基于VC++和OpenGL的荠菜根系生长模拟

作     者：刘静 

作者单位：昆明理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：戈振扬

授予年度：2011年

学科分类：08[工学] 080203[工学-机械设计及理论] 09[农学] 0802[工学-机械工程] 0902[农学-园艺学] 090202[农学-蔬菜学] 

主      题：虚拟植物 土壤压实度 几何模型 荠菜根系 可视化 模拟 

摘      要：作为植物的地下部分,根系是固定植物体,摄取、运输和储存营养物质以及合成一系列有机化合物的重要器官。植物根构型,即根系在生长介质中的三维空间造型和分布,对植物吸取水分、养分具有十分重要的作用。由于植物根构型一般都较为复杂,难以原位观测获得其三维几何参数,所以对其进行定量研究就成为根系生物学研究的难点之一。随着计算机技术的发展,根构型模拟研究已取得了较大进展。根构型模拟系统除了可用于探讨植物根系生长型态及结构分析外,还可结合根系生长模式定量分析土壤环境条件对于作物生长的影响。特别是,通过这样的模拟系统,可以对根系在土壤中生长的过程进行可视化分析,能直观地考察植物在土壤中的根系生长情况,大大改善了对植物根系的研究方法。 植物根系主要分为直根系和须根系两类,本文以直根系的荠菜根系作为研究对象。荠菜原产中国,具有较高的经济价值和营养价值,现已成为人们喜爱的一种人工栽培植物,其生长周期短,能周年生产与供应,是一种很有发展前途的绿叶蔬菜。但目前对荠菜的研究限于地上部分,对其地下根系的研究较少。本文采用计算机模拟的方法研究荠菜地下部分的根系生长,对于深入研究荠菜的植物学和栽培学规律将具有一定的学术价值。本研究的主要工作有以下几个方面： 根据拟定的实验方案,通过栽培实验,在不同的土壤压实度下种植荠菜,定期对荠菜根系进行采样观测分析,探讨荠菜整个生长周期中,根系在不同土壤压实条件下其根构型的差异,确定其在不同土壤压实度下的构型特征。通过实验全面了解荠菜根系的生长规律及确定适宜荠菜生长的土壤压实度范围。 本研究选取图像的RGB彩色模型作为图像分析的基础。通过对根系采样的图像处理实验,比较其R、G、B分量的分布特点,结果表明荠菜根系彩色图像的R分量的双峰特性较为明显,因此本文选用Otsu自动阈值分割算法对荠菜根系RGB图像的R分量进行分割,能够较好地快速分割出荠菜根系结构。为了消除噪声影响,还研究了对分割后的图像采用图像处理形态开、闭运算对荠菜根系图像进行调整,获得更为精确的荠菜根系结构图,为进一步获取荠菜根构型的角点和角度等参数提供所需根系图像。为进行荠菜根构型的角点检测和分支角度测量,采用了Radon变换对上述图像处理所得的简单根系图像操作运算,得到了结构简单的部分荠菜根系角点和角度等根构型参数。 根据几何构造模型的植物根系建模方法,探讨了荠菜根系的根构型模拟模型：用轴向树表示荠菜根系的拓扑结构,用双向链表的数据结构存储并表示荠菜根系的空间几何结构,结合荠菜根系的生长特点,构建出合理表达荠菜根系的三维实体模型。 应用Microsoft操作系统的WIN32应用程序集成开发环境和本研究前期已有的几何构造模型SimRoot平台,以面向对象Visual C++作为荠菜根构型模拟的编程语言,结合开放式图形库OpenGL,采用动态树状数据结构和递归遍历方法,根据荠菜栽培实验和根系图像分析数据,编制了荠菜根系三维可视化模拟的计算机程序。经过程序调试,得到了能够显示荠菜根系生长过程的三维实体图像,并输出荠菜根系的相关根构型参数的计算机模拟程序。 通过在不同土壤压实度下栽培荠菜,对比实验数据和模拟数据,证明所建立的计算机模拟系统能够较真实地再现荠菜根系的生长过程,比较准确地反映出其形态特征和分布特点。进一步对不同土壤压实条件下荠菜栽培实验数据的分析比较,本文得出了适宜荠菜生长的土壤压实度范围为1.0-1.2 g/cm3,可为荠菜种植生产、栽培技术发展和植物生理学研究提供相关理论依据和研究方法。 本文提出的荠菜根系测量方法、图像处理方法、根构型生长建模以及计算机模拟方法不仅针对荠菜研究有意义,而且对于其它植物特别是直根系植物的模拟研究也能够起到一定的借鉴作用。