花生地下組織模擬可視化技術(shù)研究

李月

摘要：農(nóng)作物的三維建模與可視化系統(tǒng)的研究對(duì)于農(nóng)作物生長(zhǎng)過(guò)程和經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量有重要意義。在花生（Arachis hypogaea Linn.）拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與花生的生長(zhǎng)參數(shù)的基礎(chǔ)上再運(yùn)用計(jì)算機(jī)圖形學(xué)技術(shù)OpenGL，實(shí)現(xiàn)花生地下組織可視化生長(zhǎng)系統(tǒng)，運(yùn)行結(jié)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(zhǎng)在不同生長(zhǎng)階段的可視化形態(tài)特征，逼真地實(shí)現(xiàn)了花生地下組織可視化的動(dòng)態(tài)生長(zhǎng)過(guò)程。

關(guān)鍵詞：生長(zhǎng)模型；花生（Arachis hypogaea Linn.）根系；三維可視化；OpenGL

中圖分類號(hào)：S126；S565.2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：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(jì)80年代以來(lái)，作物生長(zhǎng)可視化技術(shù)已經(jīng)成為了農(nóng)業(yè)科學(xué)研究最前沿的領(lǐng)域之一，這些年的研究獲得了飛速的進(jìn)展[1-3]。根系是作物最重要的器官組成之一，對(duì)作物的生長(zhǎng)發(fā)育起重要作用，同時(shí)與農(nóng)作物的產(chǎn)量有直接關(guān)系[4]。但是，由于測(cè)量技術(shù)的局限性與根系生長(zhǎng)環(huán)境的不可視性，對(duì)根系生長(zhǎng)模擬可視化技術(shù)的研究緩慢。目前，主要的根系模型有SimRoot[5]，而這個(gè)模型可視化的方法就是應(yīng)用計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的相關(guān)知識(shí)，根據(jù)對(duì)植物根系的生長(zhǎng)過(guò)程進(jìn)行模擬并且將獲得的幾何、空間數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化繪制，從而展現(xiàn)作物可視化生長(zhǎng)過(guò)程[6-11]。但是在生長(zhǎng)環(huán)境、管理措施發(fā)生變化的時(shí)候，這個(gè)模型就無(wú)法自發(fā)地表現(xiàn)這些變化，而要重新去修改參數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)這一情況下的生長(zhǎng)狀態(tài)模擬。

近年來(lái)，對(duì)花生（Arachis hypogaea Linn.）根系進(jìn)行可視化報(bào)道比較少，一般是作為花生整體的一部分進(jìn)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(zhǎng)過(guò)程的研究中，涉及花生根系、莢果、根瘤的生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)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(jié)前人研究成果的基礎(chǔ)上[16-19]，在Visual C++ 6.0平臺(tái)借助OpenGL來(lái)實(shí)現(xiàn)花生地下組織的可視化生長(zhǎng)過(guò)程模擬，真實(shí)地再現(xiàn)花生根部生長(zhǎng)過(guò)程中形態(tài)特征的變化，以期為花生整株的生長(zhǎng)模擬可視化提供技術(shù)基礎(chǔ)。

1 花生地下組織可視化技術(shù)框架

以花生地下組織的生長(zhǎng)為研究對(duì)象，建立花生地下組織三維可視化模型。在已知的花生生長(zhǎng)參數(shù)的基礎(chǔ)上結(jié)合花生地下組織的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，利用OpenGL圖形庫(kù)來(lái)實(shí)現(xiàn)花生地下組織生長(zhǎng)過(guò)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(shù)框架。

2 花生地下組織的生長(zhǎng)參數(shù)與拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

2.1 花生地下組織的生長(zhǎng)參數(shù)

花生地下組織的三維形態(tài)是由根的徑向生長(zhǎng)、軸向生長(zhǎng)、生長(zhǎng)方向、分根時(shí)機(jī)、分根數(shù)量、根瘤生長(zhǎng)時(shí)機(jī)、莢果生長(zhǎng)時(shí)機(jī)與皺縮時(shí)機(jī)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(shí)機(jī)，均可以通過(guò)具體的試驗(yàn)資料和已有的花生地下組織的生長(zhǎng)模擬進(jìn)行輸出[23]，具體參數(shù)見(jiàn)表1。表2為花生地下組織各器官不同時(shí)期的生長(zhǎng)狀況。

2.2 花生地下組織的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

由圖2可知，在描述花生地下組織的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)時(shí)，首先應(yīng)該分析花生主根系與其他根系之間的位置關(guān)系，根系與莢果、根瘤之間的位置關(guān)系與分生關(guān)系。因此，在描述花生地下組織的生長(zhǎng)時(shí)可以采用花生地下組織的三維顯示模型與花生生長(zhǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)來(lái)進(jìn)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(dòng)態(tài)生長(zhǎng)時(shí)，把根分為不同的根段，每個(gè)根段的節(jié)點(diǎn)處攜帶的生長(zhǎng)信息決定其下一步生長(zhǎng)，每一個(gè)根段的生長(zhǎng)點(diǎn)都是一個(gè)單獨(dú)的結(jié)構(gòu)體，包含了生長(zhǎng)的所有信息。參照RootMap模型，根的生長(zhǎng)方向Dn是由上一根段的生長(zhǎng)方向D1、向地性因素DG與另外一個(gè)隨機(jī)因素DR三者共同決定。

Dn=D1+DG+DR

rs=a×■

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

ls=■×rs

式中，m是當(dāng)前根的原長(zhǎng)，x為經(jīng)驗(yàn)所得的固定值，lr是新生長(zhǎng)的根段長(zhǎng)度，ls指長(zhǎng)出新根段后根的總長(zhǎng)度。通過(guò)控制不同的a與rs實(shí)現(xiàn)不同環(huán)境下根的生長(zhǎng)狀況。因此，生長(zhǎng)了多個(gè)根段之后的根的總長(zhǎng)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(gè)圍繞中心軸線的圖元疊加而成，而整個(gè)花生根系是由多個(gè)根軸按照花生地下組織的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)生長(zhǎng)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(zhǎng)方向，上底面半徑R1，下底面半徑R2，圖元高度L，無(wú)數(shù)個(gè)圖元按照一定的次序首尾相連，調(diào)用OpenGL圖形庫(kù)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(guān)于各自中心軸線的高度對(duì)稱，把整個(gè)莢果或者整個(gè)根瘤作為整體進(jìn)行可視化模擬需要得到較多數(shù)據(jù)，大量的數(shù)據(jù)會(huì)導(dǎo)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(gè)部分，然后只需要對(duì)一個(gè)部分進(jìn)行可視化模擬，最后采用對(duì)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(duì)各分部進(jìn)行模擬，主要使用三維掃描儀來(lái)獲取一個(gè)部分的控制頂點(diǎn)。NURBS曲面的計(jì)算公式為：

P（s，t）=■

節(jié)點(diǎn)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(diǎn)，wi，j為pi，j的權(quán)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(lái)獲取的莢果或根瘤的三位坐標(biāo)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(zhǎng)的實(shí)現(xiàn)

根據(jù)上述花生地下組織可視化的方法，在Windows XP平臺(tái)下，利用Visual C++ 6.0開(kāi)發(fā)環(huán)境和OpenGL圖形庫(kù)對(duì)花生各地下組織器官進(jìn)行可視化仿真，并實(shí)現(xiàn)其動(dòng)態(tài)生長(zhǎng)，如圖6所示。

由于莢果是地下組織長(zhǎng)到一定階段才出現(xiàn)的，在根瘤旺盛時(shí)期的莢果還沒(méi)成形。在花生生長(zhǎng)的第70 d時(shí)，莢果開(kāi)始長(zhǎng)出并且莢果的體積很小，從這時(shí)候開(kāi)始莢果快速生長(zhǎng)。圖7為不同階段花生莢果的生長(zhǎng)狀況。圖8為最終實(shí)現(xiàn)的花生可視化生長(zhǎng)系統(tǒng)，運(yùn)行結(jié)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(zhǎng)狀態(tài)，為以后花生整株的可視化生長(zhǎng)奠定了基礎(chǔ)。

5 小結(jié)

本研究主要是在花生地下組織的生長(zhǎng)參數(shù)與拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上來(lái)實(shí)現(xiàn)花生地下組織的三維可視化，從而構(gòu)建出花生地下組織的可視化生長(zhǎng)模擬系統(tǒng)。在Visual C++ 6.0平臺(tái)上，使用OpenGL設(shè)計(jì)隨機(jī)算法，實(shí)現(xiàn)花生地下組織生長(zhǎng)過(guò)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(zhǎng)過(guò)程，對(duì)花生地下組織的定量化研究有一定意義。同時(shí)本研究中使用的方法也有不足之處，模擬系統(tǒng)中沒(méi)有涉及花生地上部分對(duì)花生地下組織的相互影響，以及根系中各單根之間的競(jìng)爭(zhēng)生長(zhǎng)，這些都有待進(jìn)一步研究。

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