专题综述系列之五

                        三维可视化技术与虚拟植物研究进展

                               王  洁

近年来我国学者进行了设施园艺作物模型方面的研究，建立了一些理论模型系统，然而该领域的技术与国外相比仍然存在着很大差距，现有的模型过于局限特定个体行为的专用性、预测性、经验性参数较多，模型的机理性、实用性、可用性较差，多侧重于作物生长发育的某些方面，难以定量描述和预测作物生长系统中复杂过程间的相互关系及综合表现，因此，我们亟待建立计算机虚拟植物模型。

关于应用三维数字化方法等测定植物的形态结构数据后，直接应用这些数据可建立虚拟植物静态模型，可用来研究与植物空间结构相关的性质，如国外学者Smith等人依据测定数据，实现了猕猴桃果实与藤架形态结构的三维重建，应用可视化技术将果实用不同颜色来表征其各项属性；IVt等人Ilel与Andrieu等人依据采集的数据、建立了玉米冠层的三维模型，可以从任意视角来观察玉米冠层，分析其结构特征，建立虚拟玉米静态模型，可以分析了玉米冠层的三维结构特征，进行玉米群体光传输的虚拟实验。静态模型能够精确再现植物的形态结构，可用来分析植物形态结构的定性和定量特征，研究与植物结构有关的生理生态、生物物理过程，如进行植物冠层光分布的分析、农田作物蒸腾的研究、作物形态结构对遥感监测精度的影响等。但其缺点在于需要直接调用大量的测定数据，而且不适合反映植物形态结构的动态规律。虚拟植物的动态模型，是基于对植物生长过程中拓扑结构演变和几何形态变化规律的研究，提取植物的生长规则而建立的。模型用以反映植物生长过程的规律，是虚拟植物模型研究的主要发展方向。

Chen等人根据由观测数据建立的杨树生长规律，利用分形方法建立了杨树的虑拟模型。模型模拟了杨树生长过程中其叶面积和叶倾角的空间分布，并将虚拟的杨树群体投形到平面上，对所生成的图像采用数值影像分析系统进行处理，研究了杨树冠层的光传输规律，该模型是针对特定植物类型而建立的。我们认为建立虚拟植物的通用模型具有更大的价值，并且虚拟模型中需要引入植物与环境相互作用的机制。

建造虚拟植物（计算机模拟植物），可以直接在计算机上观察到植物在三维空间的生长发育状况，这是在近20年随着信息技术进步而迅速发展起来的研究领域，它在农业、林业、生态学、遥感等领域有着广阔的应用前景。虚拟植物模型在农业领域应用的关键是植物与环境相互作用的关系的量化及模拟机制，根系的模拟等，对虚拟植物模型在农业领域中的应用，通过虚拟试验对农田水分、养分利用进行精确定量化研究、作物株型设计、栽培措施，是数字农业的重要组成部分。

参考文献42   http://blog.sciencenet.cn/blog-886287-689660.html

            http://blog.sciencenet.cn/blog-886287-689660.html