花生地下组织模拟可视化技术研究

李月

摘要：农作物的三维建模与可视化系统的研究对于农作物生长过程和经济产量有重要意义。在花生（Arachis hypogaea Linn.）拓扑结构与花生的生長参数的基础上再运用计算机图形学技术OpenGL，实现花生地下组织可视化生长系统，运行结果表明，此系统能较好地显示出花生地下组织各器官生长在不同生长阶段的可视化形态特征，逼真地实现了花生地下组织可视化的动态生长过程。

关键词：生长模型；花生（Arachis hypogaea Linn.）根系；三维可视化；OpenGL

中图分类号：S126；S565.2 文献标识码：A 文章编号：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世纪80年代以来，作物生长可视化技术已经成为了农业科学研究最前沿的领域之一，这些年的研究获得了飞速的进展[1-3]。根系是作物最重要的器官组成之一，对作物的生长发育起重要作用，同时与农作物的产量有直接关系[4]。但是，由于测量技术的局限性与根系生长环境的不可视性，对根系生长模拟可视化技术的研究缓慢。目前，主要的根系模型有SimRoot[5]，而这个模型可视化的方法就是应用计算机图形学的相关知识，根据对植物根系的生长过程进行模拟并且将获得的几何、空间数据进行可视化绘制，从而展现作物可视化生长过程[6-11]。但是在生长环境、管理措施发生变化的时候，这个模型就无法自发地表现这些变化，而要重新去修改参数来实现这一情况下的生长状态模拟。

近年来，对花生（Arachis hypogaea Linn.）根系进行可视化报道比较少，一般是作为花生整体的一部分进行研究，或是研究花生根系与其他器官组织的相互作用[12]。如在花生生长过程的研究中，涉及花生根系、荚果、根瘤的生长发育过程等[13-15]。

由于花生地下组织不单单指根系，还包含有地下荚果、根瘤。本研究在总结前人研究成果的基础上[16-19]，在Visual C++ 6.0平台借助OpenGL来实现花生地下组织的可视化生长过程模拟，真实地再现花生根部生长过程中形态特征的变化，以期为花生整株的生长模拟可视化提供技术基础。

1 花生地下组织可视化技术框架

以花生地下组织的生长为研究对象，建立花生地下组织三维可视化模型。在已知的花生生长参数的基础上结合花生地下组织的拓扑结构，利用OpenGL图形库来实现花生地下组织生长过程的三维可视化输出[20-22]。其中，花生根系的三维显示模型包括根轴线方向的确定与根段图元的建立，花生荚果的三维显示模型包括花生皱缩曲线与花生分段图元的建立，花生根瘤的三维显示模型包括球形贴片图元的建立。图1为花生地下组织可视化技术框架。

2 花生地下组织的生长参数与拓扑结构

2.1 花生地下组织的生长参数

花生地下组织的三维形态是由根的径向生长、轴向生长、生长方向、分根时机、分根数量、根瘤生长时机、荚果生长时机与皱缩时机等描述参数决定的，这些参数在花生地下组织形态建成的不同时机，均可以通过具体的试验资料和已有的花生地下组织的生长模拟进行输出[23]，具体参数见表1。表2为花生地下组织各器官不同时期的生长状况。

2.2 花生地下组织的拓扑结构

由图2可知，在描述花生地下组织的拓扑结构时，首先应该分析花生主根系与其他根系之间的位置关系，根系与荚果、根瘤之间的位置关系与分生关系。因此，在描述花生地下组织的生长时可以采用花生地下组织的三维显示模型与花生生长的拓扑结构来进行描述。

3 花生地下组织的三维可视化

3.1 花生根系的三维可视化

在描述花生的根系动态生长时，把根分为不同的根段，每个根段的节点处携带的生长信息决定其下一步生长，每一个根段的生長点都是一个单独的结构体，包含了生长的所有信息。参照RootMap模型，根的生长方向Dn是由上一根段的生长方向D1、向地性因素DG与另外一个随机因素DR三者共同决定。

Dn=D1+DG+DR

rs=a×■

随着根长度的增加，根的半径也会有所增长，式中rs是当前根处的半径，a是花生根部的径向生长速率，l为此根段处与根基部的距离。

ls=■×rs

式中，m是当前根的原长，x为经验所得的固定值，lr是新生长的根段长度，ls指长出新根段后根的总长度。通过控制不同的a与rs实现不同环境下根的生长状况。因此，生长了多个根段之后的根的总长度lr′：

lr′=lr+ls

由于花生根系的断面近似于圆形，可以把花生根轴看成由多个围绕中心轴线的图元叠加而成，而整个花生根系是由多个根轴按照花生地下组织的拓扑结构生长而成。根部的几何图元如图3a所示，得到根轴几何图元的生长方向，上底面半径R1，下底面半径R2，图元高度L，无数个图元按照一定的次序首尾相连，调用OpenGL图形库中的曲面绘制函数：wgluCylinder（Obj，no→data.thick1，node→data.thick2，distance，m）；其中，node→data.thick1为半径R1，node→data.thick2为半径R2，distance为根轴高度L，m是根轴几何图元的数量。

3.2 花生根瘤与荚果的三维可视化

由于花生根瘤近似于球形，荚果近似于葫芦形、蚕茧形，两者都是关于各自中心轴线的高度对称，把整个荚果或者整个根瘤作为整体进行可视化模拟需要得到较多数据，大量的数据会导致较大误差，因此在本研究中使用了一种新型的模拟方法，将荚果与根瘤沿着它们各自的中心轴划分为2个部分，然后只需要对一个部分进行可视化模拟，最后采用对称拼接的方法完成完整的荚果与根瘤的可视化。

NURBS曲面建模方法可较好地对各分部进行模拟，主要使用三维扫描仪来获取一个部分的控制顶点。NURBS曲面的计算公式为：

P（s，t）=■

节点矢量：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为控制顶点，wi，j为pi，j的权重，Ni，k（s）与Nj，l（t）分别为矢量B样条的基函数。用三维扫描仪来获取的荚果或根瘤的三位坐标代入上式，得到花生荚果与根瘤的曲面（图4、图5）。

4 花生可视化生长的实现

根据上述花生地下组织可视化的方法，在Windows XP平台下，利用Visual C++ 6.0开发环境和OpenGL图形库对花生各地下组织器官进行可视化仿真，并实现其动态生长，如图6所示。

由于荚果是地下组织长到一定阶段才出现的，在根瘤旺盛时期的荚果还没成形。在花生生长的第70 d时，荚果开始长出并且荚果的体积很小，从这时候开始荚果快速生长。图7为不同阶段花生荚果的生长状况。图8为最终实现的花生可视化生长系统，运行结果表明，该系统能精确地显示花生地下组织在不同条件下的生长状态，为以后花生整株的可视化生长奠定了基础。

5 小结

本研究主要是在花生地下组织的生长参数与拓扑结构的基础上来实现花生地下组织的三维可视化，从而构建出花生地下组织的可视化生长模拟系统。在Visual C++ 6.0平台上，使用OpenGL设计随机算法，实现花生地下组织生长过程的可视化。系统可以直观地模拟花生地下组织根系、荚果、根瘤的生长过程，对花生地下组织的定量化研究有一定意义。同时本研究中使用的方法也有不足之处，模拟系统中没有涉及花生地上部分对花生地下组织的相互影响，以及根系中各单根之间的竞争生长，这些都有待进一步研究。

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