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基于模型的小麦根系可视化研究

作　者: 谈峰
导　师: 曹卫星
学　校: 南京农业大学
专　业: 计算机应用技术
关键词: 小麦根系形态模型三维结构几何建模可视化系统
分类号: S512.1
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

虚拟根系是在计算机上以可视化的方式模拟根系在三维空间中的形态结构变化规律及其生长发育过程,是虚拟作物研究中的重要组成部分,在农学、生态学、虚拟教学以及提高虚拟作物生长研究整体水平具有十分重要的现实意义和广泛的应用前景。本文以小麦根系为研究对象,以生长度日(GDD)为驱动因子,基于不同试验资料,初步构建了小麦根系三维形态模型。然后,结合模型输出的形态特征参数和拓扑结构,利用三维几何建模技术,构建了小麦根轴的三维几何模型,并实现对小麦根系的三维重构；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,实现不同条件下小麦根系三维形态的可视化表达；最后,利用组件化和可视化技术开发了数字化可视化的根系生长系统。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。通过温室桶栽和水培试验对小麦根系形态建成进行系统观测,采用3 Space Fastrak三维数字化仪和WinRhizo根系分析仪提取了小麦根系的长度、分枝根数、夹角等形态特征参数,利用数学建模技术,结合植物学理论分析根系的拓扑形成规律,构建了小麦根轴的几何形态模拟模型,包括根轴生长模型、分枝几何模型和根轴曲线模型。基于已建立的根系几何动态生长模型,应用Visual C++和OpenGL图形库,结合小麦根系的基本模式,确定相应的图元；然后利用根系形态模型输出的各个生长阶段每条根轴及其根段的形态特征参数和相应实测形态数据,创建根轴、根段及根轴类型等数据结构,编制递归算法计算根轴生长量并新建分枝根,完成根系动态可视化生长,最终实现对整个小麦根系进行三维重构。利用三维图形技术,综合纹理映射、光照渲染、随机抖动处理,并进一步提出了根系间碰撞检测的方法和相应的响应机制,实现对小麦根系生长分布的可视化模拟。基于小麦根系形态模型和可视化模型,利用组件化和可视化技术开发了数字化可视化的根系生长系统。该系统可以模拟不同条件下小麦根系生长可视化,展示不同品种类型、不同水分、氮素处理下根系生长的动态过程。此外,系统还设置了图像的编辑,缩放,旋转光照,存储及打印预览功能等。该系统的实现为构建数字化可视化小麦生长系统奠定了基础。

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摘要 7-9ABSTRACT 9-11第一章文献综述与研究目的 11-25 1 虚拟现实与虚拟作物 11-13 1.1 作物生长模拟与可视化研究 12-13 1.2 作物根系模拟的提出 13 2 国内外根系可视化研究进展 13-17 2.1 国外研究概况 13-15 2.2 国内研究概况 15-17 3 根系可视化研究中存在的问题 17-19 3.1 生长过程中的相关性研究 18 3.2 根系与环境作用过程的定量化描述 18-19 3.3 模型评估与验证 19 4 本研究的目的与意义 19-20 参考文献 20-25第二章研究思路与方法 25-35 1 研究思路与技术路线 25-27 1.1 研究思路 25-26 1.2 开发流程与技术路线图 26-27 2 资料来源 27-30 2.1 试验研究 27-28 2.2 测定指标 28-30 3 研究内容与方法 30-32 3.1 小麦根系生长可视化技术框架 30 3.2 小麦根系三维形态建模 30-31 3.3 不同生长条件下小麦根系生长可视化 31 3.4 数字化可视化根系生长系统的构建 31-32 参考文献 32-35第三章小麦根系形态建模研究 35-49 1 小麦根系的基本模式 36-37 1.1 小麦植株体的构造与植物单元 36 1.2 小麦根系生长的同伸关系 36-37 1.3 根系生长主茎根和分蘖根的组织和表示 37 2 小麦根系形态及拓扑结构描述 37-39 2.1 小麦根系的形态结构 37-38 2.2 小麦根系的拓扑结构 38-39 3 小麦根系几何形态建模 39-46 3.1 根轴的发生 39-41 3.2 根轴的分枝 41-44 3.3 根轴曲线的建立 44-45 3.4 环境对根系几何形态的影响 45-46 4 讨论与小结 46-47 参考文献 47-49第四章小麦根系生长的可视化研究 49-65 1 小麦根系可视化模型算法及实现 50-55 1.1 模型采用的数据结构 50-51 1.2 模型实现算法流程 51-53 1.3 小麦根系的三维可视化 53-55 2 根系真实感绘制技术 55-62 2.1 渲染技术 55-58 2.2 随机性抖动效果处理 58 2.3 根系绘制优化效果处理 58-60 2.4 相邻根系间的碰撞技术 60-62 3 讨论与小结 62-64 参考文献 64-65第五章基于模型的小麦根系生长可视化系统构建 65-81 1 开发工具 65-69 1.1 OpenGL简介 65-69 1.2 开发环境 69 2 系统的结构与功能 69-71 2.1 数据库层 70-71 2.2 模型库层 71 2.3 输出层 71 3 系统的设计与实现 71-75 3.1 需求分析 71-72 3.2 可视化模型组件的设计 72-74 3.3 系统功能模块设计 74-75 4 系统的应用 75-78 5 讨论与小结 78-79 参考文献 79-81第六章讨论与结论 81-87 1 讨论 81-83 1.1 小麦根系形态形态建模 81-82 1.2 小麦根系三维可视化技术 82-83 1.3 相邻根系间的碰撞技术研究 83 1.4 数字化可视化根系生长系统的构建 83 2 本研究的创新与展望 83-85 2.1 创新与特色 83-84 2.2 研究展望 84-85 3 结论 85 参考文献 85-87在学期间发表的论文与参加的研究课题 87-89致谢 89

基于模型的小麦根系可视化研究

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