拟模型。小麦麦穗的伸长过程符合S型曲线，而不同蘖位麦穗的最终长度符合二次曲线，且在不同氮肥处理之间均差异明显。采用Logistic方程描述了麦穗长度的动态变化过程，用二次曲线和线性方程定量描述了穗形的动态变化过程，同时采用叶片氮含量量化了氮素对麦穗生长特征的影响。利用不同小麦品种的田间试验资料对所建模型进行了测试和检验，不同时刻麦穗穗长、穗宽和穗厚预测值的平均RMSE分别为4.3％、8.5％和8.4％。通过定量分析不同处理下小麦冠层形态指标之间的动态关系，构建了普适性的冬小麦冠层拓扑结构模型。小麦冠层结构的变化过程符合S型曲线，且在不同施氮水平之间差异明显。可以采用Logistic曲线模拟器官伸长过程，并结合器官发育与PHYLL的关系，确定各器官的初始伸长时间，形成小麦植株冠层生长模型。同时，可以节间及其着生叶或穗为单位，将小麦植株分解成若干生长单元，来描述小麦植株的冠层拓扑结构。利用不同小麦品种的田间试验资料对所建模型进行了测试和检验，显示不同时刻预测值的平均RMSE为10.2％。表明模型总体上具有较强的动态预测性和可靠性。

全文目录


摘要  7-9
第一章 文献综述与研究目的  9-19
  1 虚拟现实技术和虚拟植物生长  9-10
  2 虚拟植物生长的研究意义  10
  3 虚拟植物模型的研究进展  10-16
    3.1 三维技术  11
    3.2 分形理论  11-13
    3.3 L-系统及其衍生系统  13-14
    3.4 参考轴技术  14-15
    3.5 模拟模型技术  15-16
  4 本研究的目的与意义  16
  参考文献  16-19
第二章 研究思路与方法  19-25
  1 研究思路与技术路线  19-21
  2 资料来源  21-23
    2.1 田间试验  21
    2.2 数据获取及主要测定内容  21-23
      2.2.1 叶片  21-22
      2.2.2 叶鞘  22
      2.2.3 茎  22
      2.2.4 分蘖动态  22
      2.2.5 温度  22-23
      2.2.6 叶热间距  23
      2.2.7 整体形态  23
  3 模型的建立与检验  23-24
    3.1 建模方法  23
    3.2 模型检验方法  23-24
  参考文献  24-25
第三章 冬小麦叶片生长动态的模拟研究  25-37
  1 材料与方法  26
    1.1 试验设计  26
    1.2 观测方法  26
    1.3 建模方法  26
  2 结果与分析  26-33
    2.1 模型的描述  26-31
      2.1.1 叶长动态模拟  26-29
      2.1.2 叶形动态模拟  29-31
    2.2 模型的检验  31-33
  3 结论与讨论  33-34
  参考文献  34-37
第四章 小麦叶曲线特征的定量模拟  37-43
  1 材料与方法  37-38
    1.1 试验设计  37
    1.2 观测方法  37-38
  2 结果与分析  38-40
    2.1 叶曲线方程的推导  38-39
    2.2 叶曲线方程的求解  39-40
    2.3 叶曲线方程的模拟分析  40
  3 结论与讨论  40-41
  参考文献  41-43
第五章 基于SPAD的冬小麦叶色模拟模型  43-53
  1 材料与方法  43-44
    1.1 试验设计  43
    1.2 观测方法  43-44
    1.3 建模方法  44
  2 结果与分析  44-48
    2.1 模型的描述  44-48
      2.1.1 叶片SPAD的动态模拟  44-47
      2.1.2 SPAD与RGB值的关系模型  47-48
    2.2 模型的检验  48
  3 结论与讨论  48-50
  参考文献  50-53
第六章 冬小麦叶鞘及茎秆生长过程的模拟研究  53-61
  1 材料与方法  53-54
    1.1 试验设计  53-54
    1.2 观测方法  54
    1.3 建模方法  54
  2 结果与分析  54-59
    2.1 模型的描述  54-57
      2.1.1 叶鞘长度的动态模拟  54-56
      2.1.2 节间长度和宽度的动态模拟  56-57
      2.1.3 茎叶夹角的动态模拟  57
    2.2 模型的检验  57-59
  3 结论与讨论  59
  参考文献  59-61
第七章 冬小麦麦穗生长过程的模拟研究  61-69
  1 材料与方法  61-62
    1.1 试验设计  61-62
    1.2 观测方法  62
    1.3 建模方法  62
  2 结果与分析  62-66
    2.1 模型的描述  62-65
      2.1.1 穗长动态模拟  62-64
      2.1.2 穗宽动态模拟  64
      2.1.3 穗厚动态模拟  64-65
    2.2 模型的检验  65-66
  3 结论与讨论  66-67
  参考文献  67-69
第八章 小麦冠层拓扑结构的动态模拟研究  69-77
  1 材料与方法  69-70
    1.1 试验设计  69
    1.2 观测方法  69-70
    1.3 建模方法  70
  2 结果与分析  70-73
    2.1 小麦冠层生长的结构特征  70-71
    2.2 小麦冠层器官伸长模型  71-72
    2.3 小麦器官伸长模型的检验  72-73
    2.4 小麦植株冠层形态的虚拟实现  73
  3 结论与讨论  73-74
  参考文献  74-77
第九章 讨论与结论  77-83
  1 讨论  77-80
    1.1 冬小麦叶片生长动态模拟  77-78
    1.2 冬小麦叶鞘及茎秆生长模拟  78
    1.3 冬小麦麦穗生长过程模拟  78-79
    1.4 基于SPAD的冬小麦叶色模拟  79
    1.5 小麦叶曲线特征的动态模拟  79-80
    1.6 本研究的特色与创新  80
  2 结论  80-81
  参考文献  81-83
Abstract  83-86
致谢  86

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中图分类: > 农业科学 > 农作物 > 禾谷类作物 > 麦 > 小麦
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