基于APSIM模型的可视化小麦生长系统分析

聂志刚，李 广

(1.甘肃农业大学信息科学技术学院，甘肃 兰州 700070； 2.甘肃省干旱生境作物学重点实验室，甘肃 兰州 700070)

小麦(Triticumaestivum)形态特征的可视化表达是虚拟作物研究的重要组成部分[1]。近些年来，许多研究者已经分析了水稻(Oryzasativa)、玉米(Zeamays)和棉花(Gossypiumsp.)等作物的形态静态结构并研究了作物器官的空间结构和几何参数[2-5]。小麦作为重要的禾谷类作物，具有形态可变性、易受环境影响性和形态指标难获取性，所以如何准确描述其形态特征随生理生态过程的动态变化仍是作物模拟研究的一个难点[1]。为此，国内许多研究者开始着眼于研究植物形态结构建成模型及其与生理生态模型相结合的功能-结构模型[6-7]，本研究以APSIM模型输出的小麦生长指标参数为基础，研究小麦形态建成随生长过程变化的规律，通过将APSIM小麦生长模拟模型与形态结构建成模块反馈耦合，形成基于APSIM模型的小麦功能-结构模块，进而提出基于APSIM的可视化小麦生长系统开发思路，以期为小麦生长模拟与数字化仿真之间的动态联系提供关键技术支持。

1 小麦生长可视化建模

1.1APSIM模型 澳大利亚农业生产系统研究组(APSRU)从1991年开始研制农业生产系统模型APSIM (Agricultural Production System Simulator)。 国外利用APSIM模型在作物轮作专家决策、气候变化对作物的影响效应以及水土保持评价等方面进行了大量的研究，目前国内对APSIM模型的应用还只涉及到地域适用性和气候风险评估与水肥管理等方面[8-17]。APSIM模型可以在气候、土壤和作物属性等基础数据的驱动下，连续模拟小麦动态生长过程及产量形成过程，李广等[8-10,15]已经对APSIM模型中APSIM-Wheat模块在黄土丘陵沟壑区的适用性、气候风险评估以及水肥管理等方面进行了系统研究，结果表明，APSIM模型对小麦整个生育期生长模拟精度较高。

1.2WheatMS模块 小麦形态结构建成模块[6](Wheat Morphostructure Module)是通过对小麦形态结构的系统观测分析而构建起来的[6]，采用计算机视觉技术采集小麦叶片器官图像，通过对图像的平滑滤波、边缘检测、图像分割和特征提取[7]获取小麦形态的实测值并通过田间试验进行校正。WheatMS经过形态结构抽象、生长规律提取、定量算法建模[1,3,6-7,18-20]等步骤，以长度、宽度、角度、厚度、面积、直径、曲线、颜色以及形态等几何参数为基本形态结构单元，以生长周期为时间标志，可以模拟叶、茎、穗等地上部分小麦器官的形态结构建成规律和部分群体结构参数。

1.3WheatF-MS模块 通过耦合APSIM模型和形态建成WheatMS模块建立小麦可视化生长系统的功能-结构[6]模块(Wheat Function-Morphostructure Module)，并通过田间试验实测值反馈[7]校正APSIM参数并补偿WheatMS形态数据输出(图1)。耦合机理及步骤如下：

1)第n次，由APSIM模型模拟小麦生长过程，提供给WheatMS模块所需的光温发育、物质积累与分配、水肥协同等对小麦生长有影响效应的基础输入生长指标变量[6]；

2)依据上述输入的小麦生长指标数据，结合WheatMS模块提供的小麦生长阶段各器官形态建成规律，第n次计算每种器官的几何尺寸、空间拓扑结构和部分群体结构参数等形态指标变量；

3)依靠田间试验得到匹配的第n次小麦形态指标实测值与第n次小麦生长指标实测值，其中小麦形态指标实测值与上述WheatMS形态指标预测输出值比较补偿形态结构建成模型的第n+1次形态模拟输出，小麦生长指标实测值与APSIM生长指标预测值比较以校正第n+1次小麦生长模拟所需的APSIM模型参数；

4)依据已校正的APSIM模型重复步骤1)，计算第n+1次生长指标。

2 可视化系统分析

2.1系统结构与功能 基于APSIM模型的小麦可视化生长系统(图1)，以气象参数、土壤条件和作物属性等基础数据为驱动，通过WheatMS模块实现生长指标与形态指标的演化，利用分段逼近逐步求精的反馈算法构建WheatF-MS模块从而建立形态建成过程与生理生态过程的内在融合，使得APSIM模型、WheatMS模块间数据流传输连续，并且在反馈作用下模拟值在较短时间内，以比较少的振荡次数、比较小的振荡幅度回复到与实测值匹配的给定状态，提高了系统预测准确性和图形对象的仿真度。

小麦可视化生长系统应具备以下主要功能[21]：1)抽象显示小麦生长2D和3D效果几何形态造型；2)简单直观的友好界面，通过对系统界面的操作，修改或调用数据库中气象、土壤及作物属性等基本数据；3)支持动画仿真，通过数据流交互地响应，进行小麦生长的动态变化虚拟试验设计；4)可视化模拟过程中，由于其数据所反映状态信息的多样性、异构性和复杂性，从数据源获取数据后，首先将这些数据转换成具有约束的XML文档，然后在数据库的协调下动态重构出可以供OpenGL作图模块统一访问的通用数据存储[22]。

图1 基于APSIM的可视化小麦生长系统结构Fig.1 Structure of APSIM-based visual growth system in wheat

2.2系统开发技术 将WheatF-MS模块演算得到的小麦形态指标数据转换为能够反映小麦虚拟生长几何结构的可视化输出数据，在.NET平台上，调用OpenGL作图函数，利用其强大的处理曲面造型、图形变换、光照、材质、融合、反走样、雾化和纹理等复杂的计算机图形学算法的能力[23]，实现小麦形态几何、纹理、光照和颜色渲染等功能。

系统中小麦对叶鞘和叶片统一使用非均匀有理B样条曲面Non-Uniform Rational B-Spline(NURBS曲面)建模，利用形态结构建成模拟模型输出的小麦生长可视化虚拟输出数据确定叶片NURBS曲面模型中的叶长、叶宽、茎叶夹角和叶鞘长度等控制点，从而实现叶的几何建模[24]。建模时假设小麦茎的节和节间为不同直径和高度的圆柱体组合体，通过调用OpenGL作图工具中的圆柱体二次曲面函数(gluCylinder)来实现。小麦穗建模时包括穗轴和小穗，小穗通过小穗枝梗互生在穗轴上，穗轴顶端着生一个小穗，为穗状花序形状，利用基本图元组合的方法实现，其中圆柱体模拟穗轴，椭球体描述小穗谷粒，圆柱体刻画小穗的小枝梗，小穗通过小穗枝梗贴附在穗轴上[24]。

小麦生长动画可基于.NET平台，调用OpenGL作图工具的双缓存模式来实现[23]。绘制小麦形态时，占用其中一个缓存而另一缓存用来显示；一帧图形绘制完成，交换两个缓存；如此反复，当两帧缓存可以在要求的时间内绘制-交换-显示时，小麦生长动画效果的完整画面就可以平稳畅通地显示[25]。

3 讨论与结论

小麦可视化生长系统以气象因子、土壤条件和作物属性等数据为基本输入数据，通过APSIM模型模拟出小麦整个生育期的光温发育、物质积累与分配和水肥协同因子等生长指标，经过WheatMS模块建立小麦生长指标与形态指标的定量演算转换，以WheatF-MS模块为可视化系统核心，将小麦生长模拟与形态结构建成过程进行有效的耦合和反馈校正，可以使系统输出连续变化，并能对不同试验条件做出模拟，与依赖田间试验进行的作物形态研究比较，在时效性和经济性方面具有一定的优势。但是，系统的有效性和预测性还依赖于APSIM模型参数对环境变化的进一步适应、修订和融合，WheatMS模块中生长动态过程与形态特征转换的定量算法的精确程度是保证系统准确性和图形较高仿真度的核心，尚需要进一步发展和完善。另外，本研究只讨论了小麦地上部分器官的形态建模和可视化问题，没有涉及到根系，所以今后要进一步进行小麦根系生长可视化以及个体和群体完整生长可视化研究。

[1] 常丽英,顾东祥,张文宇,等.水稻叶片伸长过程的模拟模型[J].作物学报,2008,34(2):311-317.

[2] Zhao C J,Wang J H,Wu H R,etal.Simulation models and deduction system for interspace description of wheat leaf shape[J].Tramsactions of the Chinese Society of Agriculture Enginening,2002,18(5):221-225.

[3] 石春林,朱艳,曹卫星.水稻叶片几何参数的模拟分析[J].中国农业科学,2006,39(5):910-915.

[4] 宋有洪,郭焱,李保国,等.基于植株拓扑结构的生物量分配的玉米虚拟模型[J].生态学报,2003,23(11):2334-2341.

[5] Zhao J,Wang Y M,Dong Q X,etal.Research advances of cotton dynamic simulation models[J].Tramsactions of the Chinese Society of Agriculture Enginening,2007,23(3):257-266.

[6] 刘慧,汤亮,张文宇,等.基于模型的可视化水稻生长系统的构建与实现[J].农业工程学报,2009,25(9):148-154.

[7] 丁维龙,马培良,程志君.基于结构——功能互反馈机制的植物生长可视化建模与仿真[J].农业工程学报,2008,24(11):165-168.

[8] 李广,黄高宝.基于APSIM 模型的降水量分配对旱地小麦和豌豆产量影响的研究[J].中国生态农业学报,2010,18(2):342-347.

[9] 李广,黄高宝,王琦,等．基于APSIM模型的旱地小麦和豌豆水肥协同效应分析[J].草业学报,2011,20(5):151-159.

[10] 李广,黄高宝,William B,等.APSIM模型在黄土丘陵沟壑区不同耕作措施中的适用性[J].生态学报,2009,29(5):2655-2663.

[11] Asseng S,Keating B A,Fillery I R P,etal.Performance of the APSIM-wheat model in western Australia[J].Field Crops Research,1998,57(2):163-179.

[12] Asseng S,Keulen H U,Stol W,etal.Performance and application of the APSIM N-wheat model in the Netherlands[J].European Journal Agronomy,2000,12(1):37-54.

[13] 王琳,郑有飞,于强.APSIM模型对华北平原小麦-玉米连作系统的适用性[J].应用生态学报，2007,18(11):2480-2486.

[14] 王琳,郑有飞,于强,等.农田生产系统模型(APSIM)在土地和水肥资源管理中的应用[J].农业环境与发展,2007(3):27-32.

[15] 李广,李玥,黄高宝,等.基于APSIM 模型旱地春小麦产量对温度和CO2浓度升高的响应[J].中国生态农业学报,2012,20(8):1088-1095.

[16] 刘志娟,杨晓光,王静,等.APSIM 玉米模型在东北地区的适应性[J].作物学报,2012,38(4):740-746.

[17] 李艳,薛昌颖,杨晓光,等.基于APSIM 模型的灌溉降低冬小麦产量风险研究[J].农业工程学报,2009,25(10):35-44.

[18] 石春林,朱艳,汤亮,等.水稻穗结构的定量特征与虚拟表达的初步研究[J].作物学报,2007,33(4):652-658.

[19] 石春林,朱艳,曹卫星.水稻叶曲线特征的机理模型[J].作物学报,2006,32(5):656-660.

[20] 常丽英,张文宇,张玉屏,等.水稻叶色变化动态的模拟模型研究[J].作物学报,2007,33(7):1108-1115.

[21] 丁维龙,陈敏智,程志君.植物器官可视化建模系统的设计与实现[J].浙江工业大学学报,2009,37(3):295-299.

[22] 聂志刚,刘成忠,刘立群,等.兰州百合真空干燥图形组态系统研制[J].农业工程学报,2011,27(14):272-276.

[23] 丁维龙,陈敏智.植物三维结构参数化建模系统的设计与实现[J].浙江工业大学学报,2006,34(1):82-85.

[24] 伍艳莲,曹卫星,汤亮,等.基于OpenGL的小麦形态可视化技术[J].农业工程学报,2005,25(1):75-79.

[25] 贺再红,杨鼎强.基于OpenGL双缓存的多媒体动画实现[J].计算机技术与自动化,2001,20(1):35-38.