李月

摘要：農(nóng)作物的三維建模與可視化系統(tǒng)的研究對于農(nóng)作物生長過程和經(jīng)濟產(chǎn)量有重要意義。在花生（Arachis hypogaea Linn.）拓撲結構與花生的生長參數(shù)的基礎上再運用計算機圖形學技術OpenGL，實現(xiàn)花生地下組織可視化生長系統(tǒng)，運行結果表明，此系統(tǒng)能較好地顯示出花生地下組織各器官生長在不同生長階段的可視化形態(tài)特征，逼真地實現(xiàn)了花生地下組織可視化的動態(tài)生長過程。

關鍵詞：生長模型；花生（Arachis hypogaea Linn.）根系；三維可視化；OpenGL

中圖分類號：S126；S565.2 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2017）05-0962-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2017.05.044

Research on Visualization Technology of Peanut Underground Organ

LI Yue

（College of Information Science & Technology， Agricultural University of Hebei， Baoding 071001， Hebei，China）

Abstract： Research on three dimensional modeling and visualization system of crops，for the study of crop growth process and economic output are important. The visual growth system of the underground structure of peanut（Arachis hypogaea Linn.） is realized by using the computer graphics technology OpenGL of peanut topology and the growth parameters of peanut. The operating results of the system show that the system can show the visual morphological characteristics of the growth of the underground structure of peanut. Realistic realized the dynamic visualization of the underground peanut growth process.

Key words： growth model；peanut（Arachis hypogaea Linn.） root；3D visualization；OpenGL

20世紀80年代以來，作物生長可視化技術已經(jīng)成為了農(nóng)業(yè)科學研究最前沿的領域之一，這些年的研究獲得了飛速的進展[1-3]。根系是作物最重要的器官組成之一，對作物的生長發(fā)育起重要作用，同時與農(nóng)作物的產(chǎn)量有直接關系[4]。但是，由于測量技術的局限性與根系生長環(huán)境的不可視性，對根系生長模擬可視化技術的研究緩慢。目前，主要的根系模型有SimRoot[5]，而這個模型可視化的方法就是應用計算機圖形學的相關知識，根據(jù)對植物根系的生長過程進行模擬并且將獲得的幾何、空間數(shù)據(jù)進行可視化繪制，從而展現(xiàn)作物可視化生長過程[6-11]。但是在生長環(huán)境、管理措施發(fā)生變化的時候，這個模型就無法自發(fā)地表現(xiàn)這些變化，而要重新去修改參數(shù)來實現(xiàn)這一情況下的生長狀態(tài)模擬。

近年來，對花生（Arachis hypogaea Linn.）根系進行可視化報道比較少，一般是作為花生整體的一部分進行研究，或是研究花生根系與其他器官組織的相互作用[12]。如在花生生長過程的研究中，涉及花生根系、莢果、根瘤的生長發(fā)育過程等[13-15]。

由于花生地下組織不單單指根系，還包含有地下莢果、根瘤。本研究在總結前人研究成果的基礎上[16-19]，在Visual C++ 6.0平臺借助OpenGL來實現(xiàn)花生地下組織的可視化生長過程模擬，真實地再現(xiàn)花生根部生長過程中形態(tài)特征的變化，以期為花生整株的生長模擬可視化提供技術基礎。

1 花生地下組織可視化技術框架

以花生地下組織的生長為研究對象，建立花生地下組織三維可視化模型。在已知的花生生長參數(shù)的基礎上結合花生地下組織的拓撲結構，利用OpenGL圖形庫來實現(xiàn)花生地下組織生長過程的三維可視化輸出[20-22]。其中，花生根系的三維顯示模型包括根軸線方向的確定與根段圖元的建立，花生莢果的三維顯示模型包括花生皺縮曲線與花生分段圖元的建立，花生根瘤的三維顯示模型包括球形貼片圖元的建立。圖1為花生地下組織可視化技術框架。

2 花生地下組織的生長參數(shù)與拓撲結構

2.1 花生地下組織的生長參數(shù)

花生地下組織的三維形態(tài)是由根的徑向生長、軸向生長、生長方向、分根時機、分根數(shù)量、根瘤生長時機、莢果生長時機與皺縮時機等描述參數(shù)決定的，這些參數(shù)在花生地下組織形態(tài)建成的不同時機，均可以通過具體的試驗資料和已有的花生地下組織的生長模擬進行輸出[23]，具體參數(shù)見表1。表2為花生地下組織各器官不同時期的生長狀況。

2.2 花生地下組織的拓撲結構

由圖2可知，在描述花生地下組織的拓撲結構時，首先應該分析花生主根系與其他根系之間的位置關系，根系與莢果、根瘤之間的位置關系與分生關系。因此，在描述花生地下組織的生長時可以采用花生地下組織的三維顯示模型與花生生長的拓撲結構來進行描述。

3 花生地下組織的三維可視化

3.1 花生根系的三維可視化

在描述花生的根系動態(tài)生長時，把根分為不同的根段，每個根段的節(jié)點處攜帶的生長信息決定其下一步生長，每一個根段的生長點都是一個單獨的結構體，包含了生長的所有信息。參照RootMap模型，根的生長方向Dn是由上一根段的生長方向D1、向地性因素DG與另外一個隨機因素DR三者共同決定。

Dn=D1+DG+DR

rs=a×■

隨著根長度的增加，根的半徑也會有所增長，式中rs是當前根處的半徑，a是花生根部的徑向生長速率，l為此根段處與根基部的距離。

ls=■×rs

式中，m是當前根的原長，x為經(jīng)驗所得的固定值，lr是新生長的根段長度，ls指長出新根段后根的總長度。通過控制不同的a與rs實現(xiàn)不同環(huán)境下根的生長狀況。因此，生長了多個根段之后的根的總長度lr′：

lr′=lr+ls

由于花生根系的斷面近似于圓形，可以把花生根軸看成由多個圍繞中心軸線的圖元疊加而成，而整個花生根系是由多個根軸按照花生地下組織的拓撲結構生長而成。根部的幾何圖元如圖3a所示，得到根軸幾何圖元的生長方向，上底面半徑R1，下底面半徑R2，圖元高度L，無數(shù)個圖元按照一定的次序首尾相連，調用OpenGL圖形庫中的曲面繪制函數(shù)：wgluCylinder（Obj，no→data.thick1，node→data.thick2，distance，m）；其中，node→data.thick1為半徑R1，node→data.thick2為半徑R2，distance為根軸高度L，m是根軸幾何圖元的數(shù)量。

3.2 花生根瘤與莢果的三維可視化

由于花生根瘤近似于球形，莢果近似于葫蘆形、蠶繭形，兩者都是關于各自中心軸線的高度對稱，把整個莢果或者整個根瘤作為整體進行可視化模擬需要得到較多數(shù)據(jù)，大量的數(shù)據(jù)會導致較大誤差，因此在本研究中使用了一種新型的模擬方法，將莢果與根瘤沿著它們各自的中心軸劃分為2個部分，然后只需要對一個部分進行可視化模擬，最后采用對稱拼接的方法完成完整的莢果與根瘤的可視化。

NURBS曲面建模方法可較好地對各分部進行模擬，主要使用三維掃描儀來獲取一個部分的控制頂點。NURBS曲面的計算公式為：

P（s，t）=■

節(jié)點矢量：S={s0，s1，…sm+k+1}（si≤si+1，i=0，1，…m+k），T={t0，t1，…tn+l+1}（tj≤tj+1，j=0，1，…n+l）其中（s，t）∈[sk，sm+1]×[tl，tn+1]，pi，j為控制頂點，wi，j為pi，j的權重，Ni，k（s）與Nj，l（t）分別為矢量B樣條的基函數(shù)。用三維掃描儀來獲取的莢果或根瘤的三位坐標代入上式，得到花生莢果與根瘤的曲面（圖4、圖5）。

4 花生可視化生長的實現(xiàn)

根據(jù)上述花生地下組織可視化的方法，在Windows XP平臺下，利用Visual C++ 6.0開發(fā)環(huán)境和OpenGL圖形庫對花生各地下組織器官進行可視化仿真，并實現(xiàn)其動態(tài)生長，如圖6所示。

由于莢果是地下組織長到一定階段才出現(xiàn)的，在根瘤旺盛時期的莢果還沒成形。在花生生長的第70 d時，莢果開始長出并且莢果的體積很小，從這時候開始莢果快速生長。圖7為不同階段花生莢果的生長狀況。圖8為最終實現(xiàn)的花生可視化生長系統(tǒng)，運行結果表明，該系統(tǒng)能精確地顯示花生地下組織在不同條件下的生長狀態(tài)，為以后花生整株的可視化生長奠定了基礎。

5 小結

本研究主要是在花生地下組織的生長參數(shù)與拓撲結構的基礎上來實現(xiàn)花生地下組織的三維可視化，從而構建出花生地下組織的可視化生長模擬系統(tǒng)。在Visual C++ 6.0平臺上，使用OpenGL設計隨機算法，實現(xiàn)花生地下組織生長過程的可視化。系統(tǒng)可以直觀地模擬花生地下組織根系、莢果、根瘤的生長過程，對花生地下組織的定量化研究有一定意義。同時本研究中使用的方法也有不足之處，模擬系統(tǒng)中沒有涉及花生地上部分對花生地下組織的相互影響，以及根系中各單根之間的競爭生長，這些都有待進一步研究。

參考文獻：

[1] 劉 慧，湯 亮，張文宇，等.基于模型的可視化水稻生長系統(tǒng)的構建與實現(xiàn)[J].農(nóng)業(yè)工程學報，2009，25（9）：148-154.

[2] 丁維龍，朱元偉，章謙元，等.水稻生長可視化模擬系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)[J].浙江工業(yè)大學學報，2012，40（1）：47-49.

[3] 談 鋒，湯 亮，胡軍成，等.小麥根系三維形態(tài)建模及可視化[J].應用生態(tài)學報，2011，22（1）：137-142.

[4] 李 冬，林寶鋼，石雪強，等.油菜植株三維結構的測量與可視化建模研究[J].浙江農(nóng)業(yè)學報，2013，25（5）：926-932.

[5] 陳紀龍，劉真真，等.基于三維結構的胡楊莖生長模型的研究與可視化[J].塔里木大學學報，2014，26（3）：96-100.

[6] 伍艷蓮，曹衛(wèi)星，湯 亮，等.基于OpenGL的小麥形態(tài)可視化技術[J].農(nóng)業(yè)工程學報，2009，25（1）：121-126.

[7] 席 磊，汪 強，張龍龍.煙草根系生長的三維模擬仿真[J].微電子學與計算機，2010，27（4）：106-110.

[8] DIGGLE A J. Rootmap-a model in three-dimensional coordinates of the growth and structure of fibrous root system[J].Plant Soil，2005，105：169-178.

[9] LYNCH J P，NIELSEN K L，DAVIS R D，et al. Simroot：Modeling and visualization of botanical root systems[J].Plant Soil，2006， 180：139-151.

[10] 王小純，馬新明.不同花生品種莢果發(fā)育及有機物積累動態(tài)研究[J].中國油料作物學報，2013，25（1）：37-39，44.

[11] 李俊汰，沈 華，彭金海，等.旱地花生莢果發(fā)育與施肥關系的研究[J].中國農(nóng)業(yè)通報，2015，21（7）：193-194，427.

[12] 徐 亮，王月福，程 曦，等.施磷對花生根系生長發(fā)育與產(chǎn)量的影響[J].花生學報，2009，38（1）：32-35.

[13] 楊江科，謝福莉，周俊初.花生根瘤菌群體遺傳多樣性和系統(tǒng)發(fā)肓研究[J].遺傳學報，2008，29（12）：1118-1125.

[14] PABLO B，F(xiàn)IORELA N，ERIKA B，et al.Increased competitiveness and efficiency of biological nitrogen fixation in peanut via in-furrow inoculation of rhizobia[J].European Journal of Soil Biology，2011，47（3）：188-193.

[15] 劉世旺，寶 林，陶佳喜.花生根瘤菌與鉬磷氮化肥混合施用對花生的增產(chǎn)效果[J].安徽農(nóng)業(yè)科學，2009，35（11）：3320-3321，3411.

[16] YANG R B，XU Y F，LIANG J，et al. Tests and analyses of mechanical properties of peanut root stem and nut node in mechanical harvest[J].Transactions of the CSAE，2009，25（9）：127-132.

[17] 王方艷，梁 潔，尚書旗，等.花生收獲機傳動系統(tǒng)的運動機理分析與參數(shù)優(yōu)化[J].農(nóng)業(yè)機械學報，2012，37（6）：49-53.

[18] 趙 星.虛擬植物生長中幾個問題的研究[D].北京：中國科學院自動化研究所，2013.

[19] 袁 清，徐 柱，王加亭.虛擬草地生態(tài)系統(tǒng)的建立方法[J].生態(tài)學報，2009，26（3）：768-772.

[20] 肖化順，曾思齊.科學計算可視化及其在林業(yè)中的應用[J].世界林業(yè)研究，2005，18（4）：18-22.

[21] 顧祝軍，曾志遠.虛擬現(xiàn)實技術在我國農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化中的應用[J].農(nóng)機化研究，2005，1（1）：12-14.

[22] 楊麗麗，王一鳴，董喬雪，等.基于結構功能模型實現(xiàn)番茄植株產(chǎn)量優(yōu)化[J].中國農(nóng)業(yè)大學學報，2008，13（1）：71-76.

[23] 馬 棟，劉曉東.基于三維參數(shù)隨機L系統(tǒng)的虛擬植物生成算法[J].微電子學與計算機，2011，25（4）：93-97.