玉米生长动态模拟与仿真研究

舒 田 ,童倩倩* ,岳延滨,文 竹,郜 超，王 虎,陈维榕,林少华

(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)

玉米生长动态模拟与仿真研究

舒 田1,童倩倩1*,岳延滨1,文 竹1,郜 超2，王 虎1,陈维榕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)

为提高作物生长动态模拟的真实性和逼真感，结合田间试验，构建了玉米不同生长期的株高、茎粗、果穗长度和宽度(粗度)等生长模型，然后在C# 语言和CINEMA 4D植物建模软件的支撑下，实现不同生长阶段玉米单株及群体生长动态模拟与仿真，效果逼真，真实感强。

玉米； 生长； 动态模拟与仿真； 几何参数模型； C# 语言; CINEMA 4D

计算机图形学技术与农业知识的有机结合使得对农作物形态结构和生理功能的研究跨入了数字化、可视化阶段，在计算机上以三维可视的方式来分析、研究和设计农作物的形态结构及生长过程成为可能，数字植物、作物数字化设计等新的领域逐渐得到研究者的重视[1-6]，对作物生长的动态模拟及可视化越来越受到关注，尤其是粮食和经济作物。郭新宇等[7-8]通过构建玉米器官、个体和群体的三维形态，在“生长模型-形态模型-数学模型-显示模型”等模型基础上结合VC++语言平台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。朱春娆等[9]利用虚拟植物技术，在已有玉米生理生态模型的基础上，采用Visual Studio NET技术设计了玉米生长动态模拟仿真系统。孟军等[10]、陈国庆等[11]运用小麦生长形态参数，在VC++平台上利用OpenGL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。周国民等[12]基于3DS max构建出可视化模块的小麦器官库，在OpenGL技术下完成三维绘制，实现了小麦生长过程的可视化。由此看来，把计算机技术与作物的生理生态过程、几何形态结构有机结合将是虚拟作物研究的发展趋势。

本研究以贵州主要粮食作物玉米为材料，通过田间不定期地观测并记录玉米生长过程，分析构造出基于几何参数的生长动态模型，然后基于C# 开发平台，调用CINEMA 4D植物建模软件中的生长过程模型，开发实现了玉米单株、群体的虚拟生长动态仿真，为农学研究者提供便捷的玉米仿真系统研究平台。

1 材料和方法

1.1 材料

供试材料为贵州省农业科学院旱粮研究所选育的黔玉3号玉米杂交种，种植时间为2014年4月15日，6月23日长出果穗，全生育期130 d。

1.2 方法

1.2.1 观测方法 玉米的茎秆株高采用卷尺进行测量，茎粗、果穗长度及宽度(粗度)采用游标卡尺测量，每7 d测量一次，直到玉米成熟。

1.2.2 数据统计方法 利用WPS 2015和SPSS 13.0统计软件及SigmaPlot 12.0画图软件对实测数据进行相关性及回归分析，采用Logistic方程进行模拟。

1.2.3 模拟仿真实现方法 基于玉米生长几何参数，在CINEMA 4D三维图形软件中制作玉米各生长阶段三维模型，然后以微软公司发布的C# 语言为开发平台，调用玉米各器官生长的三维模型，从而实现玉米的生长动态三维模拟与仿真。

2 结果与分析

2.1 茎秆生长动态模拟

试验数据分析表明，玉米种植后茎秆生长是一个由慢到快再到慢的过程，符合S形曲线，即Logistic方程。图1中A和B分别为玉米株高和茎粗随播种后天数的变化规律。

图1 玉米茎秆生长动态变化规律

可以将玉米株高用以下方程描述：

(1)

式(1)中，MH为DAY天时主茎的高度；MHmax为主茎的最大高度，属于品种参数，本研究取值223.2 cm；DAY为驱动变量(天数)；DAY0为玉米出苗的时间(天数)，本研究取值7。

通过SigmaPlot 12.0对式(1)进行回归分析和模型检验得出，R=0.992 8，达到极显著水平。

玉米茎粗用以下方程描述：

(2)

式(2)中，MW为DAY天时主茎的粗度；MWmax为主茎的最大粗度，属于品种参数，本研究取值2.71 cm；DAY和DAY0同式(1)。

同样，通过SigmaPlot 12.0对式(2)进行回归分析和模型检验得出，R=0.994 6，达到极显著水平。

2.2 果穗生长动态模拟

根据试验数据分析，玉米果穗生长也是一个由慢到快再到慢的过程，符合S形曲线，即Logistic方程。图2中A和B分别为玉米果穗长度和粗度随播种后天数的变化规律。

图2 玉米果穗生长动态变化规律

可以将玉米果穗长度和粗度用以下方程描述：

(3)

式(3)中，MFL为DAY天时玉米果穗的长度；MFLmax为果穗的最大长度，属于品种参数，本研究取值31.29 cm；DAY为驱动变量(天数)；DAY1为玉米出穗的时间(天数)，本研究取值69。

通过SigmaPlot 12.0对式(3)进行回归分析和模型检验得出，R=0.963 2，达到极显著水平。

(4)

式(4)中，MFW为DAY天时玉米果穗的粗度；MFWmax为果穗的最大粗度，属于品种参数，本研究取值6.0 cm；DAY和DAY1同式(3)。

同样，通过SigmaPlot 12.0对式(4)进行回归分析和模型检验得出，R=0.965 8，也达到极显著水平。

2.3 玉米生长动态模拟与仿真

C# 语言是微软公司发布的一种面向对象的、运行于.NET Framework之上的高级程序设计语言。DirectX(Direct eXtension，简称DX)是由微软公司创建的多媒体编程接口，由C++编程语言实现，遵循COM。CINEMA 4D是德国Maxon公司1993年成功开发的一款功能异常强大而操作简单的软件，它以出众的操作流程、强大的多边形建模工具和高质量的渲染效果闻名，集合了Sketchup、Zbrush等建模软件的功能于一体，更加注重工程流程的易用性、流畅性、舒适性、合理性和高效性，CINEMA 4D内含有丰富的参数化基础模块和预制材质库，且拥有高速的渲染器，能高效地完成建模和渲染[13]。因此，利用CINEMA 4D建立玉米株高、茎粗、叶片和果穗模型并进行渲染，通过导出*.x格式，在DirectX 9.0平台上通过C# 计算机编程语言进行解析加载，从而实现玉米生长的动态模拟。

通过设计得到玉米个体和群体不同生长天数下的生长动态虚拟仿真效果，如图3和图4所示。

A～D生长天数分别为45、60、90、118 d

A、B生长天数分别为50、105 d

3 结论与讨论

本研究利用计算机、虚拟植物、图形图像学与农业知识，在前人的工作基础上[14-16]并结合田间观测玉米生长动态数据，构建了基于Logistic方程的玉米株高和茎粗、果穗长度和粗度等形态结构模型，然后在C# 语言和CINEMA 4D软件支持下设计实现玉米单株及群体生长动态模拟与仿真。仿真效果逼真，现实感强，通过对模型参数的控制，可实现不同生长期玉米形态快速构建，对研究玉米形态、生理、功能关系具有一定价值，为玉米生产相关研究提供了新的试验平台。本仿真系统具有普遍实用性，为研究水稻、小麦、马铃薯等作物的生长动态模拟仿真提供了参考和借鉴，从而为精准农业、现代化农业发展做出一定贡献。

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Research on Dynamic Imitation and Simulation of Maize Growth

SHU Tian1,TONG Qianqian1*,YUE Yanbin1,WEN Zhu1,GAO Chao2，WANG Hu1,CHEN Weirong1,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 improve the authenticity and realism of dynamic imitation of crop growth,we built the growth models of maize in different growth periods based on field experiments from the plant height,stem diameter,ear length and width etc in this study. Then,under the support of C# language and CINEMA 4D plant modeling software,we realized the dynamic growth imitation and simulation of maize plant and group in different growth stages.The effect was vivid and had strong sense of reality.

maize; growth; dynamic imitation and simulation; geometric parameter model; C# language; CINEMA 4D

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]

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

*通讯作者：童倩倩(1986-)，女，贵州遵义人，助理研究员，硕士，主要从事农业GIS与农业信息技术研究。 E-mail：172899499@qq.com

S513;S126

A

1004-3268(2016)07-0157-04