基于C# 的冬小麦虚拟生长可视化系统实现

文 竹 ,舒 田*,童倩倩 ,郜 超，岳延滨,林少华 (.贵州省农业科技信息研究所,贵州 贵阳 550006； .贵州省园艺研究所,贵州 贵阳 550006； .贵州省国土资源厅 技术信息中心，贵州 贵阳 55000)

基于C# 的冬小麦虚拟生长可视化系统实现

文 竹1,舒 田1*,童倩倩1,郜 超2，岳延滨1,林少华3
(1.贵州省农业科技信息研究所,贵州 贵阳 550006； 2.贵州省园艺研究所,贵州 贵阳 550006； 3.贵州省国土资源厅 技术信息中心，贵州 贵阳 550001)

为精确表达冬小麦单株及群体三维动态生长过程，提高其模拟的真实感和实时性，利用株高、茎粗、叶长、叶鞘以及节间的几何参数构建了冬小麦动态生长模型。田间试验表明，冬小麦株高、茎粗、叶长、叶鞘以及节间随生长天数呈递增变化；随叶位升高,主茎叶片定形后的长度在拔节前、后均先递增后降低，对应节间的最终长度呈递增变化，最终粗度呈递减变化。基于C#开发环境和3DS max 2014图形平台驱动几何模型，设计开发出了一套集冬小麦单株及群体形态模拟、生长动态变化及场景渲染的可视化系统，从而实现了冬小麦生长全过程的数字化、可视化的虚拟综合管理。

冬小麦； 虚拟生长； 可视化系统； C#

植物生长建模及可视化是现代数字农业研究的重要内容[1-2]，近年来,有关农作物的动态生长模拟和可视化研究备受关注，尤其是粮食和经济作物。赵星[3]建立了基于植物学的植物形态发生模型，探讨了利用双尺度自动机模型生成植物构造模型的方法，形象地模拟了植物枝条弯曲和植物花序，阐明了虚拟农作物的生长过程。郭新宇等[4-5]、郑文刚等[6]基于生长模型—形态模型—数学模型—显示模型，实现了玉米三维形态可视化，为玉米形态结构研究提供了新的思路和手段。刘炳成等[7]运用分形几何理论与计算机图形学技术，根据试验实测参数模拟了小麦地下根系部分的动态生长过程。周国民等[8]、陈国庆等[9]、张吴平等[10]、孟军等[11]、雷晓俊等[12]以小麦生长模拟模型，在VC++平台上利用 OpenGL、3DS max构建了小麦虚拟生长系统，实现了冬小麦生长过程的可视化表达。廖桂平等[13]基于参数L-系统原理，以L-Studio 4.0为平台并结合VC++实现了油菜花朵和花序的可视化虚拟生长。

目前的研究大多数局限于生长模型的构建和形态可视化，不能客观有效地模拟真实作物的动态生长过程，而基于生理几何参数模型、C# 及3DSmax 平台研究小麦及群体可视化的研究也很少。因此，通过田间试验，以贵州冬小麦为例，观测并分析其株高、茎、叶长、叶鞘和节间等生长数据，借鉴参数化建模的思想，建立各器官精确的生长几何参数模型，并借助于C# 和3DS max平台设计开发一套集冬小麦单株及群体虚拟生长变化及场景渲染的可视化系统，旨在为冬小麦的形态、生理与功能间关系研究提供应用和参考价值。

1材料和方法

1.1 材料

数据来源于2014年贵州省旱粮所的贵州省农业科学院试验基地，品种为黔麦19号，于2013年10月19日播种，全生育期205 d，观测项目为冬小麦的株高、主茎粗度(茎粗)、叶长、叶鞘长度，以及节间长度和粗度。

1.2 方法

1.2.1 观测指标和方法 试验冬小麦的株高采用卷尺进行测量，茎粗、叶长、叶鞘以及节间长度采用游标卡尺测量，每7 d测量取样一次，直到冬小麦成熟。

1.2.2 数据统计方法 利用SPSS 13.0、Excel 2010和Sigma Plot 12.0等软件对观测数据进行相关性及回归分析，采用Logistic方程曲线、指数、对数和二次方程进行表达。

1.2.3 编程及可视化实现方法 基于几何参数公式，在3DS max 2014三维动画渲染软件中制作完成好各生长阶段三维模型，然后采用微软公司发布的面向对象C# 语言为开发平台，调用冬小麦各器官生长阶段的三维模型，从而实现冬小麦的可视化再现系统。

2 结果与分析

2.1 冬小麦株高的变化

试验表明，冬小麦前期株高增长较慢，拔节后株高迅速增加，在旗叶完全展开后达到最大值，符合S型生长曲线(图1)。

图1 冬小麦株高随生长天数的变化

冬小麦株高的变化可以用以下方程进行描述：

(1)

式(1)中，DAY为驱动变量(天数)；Lstem为冬小麦在DAY天的株高；Lstemmax为冬小麦的最大株高，为品种参数，本试验取值93.92 cm；DAY0为冬小麦出苗的时间(d)。

2.2 冬小麦茎粗的变化

观测试验数据表明，冬小麦茎粗的变化比较缓慢，但也符合Logistic方程曲线，如图2所示。

图2 冬小麦茎粗随生长天数的变化

冬小麦茎粗的变化可以用以下方程进行描述：

(2)

式(2)中，DAY为驱动变量(天数)；THstem为冬小麦在DAY天的茎粗；THstemmax为冬小麦的最大茎粗，为品种参数，本试验取值7.69 mm；DAY0为冬小麦出苗的时间(d)。

2.3 冬小麦叶长的变化

观测试验数据表明，叶片伸长是一个由慢到快再到慢的过程，符合S型曲线，即Logistic方程。图3a、3b、3c分别为冬小麦第1、6、9片叶叶长随生长天数的变化规律。

图3 冬小麦叶长随生长天数的变化

表1显示，冬小麦前5叶从生长到定长约需要12 d，不受越冬期影响；第6～8叶受自身品种特性和越冬期影响，叶片从生长到定长约需要45 d；第9～11叶从出生到定长约需要18 d，不受越冬期影响。

表1 冬小麦主茎叶片参数

叶位成长期/d功能期/d最大叶长/cmL1128014．28L2128021．70L3128021．98L4128019．32L5128019．04L6456023．84L7454528．46L8454531．26L9184532．72L10184531．08L11184523．52

注：叶片露尖(≥0.5 cm)到长、宽定型为成长期；叶片定型到衰老枯黄为功能期。

将叶片的伸长过程用分段函数进行描述，方程如下。

(3)

式(3)中，LN为主茎总叶片数，为品种参数，本试验中取值11；a为主茎叶片所在的叶位；DAY为驱动变量(天数)；Llena为a叶在DAY天的叶长；Llenmax为第a叶定形的长度；DAYa为第a叶露尖(叶长≥0.5 cm)时刻的时间(天数)。

分析表明，冬小麦主茎不同叶位叶片定形后的长度随叶位的不同而发生变化，但其变化规律在不同冬小麦品种中是一致的，如图4所示。从第1片叶开始，不同叶位叶片定形后的长度随叶位的升高而增加，拔节前在某叶位出现1个峰值，然后随叶位的升高而降低; 拔节后又随叶位的升高而增加，至倒3叶出现另1个峰值，其后又随叶位的升高而降低。

图4 冬小麦主茎不同叶位的最终长度

(4)

式(4)中各参数含义同式(3)。

2.4 冬小麦叶鞘长度的变化

观测数据分析表明，叶鞘长度在拔节前、后呈现2种变化趋势：拔节前，叶鞘长度随生长天数的变化模式符合对数方程;拔节后，叶鞘长度随生长时间的变化规律符合S型曲线。图5和图6分别为拔节前(第2叶)和拔节后(第8叶)冬小麦叶鞘长度随播种后时间的变化规律。

图5 冬小麦拔节前叶鞘长度随生长天数的变化

图6 冬小麦拔节后叶鞘长度随生长天数的变化

冬小麦叶鞘长度的变化过程可用以下分段函数进行描述。

(5)

式(5)中，n为主茎叶鞘位；Lsheathn为第n叶在DAY天的叶鞘长度；Lsheathmax为第n叶对应叶鞘的最终长度；LNj为冬小麦品种拔节前叶片数，本试验中取值5；LN为冬小麦主茎的总叶片数，为品种参数，本试验中取值11；DAY为驱动变量(天数)；DAYn为第n叶对应叶鞘出生(叶鞘长≥0.2 cm)时刻的时间(天数)。

表2表明，冬小麦主茎不同叶片对应叶鞘的最终长度随叶位的不同而发生变化，但其变化规律在不同冬小麦品种中是一致的。本研究假设各冬小麦品种从第1叶片对应叶鞘到最后旗叶对应叶鞘的最终长度变化趋势相同(图7)，由于第1叶对应叶鞘最终长度的不同而造成了不同品种各对应叶鞘的差异。

表2 冬小麦主茎叶鞘参数

叶位成长期/d最大鞘长/cmL1423．70125L2424．23750L3424．01375L4425．23875L5425．08875L6186．53625L7188．49875L8189．32500L91811．86250L101816．58750L111821．04375

注：叶鞘露尖(≥0.2 cm)到长度稳定的时间为成长期。

图7 冬小麦不同叶位对应叶鞘的最终长度

主茎叶鞘最终长度的变化趋势可以用下列方程描述。

Lsheathmax=0.239n2-1.313n+5.617,1≤n≤LN

(6)

式(6)中各参数含义同式(5)。

2.5 冬小麦节间长度和粗度的变化

试验结果表明，拔节后节间开始伸长，其伸长规律与拔节后叶鞘的伸长规律类似，均符合营养器官的S型曲线生长，图8为冬小麦第9叶对应节间长随生长天数的变化规律。

图8 冬小麦第9叶对应节间长度随生长天数的变化

冬小麦节间长度的变化可用下面的方程描述。

(7)

式(7)中，Linternoden为第n叶对应节间在DAY天的长度；Linternodemax为第n节间的最终长度；DAY为驱动变量(天数)；DAYn为第n叶对应节间出生(节间长≥0.2 cm)时刻的时间(天数)；LNj为冬小麦品种拔节前叶片数，本试验中取值5；LN为冬小麦主茎的总叶片数，为品种参数，本试验中取值11。

表3表明，冬小麦主茎不同叶位对应节间的最终长度随叶位的不同而发生变化，但其变化规律在不同冬小麦品种中是一致的。冬小麦第6叶至11叶对应节间定长长度的变化规律如图9所示。

表3 冬小麦主茎节间参数

叶位成长期/d最大节间长度/cm最大节间粗度/cmL6183．9855180．562383L7185．9019100．541090L8187．5201610．523109L91811．4062500．479931L101819．7470200．387255L111832．8808600．241324

注：节间露出(≥0.2 cm)至定长的时间为成长期。

图9 冬小麦不同叶位对应节间的最终长度

主茎节间最终长度的这种变化趋势可以用下列方程描述。

Linternodemax=0.302e0.416n，LNj

(8)

式(8)中各参数含义同式(7)。

同时，冬小麦各个节间的宽度在生长过程中会逐渐增大，从节间开始伸长到节间粗度稳定的过程中，粗度的变化符合S型曲线规律(图10)。

图10 冬小麦第9叶对应节间粗度随生长天数的变化

冬小麦节间粗度的变化可具体描述如下：

(9)

式(9)中，THinternoden为第n叶对应节间在DAY时刻的粗度；THinternodemax为第n叶对应节间的最终粗度，DAY为驱动变量(天数)；DAYn为第n叶对应节间出长(节间长≥0.2 cm)时刻的时间(天数)；LNj为冬小麦品种拔节前叶片数，本试验中取值5；LN为冬小麦主茎的总叶片数，为品种参数，本试验中取值11。

冬小麦主茎不同叶位对应节间的最终粗度随叶位的变化与长度随叶位的变化规律不同。冬小麦第6叶至11叶对应节间定长粗的变化规律如图11所示。

图11 冬小麦不同叶位对应节间的最终粗度

主茎节间最终粗度的这种变化趋势可以用下列方程描述。

THinternodemax=-0.016n2+0.219n-0.173,LNj

(10)

式(10)中各参数含义同式(9)。

2.6 冬小麦虚拟生长可视化系统的实现

根据上述冬小麦形态几何参数模型，研究开发了冬小麦生长虚拟生长的三维可视化系统，直观展示了冬小麦植株、茎、叶、叶鞘和节间的动态变化过程。该系统利用3DSmax软件绘制冬小麦各形态虚拟模型并进行渲染，然后在C# 集成环境下对模型通过数据变换呈现到桌面屏幕，然后再封装实现可视化表达，系统分为菜单栏、操作区、显示区和参数区，如图12、图13所示。

图12 冬小麦群体不同生长天数下的形态可视化效果

图13 冬小麦单株不同生长天数下的形态可视化效果

3 结论与讨论

本研究结合计算机与农业知识，在前人研究的基础上[13-15]并结合野外观测数据，构建了基于Logistic、指数及对数方程的冬小麦株高、茎粗、叶长、叶鞘和节间的形态结构模型，然后在C# 和3DS max 2014环境下设计开发出了一套集冬小麦单株及群体生长动态变化及场景渲染的可视化系统。系统效果理想，冬小麦三维生长动态真实感强，通过对模型参数的控制，可实现不同生育期冬小麦形态快速构建，对小麦形态、生理与功能间关系研究具有一定参考价值。系统具有普遍实用性，可为研究水稻、玉米等作物的生长可视化提供参考。

[1] 郭焱,李保国.虚拟植物的研究进展[J].科学通报,2001,46(4):608-615.

[2] 郭焱,李保国.玉米冠层的数学描述与三维重建研究[J].应用生态学报,1999,10(1):39-41.

[3] 赵星.忠实于植物学的虚拟植物生长研究[D].合肥：中国科学技术大学,2001

[4] 郭新宇,赵春江,刘洋,等.基于生长模型的玉米三维可视化的研究[J].作物学报,2007,23(3):121-125.

[5] 郭新宇,赵春江.基于过程的玉米生长模拟系统的研制[J].中国科技成果,2004,90(12):53-55.

[6] 郑文刚,郭新宇,赵春江,等.玉米叶片几何造型研究[J].农业工程学报,2004,20(1):152-154.

[7] 刘炳成,刘伟,刘俐华,等.冬小麦根系生长的三维仿真模拟[J].华中科技大学学报(自然科学版),2005,33(9):65-67.

[8] 周国民,丘耘,曾枝连,等.冬小麦生长模拟过程可视化软件的研究[J].农业网络信息,2005,23(8):10-12.

[9] 陈国庆,朱艳,刘惠,等.基于形态模型的冬小麦器官和单株虚拟生长系统研究[J].农业工程学报,2007,23(3):126-130.

[10] 张吴平,郭焱,李保国.小麦苗期根系三维生长动态模型的建立与应用[J].中国农业科学,2006,39(11):2261-2269.

[11] 孟军,郭新宇,赵春江.冬小麦地上部器官几何造型与可视化研究[J].麦类作物学报,2009,29(1):106-109.

[12] 雷晓俊,汤亮,张永会,等.小麦麦穗几何模型构建与可视化[J].农业工程学报,2011,27(3):179-84.

[13] 廖桂平,李棉卫,欧中斌,等.基于参数L-系统的油菜花朵与花序生长可视化研究[J].农业工程学报,2009,25(4):150-156.

[14] 伍艳莲,曹卫星,汤亮,等.基于OpenGL的冬小麦可视化技术[J].农业工程学报,2009,25(1):121-126.

[15] 谭子辉,朱艳,姚霞,等.冬小麦麦穗生长过程的模拟研究[J].麦类作物学报,2006,26(4):93-97.

Realization of Virtual Growth Visualization System for Winter Wheat Based on C#

WEN Zhu1,SHU Tian1*,TONG Qianqian1,GAO Chao2，YUE Yanbin1,LIN Shaohua3
(1.Guizhou Institute of Agricultural Science and Technology Information,Guiyang 550006,China;2.Guizhou Horticulture Institute,Guiyang 550006,China; 3.Technology &Information Center of Guizhou Land and Resources Department,Guiyang 550001,China)

In order to get the precise expression of wheat individual and group 3D dynamic growth process and improve the realistic and real-time simulation,the wheat dynamic growth model were built with the geometric parameter of the plant height，stem diameter,leaf length,leaf sheath and internode.Field test showed that all the plant height，stem diameter,leaf length,leaf sheath and internode of winter wheat increased with the increase of time after sowing,the length of main stem leaves at different position increased first and then decreased before and after jointing,final length of different leaf position corresponding internode increased,and final thickness decreased.A set of winter wheat plant and group morphology simulation,growth dynamics and scene rendering visualization system were designed and developed Based on the C# development environment and 3DS Max 2014 graphics platform drive geometry model,so as to achieve the digital and virtual management for growth and development of wheat in the whole process.

winter wheat; virtual growth; visualization system; C#

2015-12-25

贵州省科技计划项目[黔科合NY字(2012)3039]；贵州省科学技术基金计划项目[黔科合J字(2013)2173号]；贵州省科技厅、贵州省农业科学院联合基金项目(黔科合LH字[2015]7066号)

文 竹(1979-)，男，贵州德江人，助理研究员，大专，主要从事多媒体与农业信息技术研究。E-mail：360159928@qq.com

*通讯作者：舒 田(1981-)，男，湖南洞口人，助理研究员，硕士，主要从事农业GIS与作物模型研究。E-mail：378074794@qq.com

S126；S512.1

A

1004-3268(2016)06-0147-06