基于APSIM模型的可視化小麥生長系統(tǒng)分析

聶志剛，李 廣

(1.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院，甘肅 蘭州 700070； 2.甘肅省干旱生境作物學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅 蘭州 700070)

小麥(Triticumaestivum)形態(tài)特征的可視化表達(dá)是虛擬作物研究的重要組成部分[1]。近些年來，許多研究者已經(jīng)分析了水稻(Oryzasativa)、玉米(Zeamays)和棉花(Gossypiumsp.)等作物的形態(tài)靜態(tài)結(jié)構(gòu)并研究了作物器官的空間結(jié)構(gòu)和幾何參數(shù)[2-5]。小麥作為重要的禾谷類作物，具有形態(tài)可變性、易受環(huán)境影響性和形態(tài)指標(biāo)難獲取性，所以如何準(zhǔn)確描述其形態(tài)特征隨生理生態(tài)過程的動(dòng)態(tài)變化仍是作物模擬研究的一個(gè)難點(diǎn)[1]。為此，國內(nèi)許多研究者開始著眼于研究植物形態(tài)結(jié)構(gòu)建成模型及其與生理生態(tài)模型相結(jié)合的功能-結(jié)構(gòu)模型[6-7]，本研究以APSIM模型輸出的小麥生長指標(biāo)參數(shù)為基礎(chǔ)，研究小麥形態(tài)建成隨生長過程變化的規(guī)律，通過將APSIM小麥生長模擬模型與形態(tài)結(jié)構(gòu)建成模塊反饋耦合，形成基于APSIM模型的小麥功能-結(jié)構(gòu)模塊，進(jìn)而提出基于APSIM的可視化小麥生長系統(tǒng)開發(fā)思路，以期為小麥生長模擬與數(shù)字化仿真之間的動(dòng)態(tài)聯(lián)系提供關(guān)鍵技術(shù)支持。

1 小麥生長可視化建模

1.1APSIM模型 澳大利亞農(nóng)業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)研究組(APSRU)從1991年開始研制農(nóng)業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)模型APSIM (Agricultural Production System Simulator)。 國外利用APSIM模型在作物輪作專家決策、氣候變化對(duì)作物的影響效應(yīng)以及水土保持評(píng)價(jià)等方面進(jìn)行了大量的研究，目前國內(nèi)對(duì)APSIM模型的應(yīng)用還只涉及到地域適用性和氣候風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估與水肥管理等方面[8-17]。APSIM模型可以在氣候、土壤和作物屬性等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的驅(qū)動(dòng)下，連續(xù)模擬小麥動(dòng)態(tài)生長過程及產(chǎn)量形成過程，李廣等[8-10,15]已經(jīng)對(duì)APSIM模型中APSIM-Wheat模塊在黃土丘陵溝壑區(qū)的適用性、氣候風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估以及水肥管理等方面進(jìn)行了系統(tǒng)研究，結(jié)果表明，APSIM模型對(duì)小麥整個(gè)生育期生長模擬精度較高。

1.2WheatMS模塊 小麥形態(tài)結(jié)構(gòu)建成模塊[6](Wheat Morphostructure Module)是通過對(duì)小麥形態(tài)結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)觀測(cè)分析而構(gòu)建起來的[6]，采用計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)采集小麥葉片器官圖像，通過對(duì)圖像的平滑濾波、邊緣檢測(cè)、圖像分割和特征提取[7]獲取小麥形態(tài)的實(shí)測(cè)值并通過田間試驗(yàn)進(jìn)行校正。WheatMS經(jīng)過形態(tài)結(jié)構(gòu)抽象、生長規(guī)律提取、定量算法建模[1,3,6-7,18-20]等步驟，以長度、寬度、角度、厚度、面積、直徑、曲線、顏色以及形態(tài)等幾何參數(shù)為基本形態(tài)結(jié)構(gòu)單元，以生長周期為時(shí)間標(biāo)志，可以模擬葉、莖、穗等地上部分小麥器官的形態(tài)結(jié)構(gòu)建成規(guī)律和部分群體結(jié)構(gòu)參數(shù)。

1.3WheatF-MS模塊 通過耦合APSIM模型和形態(tài)建成WheatMS模塊建立小麥可視化生長系統(tǒng)的功能-結(jié)構(gòu)[6]模塊(Wheat Function-Morphostructure Module)，并通過田間試驗(yàn)實(shí)測(cè)值反饋[7]校正APSIM參數(shù)并補(bǔ)償WheatMS形態(tài)數(shù)據(jù)輸出(圖1)。耦合機(jī)理及步驟如下：

1)第n次，由APSIM模型模擬小麥生長過程，提供給WheatMS模塊所需的光溫發(fā)育、物質(zhì)積累與分配、水肥協(xié)同等對(duì)小麥生長有影響效應(yīng)的基礎(chǔ)輸入生長指標(biāo)變量[6]；

2)依據(jù)上述輸入的小麥生長指標(biāo)數(shù)據(jù)，結(jié)合WheatMS模塊提供的小麥生長階段各器官形態(tài)建成規(guī)律，第n次計(jì)算每種器官的幾何尺寸、空間拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和部分群體結(jié)構(gòu)參數(shù)等形態(tài)指標(biāo)變量；

3)依靠田間試驗(yàn)得到匹配的第n次小麥形態(tài)指標(biāo)實(shí)測(cè)值與第n次小麥生長指標(biāo)實(shí)測(cè)值，其中小麥形態(tài)指標(biāo)實(shí)測(cè)值與上述WheatMS形態(tài)指標(biāo)預(yù)測(cè)輸出值比較補(bǔ)償形態(tài)結(jié)構(gòu)建成模型的第n+1次形態(tài)模擬輸出，小麥生長指標(biāo)實(shí)測(cè)值與APSIM生長指標(biāo)預(yù)測(cè)值比較以校正第n+1次小麥生長模擬所需的APSIM模型參數(shù)；

4)依據(jù)已校正的APSIM模型重復(fù)步驟1)，計(jì)算第n+1次生長指標(biāo)。

2 可視化系統(tǒng)分析

2.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能 基于APSIM模型的小麥可視化生長系統(tǒng)(圖1)，以氣象參數(shù)、土壤條件和作物屬性等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)為驅(qū)動(dòng)，通過WheatMS模塊實(shí)現(xiàn)生長指標(biāo)與形態(tài)指標(biāo)的演化，利用分段逼近逐步求精的反饋算法構(gòu)建WheatF-MS模塊從而建立形態(tài)建成過程與生理生態(tài)過程的內(nèi)在融合，使得APSIM模型、WheatMS模塊間數(shù)據(jù)流傳輸連續(xù)，并且在反饋?zhàn)饔孟履M值在較短時(shí)間內(nèi)，以比較少的振蕩次數(shù)、比較小的振蕩幅度回復(fù)到與實(shí)測(cè)值匹配的給定狀態(tài)，提高了系統(tǒng)預(yù)測(cè)準(zhǔn)確性和圖形對(duì)象的仿真度。

小麥可視化生長系統(tǒng)應(yīng)具備以下主要功能[21]：1)抽象顯示小麥生長2D和3D效果幾何形態(tài)造型；2)簡(jiǎn)單直觀的友好界面，通過對(duì)系統(tǒng)界面的操作，修改或調(diào)用數(shù)據(jù)庫中氣象、土壤及作物屬性等基本數(shù)據(jù)；3)支持動(dòng)畫仿真，通過數(shù)據(jù)流交互地響應(yīng)，進(jìn)行小麥生長的動(dòng)態(tài)變化虛擬試驗(yàn)設(shè)計(jì)；4)可視化模擬過程中，由于其數(shù)據(jù)所反映狀態(tài)信息的多樣性、異構(gòu)性和復(fù)雜性，從數(shù)據(jù)源獲取數(shù)據(jù)后，首先將這些數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成具有約束的XML文檔，然后在數(shù)據(jù)庫的協(xié)調(diào)下動(dòng)態(tài)重構(gòu)出可以供OpenGL作圖模塊統(tǒng)一訪問的通用數(shù)據(jù)存儲(chǔ)[22]。

圖1 基于APSIM的可視化小麥生長系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of APSIM-based visual growth system in wheat

2.2系統(tǒng)開發(fā)技術(shù) 將WheatF-MS模塊演算得到的小麥形態(tài)指標(biāo)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為能夠反映小麥虛擬生長幾何結(jié)構(gòu)的可視化輸出數(shù)據(jù)，在.NET平臺(tái)上，調(diào)用OpenGL作圖函數(shù)，利用其強(qiáng)大的處理曲面造型、圖形變換、光照、材質(zhì)、融合、反走樣、霧化和紋理等復(fù)雜的計(jì)算機(jī)圖形學(xué)算法的能力[23]，實(shí)現(xiàn)小麥形態(tài)幾何、紋理、光照和顏色渲染等功能。

系統(tǒng)中小麥對(duì)葉鞘和葉片統(tǒng)一使用非均勻有理B樣條曲面Non-Uniform Rational B-Spline(NURBS曲面)建模，利用形態(tài)結(jié)構(gòu)建成模擬模型輸出的小麥生長可視化虛擬輸出數(shù)據(jù)確定葉片NURBS曲面模型中的葉長、葉寬、莖葉夾角和葉鞘長度等控制點(diǎn)，從而實(shí)現(xiàn)葉的幾何建模[24]。建模時(shí)假設(shè)小麥莖的節(jié)和節(jié)間為不同直徑和高度的圓柱體組合體，通過調(diào)用OpenGL作圖工具中的圓柱體二次曲面函數(shù)(gluCylinder)來實(shí)現(xiàn)。小麥穗建模時(shí)包括穗軸和小穗，小穗通過小穗枝?；ド谒胼S上，穗軸頂端著生一個(gè)小穗，為穗狀花序形狀，利用基本圖元組合的方法實(shí)現(xiàn)，其中圓柱體模擬穗軸，橢球體描述小穗谷粒，圓柱體刻畫小穗的小枝梗，小穗通過小穗枝梗貼附在穗軸上[24]。

小麥生長動(dòng)畫可基于.NET平臺(tái)，調(diào)用OpenGL作圖工具的雙緩存模式來實(shí)現(xiàn)[23]。繪制小麥形態(tài)時(shí)，占用其中一個(gè)緩存而另一緩存用來顯示；一幀圖形繪制完成，交換兩個(gè)緩存；如此反復(fù)，當(dāng)兩幀緩存可以在要求的時(shí)間內(nèi)繪制-交換-顯示時(shí)，小麥生長動(dòng)畫效果的完整畫面就可以平穩(wěn)暢通地顯示[25]。

3 討論與結(jié)論

小麥可視化生長系統(tǒng)以氣象因子、土壤條件和作物屬性等數(shù)據(jù)為基本輸入數(shù)據(jù)，通過APSIM模型模擬出小麥整個(gè)生育期的光溫發(fā)育、物質(zhì)積累與分配和水肥協(xié)同因子等生長指標(biāo)，經(jīng)過WheatMS模塊建立小麥生長指標(biāo)與形態(tài)指標(biāo)的定量演算轉(zhuǎn)換，以WheatF-MS模塊為可視化系統(tǒng)核心，將小麥生長模擬與形態(tài)結(jié)構(gòu)建成過程進(jìn)行有效的耦合和反饋校正，可以使系統(tǒng)輸出連續(xù)變化，并能對(duì)不同試驗(yàn)條件做出模擬，與依賴田間試驗(yàn)進(jìn)行的作物形態(tài)研究比較，在時(shí)效性和經(jīng)濟(jì)性方面具有一定的優(yōu)勢(shì)。但是，系統(tǒng)的有效性和預(yù)測(cè)性還依賴于APSIM模型參數(shù)對(duì)環(huán)境變化的進(jìn)一步適應(yīng)、修訂和融合，WheatMS模塊中生長動(dòng)態(tài)過程與形態(tài)特征轉(zhuǎn)換的定量算法的精確程度是保證系統(tǒng)準(zhǔn)確性和圖形較高仿真度的核心，尚需要進(jìn)一步發(fā)展和完善。另外，本研究只討論了小麥地上部分器官的形態(tài)建模和可視化問題，沒有涉及到根系，所以今后要進(jìn)一步進(jìn)行小麥根系生長可視化以及個(gè)體和群體完整生長可視化研究。

[1] 常麗英,顧東祥,張文宇,等.水稻葉片伸長過程的模擬模型[J].作物學(xué)報(bào),2008,34(2):311-317.

[2] Zhao C J,Wang J H,Wu H R,etal.Simulation models and deduction system for interspace description of wheat leaf shape[J].Tramsactions of the Chinese Society of Agriculture Enginening,2002,18(5):221-225.

[3] 石春林,朱艷,曹衛(wèi)星.水稻葉片幾何參數(shù)的模擬分析[J].中國農(nóng)業(yè)科學(xué),2006,39(5):910-915.

[4] 宋有洪,郭焱,李保國,等.基于植株拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的生物量分配的玉米虛擬模型[J].生態(tài)學(xué)報(bào),2003,23(11):2334-2341.

[5] Zhao J,Wang Y M,Dong Q X,etal.Research advances of cotton dynamic simulation models[J].Tramsactions of the Chinese Society of Agriculture Enginening,2007,23(3):257-266.

[6] 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(gòu)建與實(shí)現(xiàn)[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2009,25(9):148-154.

[7] 丁維龍,馬培良,程志君.基于結(jié)構(gòu)——功能互反饋機(jī)制的植物生長可視化建模與仿真[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2008,24(11):165-168.

[8] 李廣,黃高寶.基于APSIM 模型的降水量分配對(duì)旱地小麥和豌豆產(chǎn)量影響的研究[J].中國生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào),2010,18(2):342-347.

[9] 李廣,黃高寶,王琦,等．基于APSIM模型的旱地小麥和豌豆水肥協(xié)同效應(yīng)分析[J].草業(yè)學(xué)報(bào),2011,20(5):151-159.

[10] 李廣,黃高寶,William B,等.APSIM模型在黃土丘陵溝壑區(qū)不同耕作措施中的適用性[J].生態(tài)學(xué)報(bào),2009,29(5):2655-2663.

[11] Asseng S,Keating B A,Fillery I R P,etal.Performance of the APSIM-wheat model in western Australia[J].Field Crops Research,1998,57(2):163-179.

[12] Asseng S,Keulen H U,Stol W,etal.Performance and application of the APSIM N-wheat model in the Netherlands[J].European Journal Agronomy,2000,12(1):37-54.

[13] 王琳,鄭有飛,于強(qiáng).APSIM模型對(duì)華北平原小麥-玉米連作系統(tǒng)的適用性[J].應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào)，2007,18(11):2480-2486.

[14] 王琳,鄭有飛,于強(qiáng),等.農(nóng)田生產(chǎn)系統(tǒng)模型(APSIM)在土地和水肥資源管理中的應(yīng)用[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境與發(fā)展,2007(3):27-32.

[15] 李廣,李玥,黃高寶,等.基于APSIM 模型旱地春小麥產(chǎn)量對(duì)溫度和CO2濃度升高的響應(yīng)[J].中國生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào),2012,20(8):1088-1095.

[16] 劉志娟,楊曉光,王靜,等.APSIM 玉米模型在東北地區(qū)的適應(yīng)性[J].作物學(xué)報(bào),2012,38(4):740-746.

[17] 李艷,薛昌穎,楊曉光,等.基于APSIM 模型的灌溉降低冬小麥產(chǎn)量風(fēng)險(xiǎn)研究[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2009,25(10):35-44.

[18] 石春林,朱艷,湯亮,等.水稻穗結(jié)構(gòu)的定量特征與虛擬表達(dá)的初步研究[J].作物學(xué)報(bào),2007,33(4):652-658.

[19] 石春林,朱艷,曹衛(wèi)星.水稻葉曲線特征的機(jī)理模型[J].作物學(xué)報(bào),2006,32(5):656-660.

[20] 常麗英,張文宇,張玉屏,等.水稻葉色變化動(dòng)態(tài)的模擬模型研究[J].作物學(xué)報(bào),2007,33(7):1108-1115.

[21] 丁維龍,陳敏智,程志君.植物器官可視化建模系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].浙江工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2009,37(3):295-299.

[22] 聶志剛,劉成忠,劉立群,等.蘭州百合真空干燥圖形組態(tài)系統(tǒng)研制[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2011,27(14):272-276.

[23] 丁維龍,陳敏智.植物三維結(jié)構(gòu)參數(shù)化建模系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].浙江工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2006,34(1):82-85.

[24] 伍艷蓮,曹衛(wèi)星,湯亮,等.基于OpenGL的小麥形態(tài)可視化技術(shù)[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2005,25(1):75-79.

[25] 賀再紅,楊鼎強(qiáng).基于OpenGL雙緩存的多媒體動(dòng)畫實(shí)現(xiàn)[J].計(jì)算機(jī)技術(shù)與自動(dòng)化,2001,20(1):35-38.