一种小麦虚拟生长机模型的制作方法

专利名称：一种小麦虚拟生长机模型的制作方法
技术领域：
本发明涉及虚拟植物系统，尤其涉及一种小麦虚拟生长机模型。
背景技术：
虚拟植物研究是植物学、农学、生态学、数学、计算机图形学等诸多学科交义 融合的研究领域，虚拟植物并不仅仅局限于显示在视觉上的真实感图形，而是植物生长 的真实过程。在虚拟植物系统中，生长机模型的研究是虚拟植物研究必不可少的部分， 有相当多的研究者投入该领域，并取得卓越的成果，构造出许多优秀模型，但大部分用 于自然景物的模拟，这些模型不适合模拟真实植物的整个生长过程。为了客观的模拟真 实植物的生长过程，需要从植物学的角度出发，根据植物生长周期性的特点，建立虚拟 植物形态结构模型，精炼表达出植物的拓扑结构。此外，在虚拟植物研究中必须将形 态发生模型与生理生态模型相结合，才能够应用于农林业的研究，并指导人们的实践活 动。目前，在这方面的研究较少，但这正是虚拟植物的核心所在。通过开展虚拟植物生 长机模型的研究，将生理生态模型与形态发生模型相结合是一项非常有意义的课题，该 研究可以使虚拟植物在一个更高的层次上得以快速准确地实现，并且对于构造具有普适 性的虚拟植物平台也起着至关重要的作用。

发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种小麦虚拟生长机模型。一种小麦虚拟生长机模型，其特征在于，包括小麦植株形态发生模型和基于轴 结构的小麦植株拓扑结构数据模型；所述小麦植株形态发生模型用于控制植株形态生 成，包括宏状态自动机、子状态自动机、微状态自动机、分枝规则、同步机制和器官同 伸规则；所述基于轴结构的小麦植株拓扑结构数据模型包括轴对象集合构成当前植株 的轴集合，其元素是轴对象。所述的小麦虚拟生长机模型，所述宏状态自动机表示小麦植株各生长单元之间 的状态转移关系，定义为一个六元组AP:: = <Qp，Seu，Cp, δρ，Fp>。其中， Qp表示宏状态自动机有限状态的集合，％定义为初始概率向量(n (P(Qpi=J))j, 表示各宏状态初始发生概率；Seu表示长出一个生长单元所需要的时钟周期；Cp表示宏
状态循环的次数；^〔。^^^^表示宏状态之间的转移条件；Fp为终结条件。所述的小麦虚拟生长机模型，所述子状态自动机表示生长单元内叶元之间的状 态转移关系，定义为一个六元组AC:: = <Q。，Jic, SME, Cc, δ。，F。>。其中，Qc表 示子自动机有限状态的集合；\定义为子状态初始概率向量(^l= (p(Qa=j))y Sme 表示长出一个叶元所需要的时钟周期；C。表示子状态循环的次数；式表示状态 之间的转移条件；F。为终结条件。所述的小麦虚拟生长机模型，所述微状态自动机表示叶元内分生器官生长状态 的转移关系，定义为一个六元组AM:: = <Qm，Jim, S0G, Cm, 5m, Fm>。其中，Qm
4表示微自动机有限状态的集合；Hm定义为微状态初始概率向量(n = (P(Qmi=J))j ； Scxi表示微状态变化所需要的时钟周期；IGObXO1表示状态之间的转移条件；Fm为终 结条件。所述的小麦虚拟生长机模型，所述同步机制表示小麦侧轴生长与其所在母轴具 有同伸关系，其生理年龄与母轴相同，因此当母轴到达某种生理阶段，其侧轴也同时到 达。所述的小麦虚拟生长机模型，所述轴对象包括轴对象标识、分枝数量、叶元数 量、与母轴夹角，叶对象集合、叶鞘对象集合、节间对象集合、穗对象；所述轴对象标 识是轴对象的Key，同时也反映轴间的逻辑关系；所述分枝或分蘖数量表示该轴上发生 分枝的数量；所述叶元数量表示该轴上发生的叶元数量；所述与母轴夹角表示该轴与其 所在母轴的夹角；所述叶对象集合构成当前轴的叶器官集合，其元素是叶对象，按照器 官发生的时间序列排列；所述叶鞘对象集合构成当前轴的叶鞘器官集合，其元素是叶鞘 对象，按照器官发生的时间序列排列；所述节间对象集合构成当前轴的节间器官集合， 其元素是节间对象，按照器官发生的时间序列排列；所述穗对象，每个能成穗的轴仅有 一个穗器官。所述的小麦虚拟生长机模型，所述叶对象包括标识、生长GDD、生长状态、形 态数据，所述标识用于对构成当前轴的叶对象区分；所述生长GDD:反映当前叶对象 发生的生长度日；所述生长状态反映器官的同伸关系；所述形态数据反映当前叶对 象的形态构型数据，由器官形态发生模型确定，其值供可视化模型使用。所述的小麦虚拟生长机模型，所述叶鞘对象包括标识、生长GDD、生长状态、 形态数据，所述标识用于对构成当前轴的叶对象区分；所述生长GDD:反映当前叶对 象发生的生长度日；所述生长状态反映器官的同伸关系；所述形态数据反映当前叶 对象的形态构型数据，由器官形态发生模型确定，其值供可视化模型使用。所述的小麦虚拟生长机模型，所述节间对象包括标识、生长GDD、生长状态、 形态数据，所述标识用于对构成当前轴的叶对象区分；所述生长GDD:反映当前叶对 象发生的生长度日；所述生长状态反映器官的同伸关系；所述形态数据反映当前叶 对象的形态构型数据，由器官形态发生模型确定，其值供可视化模型使用。所述的小麦虚拟生长机模型，所述穗对象包括标识、生长状态、形态数据，所 述标识用于对构成当前轴的穗对象区分；所述生长状态反映器官的同伸关系；所述 形态数据反映当前穗对象的形态构型数据，由器官形态发生模型确定，其值供可视化 模型使用。


图1半冬性小麦宏状态自动机；图2半冬性小麦子状态自动机；图3半冬性小麦微状态自动机；图4特定生长单元内发生的叶元图5生长单元图6叶元
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图7器官初始状态图8器官伸长状态图9器官定长状态图10半冬性小麦出苗_越冬期植株形态发生过程；图11半冬性小麦越冬期植株形态发生过程；图12半冬性小麦越冬_拔节期植株形态发生过程；图13半冬性小麦拔节_抽穗期植株形态发生过程；图14半冬性小麦抽穗_成熟期植株形态发生过程；图15小麦植株的轴结构；图16小麦植株拓扑结构数据模型；图17轴对象数据结构；图18叶对象数据结构；图19叶鞘对象数据结构；图20节间对象数据结构；图21穗对象数据结构。
具体实施例方式以下结合附图和具体实施例，对本发明进行详细说明。一、小麦植株形态发生模型1小麦形态结构小麦属于分蘖方式，小麦地上部由主茎和分蘖组成。茎杆由节和节间组成，节 上长叶片，叶互生，中部节位的叶片较大。叶由叶鞘、叶片、叶枕、叶耳和叶舌四部分 组成(本研究不考虑叶枕、叶耳和叶舌)。主茎上最大出叶数根据品种不同而有所不同。 茎杆顶端着生穗。小麦外部结构是其顶端分生组织(Meristem)基因组的表达控制与外 部环境相互影响的结果，是细胞组织生长发育基本规律的外在表现。以下从植物学的角 度，从基本结构、分枝模式与叶序模式描述小麦形态结构。1.1基本结构小麦的宏观形态表现为分枝结构，由轴(Axis)组成。小麦的茎称为主轴；分枝 (分蘖)用不同级的轴命名，如主干上的分枝(分蘖)称为1级侧轴(Lateral axis)，1级 侧轴上的分枝(分蘖)称为2级侧轴，依次类推。轴上生叶的部位称为节(Node)，节与 节之间的那段轴称为节间(Intemode)。轴顶端的芽称为顶芽(Terminal bud)，叶腋处的芽 称为腋芽(Lateral bud)，侧枝由腋芽发育形成。节和节间，以及节上的侧生器官的集合 植物学上称为植物分生单位(Metamer)，又称为叶元。1.2分枝模式分枝模式描述了植物顶端的发展趋势，是植物茎的形成方式。分枝模式有多 种，它与顶芽、腋芽的生长势强弱、生长时间及寿命有关，而这种特性取决于植物的遗 传性，有时还受环境条件的影响。小麦属于单轴分枝，顶芽不断向上生长，形成主干。 同时，侧芽也发展成侧枝(分蘖)，侧枝又以同样的方式形成次级侧枝。这种分枝方式有 明显的主轴，称为单轴分枝。单轴分枝的主干上能产生各级分枝，主干的伸长和加粗比侧枝强得多。1.3叶序模式小麦的叶序是互生状，即每节上只生一叶，交互而生，呈螺旋状排列在茎上。2小麦植株形态发生模型植物的生长发育过程可以视为基本结构的重复、迭代或者分枝。这些基本结构 在不同视图尺度下由小至大可分为节间、叶元、生长单元和轴。这些迭代过程经历了基 本结构形态和几何特征(如长度、分枝数目、倾角和方向角等)的渐变或突变过程。基 本结构之间的渐变和突变的过程反映了具有不同生理年龄的顶端分生组织在植物不同的 生长阶段所表现出来的发育特性。为了揭示分生组织隐含的状态特性与植物分枝结构之间的关系，需要提取分生 组织的隐含状态，从而取得控制植物生长的规律。此方法要求能够根据生长单元的形态 和几何特征将其划分成不同的组，即属于相同组的生长单元具有相似的统计特征，并且 能够进一步分析组与组之间的状态转移关系。2.1小麦虚拟三维层次自动机由宏状态自动机、若干子状态自动机和微状态自动机组成的集合构成。(1)宏状态自动机小麦的生长过程是一个单向的不可逆的演变过程，其中经历了一些明显不同的 生理阶段。生产上根据小麦不同阶段的生育特点，把小麦的一生划分了若干个生育时期 (生理阶段)。在此设定一个生理阶段对应一个生长周期，生长周期内长出对应的生长单兀。宏状态自动机(Macro Automata)表示各生长单元之间的状态转移关系，定义
为一个六元组AP:: = <Qp，Jip, Seu，Cp, δρ，Fp>。其中，Qp表示宏状态自动机 有限状态的集合，％定义为初始概率向量= (P(Qpi=J))j,表示各宏状态初始 发生概率；Seu表示长出一个生长单元所需要的时钟周期；Cp表示宏状态循环的次数； δρ Q Χ表示宏状态之间的转移条件；Fp为终结条件。各宏状态下生长单元需要的时钟周期与环境因素有关，这方面国内外关于小麦 发育阶段模拟做了大量研究，国内已经建立了小麦从第一到第三生产水平上的比较实用 的生长发育模型(涂修亮，1999;冯利平，马新明，1997;郑有飞，1998;王修兰， 2000 ；周晓东，2002;刘建栋，2002)。因此可根据实际选用以上模型，确定各宏状态 发生与结束日序，从而可进一步确定时钟周期Seu、宏状态转移条件δ p和终结条件Fp。以半冬性小麦为例，根据其生长发育特性，设定包括如下5个发育阶段出 苗-越冬、越冬期、越冬-拔节、拔节-抽穗和抽穗-成熟。分别用MSs、MSW、MSg、 MSt和MSm表示。各发育时期生长特性如下 出苗_越冬前产生近根叶组。这一阶段表现出新的分生单元出现；发生分 蘖，形成侧轴。 越冬期分生单元停止生长，分生单元外部形态整体表现为茎叶夹角增大， 叶色加深，转变为青紫色。 越冬后-拔节分生单元开始生长，产生新的分生单元，发生新的分蘖。分 生单元的外部形态整体表现为茎叶夹角变小，叶色转变为鲜绿色。
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拔节_抽穗产生中层叶组和上层叶组。节间伸长，所有分生单元长出，并 在旗叶完全抽出叶鞘后，旗叶叶鞘明显膨大，麦穗由叶鞘露出。 抽穗_成熟麦穗完全抽出，麦穗与穗下节间的生长。半冬性小麦宏状态自动机参见图1所示，定义如下AP:: = <Qp,SGU, Cp, δρ， F>Qp:: = <MSs，MSw, MSg, MSt, MSm>Jip:: = <1, 0，0，0，0>Seu:: = <MSs生育时期，MSw生育时期，MSg生育时期，MSt生育时期，MSm
生育时期>Cp:: = <1，1，1，1，1>δρ:: =<MSs生育期起始日序，MSw生育期起始日序，MSg生育期起始日序， MSt生育期起始日序，MSm生育期起始日序>Fp:: = <MSm生育期结束日序>(2)子状态自动机叶元是植物的分生单位，在模型中用子状态代表叶元状态。根据小麦生长特 性，存在两种类型叶元，即由叶、叶鞘和节间组成的ml叶元，穗和穗下节间组成的mt叶 元。由于生长单元由叶元组成，因此宏状态由子状态组合而成。 子状态自动机(ChildAutomata)表示生长单元内叶元之间的状态转移关系，定 义为一个六元组AC:: = <Q。，Jic, SME, Cc, δ。，F。>。其中，Q。表示子自动机有限 状态的集合；\定义为子状态初始概率向量(\义=(P(Qci=J))j ； Sme表示长出一个 叶元所需要的时钟周期；C。表示子状态循环的次数；式Qg^a表示状态之间的转移条 件；F。为终结条件。 分枝(分蘖)规则小麦是成丛生长的，有一个主茎和几个侧茎(也叫分 蘖)。正常情况下，出苗到分蘖约需15天左右，主茎第1片叶腋芽伸长形成分蘖叫一级 分蘖，一级分蘖长出的分蘖叫二级分蘖，若条件适宜，还可长出三级分蘖。因此为忠实 的反映小麦植株形态发生过程，必须引入分枝(分蘖)规则，以决定分蘖发生时间、数 量、分蘖消亡和外部环境对分蘖的影响。关于小麦的茎蘖动态模型的研制，国内外都有大量的研究。 Keulen&Seligman(1987)开发了小麦分蘖模型，将分蘖速率看成碳水化合物供应量的函 数，环境因子通过影响碳水化合物增长从而影响小麦的分蘖。国内，邓根云、郑大玮 (1975)用统计的方法以指数曲线模拟小麦分蘖与积温的关系，并应用于生产实践，解决 小麦栽培中冬前管理的一些实际问题。后邓根云等发现随分蘖数的增加，株间蘖间争光 争水争肥的矛盾加剧，营养条件恶化，分孽速度减慢以至停止，即有一个逐渐加强的负 反馈作用于分蘖过程。因此，分蘖与积温关系更具有普遍意义的应是阻滞生长曲线形 式。曹卫星等人(2001)从拔节前的茎蘖增长和拔节后的茎蘖消亡两方面建模，将该数列 曲线化，得到主茎叶龄与单株茎蘖数的指数关系方程，并考虑了分蘖过程中干物质、水 分、氮素对分蘖过程的影响。郑美琴、冯利平(2005)等从茎蘖增长和茎蘖消亡两个方 面，分四个阶段进行建模(拔节前茎蘖增长动态模拟，拔节后茎蘖消亡动态模拟)，综合 考虑品种、光温、地上部分同化物、水分和氮素对小麦茎蘖动态的影响。
同步机制小麦侧轴生长(分蘖)与其所在母轴具有同伸关系，其生理年龄与 母轴相同，因此当母轴到达某种生理阶段，其侧轴也同时到达。以前述半冬性小麦生长经历MSs、MSW、MSg、MSjPMSm5个生理阶段，依据
相关研究，半冬性小麦分枝(分蘖)有两个高峰期，即越冬前和春后、拔节前，越冬期经 受越冬训练，分蘖会出现冻害，拔节期后出现分蘖消亡。因此设定分枝(分蘖)发生在 MSs(出苗_越冬)和MSg(越冬_拔节)生长单元。分枝规则的设定设定茎蘖同伸规则为N-3，即当主茎伸出第四叶时，在主茎 第一叶腋中长出主茎的第一个分蘖⑴。当5/0时，在主茎第二叶鞘中长出第二个分蘖 (II)，同时I增生一片叶片，以后主茎每增生一片叶，即沿主茎出蘖节位由下向上顺序长 出各个一级分蘖，按(N-3)的关系发生的，上一个分蘖同时长出一片叶，当每个分蘖伸 出三片叶时，即从叶鞘中长出第一个二级分蘖，其余类推。半冬性小麦各宏状态下的子状态自动机参见图2所示，定义如下(2-1) MSs 宏状态AC = <QC, Jic, SME, Cc, 5c, F>0C::=< MSl ,似幻>，其中M5；表示在生长单元内产生新的叶元；Mg表示产生
新的叶元，并发生与宏状态相同生理阶段的分蘖Ji c = <1, 0>Sme:: = <PHYLL>,叶热间距Cc:: = <n, m>，根据品种、气象资料和叶热间距确定δ c = <mg>,根据分枝(分蘖)规则却确定Fc::= < 叶元数量 >(2-2) MSw 宏状态由于越冬期生长单元停止生长，没有新的叶元产生，因此其子状态自动机为空。(2-3) MSg 宏状态AC = <QC, Jic, SME, Cc, 5c, F>Qc.--< MS、g’其中M^表示在生长单元内产生新的叶元；Μζ表示产生 新的叶元，并发生与宏状态相同生理阶段的分蘖JI . C'=<1，0>
Sme:=<PHYLL>,叶热间距
Cc..=<n, m>，根据品种、气象资料和叶热间距确定
δ · c·=<mg>，根据分枝(分蘖)规则却确定
F ·· -lC''= <叶元数量>
(2-4) MSt宏状态
AC:—<QC，71 c，SME Cc δ c，Fc>
Qc=< M1S,1 >,其中MS,1表示在生长单元内产生新的叶元
JI . C·=<1，0>
SME:=<PHYLL>,叶热间距。
Cc..=<n>,根据品种、气象资料和叶热间距确定。
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δ c = <NULL>,仅有一种子状态，是其自循环F。:=〈叶元数量 >(2-5) MSm 宏状态
Sme，Ccj δ c, Fc>AC:=<Qc' 31 C
Qc-.=<MS:>
JI . c·=<1>
SME:=<PHYLL>,
Cc..=<1>
δ · C·=<NULL>,
F ·· ■L C· ·=<F>(3)微状态自动机叶元的生长变化是由组成叶元的分生器官来体现的。在模型中用微状态代表叶 元内各器官生长状态的组合。因此，微状态自动机表示叶元内各分生器官生长状态的转 移关系。 器官同伸规则由于叶元在其生长时钟周期内的变化，是由组成叶元的分生 器官生长变化来体现的，因此必须引入小麦器官同伸关系。微状态自动机(MicroAutomata)定义为一个六元组AM:: = <Qm，π m，S00,
Cm, 5m, Fm>。其中，Qm表示微自动机有限状态的集合；Jim定义为微状态初始概率向 量(P(Qmi=J))j ； SOG表示微状态变化所需要的时钟周期； GO1XO1表示 状态之间的转移条件；Fm为终结条件。依据前述，半冬性小麦宏状态与子状态自动机定义，MSs、MSg和MSt生长单元 发生ml叶元，MSm生长单元发生mt叶元，MSw生长单元内没有新的叶元发生。ml叶元由叶、叶鞘和节间组成，模型中设置器官同伸规则如下(R-I)N-I叶时叶鞘伸长，即当所在茎伸出第2叶时，茎第一叶元的叶鞘器官开 始伸长；(R-2)N_2叶时节间伸长，即当所在茎伸出第3叶时，茎第一叶元的节间器官开 始伸长；(R-3)N_2叶定长，即当所在茎伸出第3叶时，茎第一叶元的叶器官定长，停止 生长；(R-4)N_3叶时叶鞘定长，即当所在茎伸出第4叶时，茎第一叶元的叶鞘器官定 长，停止生长；(R-5)N_4叶时节间定长，即当所在茎伸出第5叶时，茎第一叶元的节间器官定 长，停止生长；依据器官同伸规则，ml叶元包括5种微状态，即<叶伸长，叶鞘初始，节间初 始>、<叶伸长、叶鞘伸长、节间初始>、<叶定长、叶鞘伸长、节间伸长>、<叶定长， 叶鞘定长、节间伸长 >和< 叶定长，叶鞘定长、节间定长>。mt叶元由穗和穗下节间组成，模型中不再设置器官同伸规则，仅设定一种微状 态<穗伸长，穗下节间伸长 >，直至成熟期结束。半冬性小麦微状态自动机参见图3所示，定义如下
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(3-1) ml叶元的微状态自动机根据器官同伸规则，ml叶元的微状态集合包括5个元素，即mlp ml2、ml3、ml4 和ml5，分别表示<叶伸长，叶鞘初始，节间初始>、<叶伸长、叶鞘伸长、节间初始>、 <叶定长、叶鞘伸长、节间伸长>、<叶定长，叶鞘定长、节间伸长 >和< 叶定长，叶鞘 定长、节间定长 >。微状态自动机定义如下AM:: = <Qm, Jim, S0G， Cm, 5m, Fm>Qm:: = Cml1, ml2, ml3, ml4, ml5>Ji m = <1, 0，0，0，0>S0G = <SME>Cc:: = <1，1，1，1，1>δ m = <SME>Fm:: = <5>(3-2) mt叶元的微状态自动机mt叶元，仅定义一组微状态，即<穗伸长，穗下节间伸长 >，用Int1表示。微 状态自动机定义如下AM:: = <Qm, Jim, S0G， Cm, 5m, Fm>Qm:: = <111^>π m = <1>Sog:: = <SGU<MSk>>Cc:: = <1>δ m = <NULL>,仅有一种微状态，是其自循环Fm:: = <Fp>2.2基于三维层次自动机半冬性小麦植株形态发生过程以13片叶半冬性小麦为例，包括冬前1/0-8/0片叶和春后第一叶，这些叶在拔
节前定型。仅考虑一级分蘖。形态发生过程中，特定生长单元内叶元的表示，参见图4。其中，生长单元 MSs、MSg、MSt和MSm的表示参见图5 (自左向右)；叶元的表示参见图6，自上向下每 个色块分别表示叶、叶鞘和节间；图7表示器官初始状态，图8表示器官伸长状态，图9 表示器官定长状态。依据以上设定以及自动机模型，半冬性小麦形态发生过程如下参见图10至图14。二、基于轴结构的小麦植株拓扑结构数据模型由前述小麦植株形态结构发生过程分析，小麦的宏观形态表现为分枝结构，由 轴(Axis)组成，包括主轴和各级侧轴(分蘖)。各级轴由其上的分生单元(叶元)和组 成分生单元的器官构成。如图15所示。根据小麦拓扑轴结构的基本特征，虚拟小麦植株拓扑结构描述的本质在于揭 示(1)分枝网络，即轴信息，如轴上分枝(分蘖)轴数量、叶元数量、器官集合以及排 列顺序等；轴间逻辑关系与形态描述，如分枝(分蘖)与母轴映射关系，轴间夹角等； (2)器官形态结构，如叶器官长、宽、茎叶夹角等，节间器官长、粗等。基于此，小麦植株拓扑结构数据模型从轴、叶元和器官三个尺度上描述它们之
11间的联系以及当前时刻形态数据，从而实现对小麦植株生长形态变化的动态描述。小麦 植株拓扑结构数据模型构成如下1.轴对象集合，各级轴作为集合元素。参见图16，轴对象集合构成当前植株的轴集合，其元素是轴对象。2.轴对象参考图17，轴对象标识是轴对象的Key，同时也反映轴间的逻辑关系，例如 主轴用“0”标识，则发生在主轴的一级分枝(分蘖)轴，如第一叶的分枝(分蘖)标识 为“1/0”，发生在第二叶分枝(分蘖)标识为“2/0” ；对“1/1/0”表示发生在主轴 第一叶的一级分枝(分蘖)轴的第一叶产生的二级分枝(分蘖)轴。字符型。分枝(分蘖)数量表示该轴上发生分枝的数量。整型。叶元数量表示该轴上发生的叶元数量。整型。与母轴夹角表示该轴与其所在母轴的夹角。浮点型。叶对象集合构成当前轴的叶器官集合，其元素是叶对象，按照器官发生的时 间序列排列。叶鞘对象集合构成当前轴的叶鞘器官集合，其元素是叶鞘对象，按照器官发 生的时间序列排列。节间对象集合构成当前轴的叶鞘器官集合，其元素是节间对象，按照器官发 生的时间序列排列。穗对象每个能成穗的轴仅有一个穗器官。需指出构成叶元的器官可根据需要增加，并形成相应器官对象的集合。3.叶对象参考图18，标识用于对构成当前轴的叶对象区分。整型。生长GDD:反映当前叶对象发生的生长度日。浮点，依据叶热间距，根据实际 气象资料确定。生长状态反映器官的同伸关系。设定取值为“初始”，“伸长”，“定 长”，枚举类型。也可根据叶片消亡规律，增加“消亡”生长状态。形态数据反映当前叶对象的形态构型数据，由器官形态发生模型确定，其值 供可视化模型使用。实际模拟时可根据叶器官形态发生模型的输出新增或减少属性。4.叶鞘对象参考图19，各属性意义以及取值类型同上。实际模拟时可根据叶鞘器官形态发 生模型的输出新增或减少属性。5.节间对象参考图20，各属性意义以及取值类型同上。实际模拟时可根据节间器官形态发 生模型的输出新增或减少属性。6.穗对象参考图21，各属性意义以及取值类型同上。实际模拟时可根据穗器官形态发生 模型的输出新增或减少属性。应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变 换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。
1权利要求
1.一种小麦虚拟生长机模型，其特征在于，包括小麦植株形态发生模型和基于轴结 构的小麦植株拓扑结构数据模型；所述小麦植株形态发生模型用于控制植株形态生成， 包括宏状态自动机、子状态自动机、微状态自动机、分枝规则、同步机制和器官同伸规 则；所述基于轴结构的小麦植株拓扑结构数据模型包括轴对象集合构成当前植株的轴 集合，其元素是轴对象。
2.根据权利要求1所述的小麦虚拟生长机模型，其特征在于，所述宏状态自动机表示 小麦植株各生长单元之间的状态转移关系，定义为一个六元组AP:: = <Qp，π p，Seu， Cp, δρ，Fp>;其中，Qp表示宏状态自动机有限状态的集合，％定义为初始概率向量= (P(Qpi=J))j,表示各宏状态初始发生概率；Seu表示长出一个生长单元所需要 的时钟周期；Cp表示宏状态循环的次数；& G么Χ 0,表示宏状态之间的转移条件；Fp为 终结条件。
3.根据权利要求1所述的小麦虚拟生长机模型，其特征在于，所述子状态自动机表 示生长单元内叶元之间的状态转移关系，定义为一个六元组AC:: = <Q。，Jic, Sme, cc, δ。，f。>;其中，α表示子自动机有限状态的集合；^定义为子状态初始概率向量 (^cPj= (P(Qci=J))j ； Sme表示长出一个叶元所需要的时钟周期；C。表示子状态循环的 次数；式^込χ込表示状态之间的转移条件；F。为终结条件。
4.根据权利要求1所述的小麦虚拟生长机模型，其特征在于，所述微状态自动机表 示叶元内分生器官生长状态的转移关系，定义为一个六元组AM:: =<Qm，Jim, S00, Cm, 5m, Fm>;其中，Qm表示微自动机有限状态的集合；Jim定义为微状态初始概率向 量hA= (P(Qm=J))j ； Scxi表示微状态变化所需要的时钟周期；^mQOnXO1表示状 态之间的转移条件；Fm为终结条件。
5.根据权利要求1所述的小麦虚拟生长机模型，其特征在于，所述同步机制表示小麦 侧轴生长与其所在母轴具有同伸关系，其生理年龄与母轴相同，因此当母轴到达某种生 理阶段，其侧轴也同时到达。
6.根据权利要求1所述的小麦虚拟生长机模型，其特征在于，所述轴对象包括轴对 象标识、分枝数量、叶元数量、与母轴夹角，叶对象集合、叶鞘对象集合、节间对象集 合、穗对象；所述轴对象标识是轴对象的Key，同时也反映轴间的逻辑关系；所述分枝 或分蘖数量表示该轴上发生分枝的数量；所述叶元数量表示该轴上发生的叶元数量；所 述与母轴夹角表示该轴与其所在母轴的夹角；所述叶对象集合构成当前轴的叶器官集 合，其元素是叶对象，按照器官发生的时间序列排列；所述叶鞘对象集合构成当前轴的 叶鞘器官集合，其元素是叶鞘对象，按照器官发生的时间序列排列；所述节间对象集合 构成当前轴的节间器官集合，其元素是节间对象，按照器官发生的时间序列排列；所述 穗对象，每个能成穗的轴仅有一个穗器官。
7.根据权利要求6所述的小麦虚拟生长机模型，其特征在于，所述叶对象包括标识、 生长GDD、生长状态、形态数据，所述标识用于对构成当前轴的叶对象区分；所述生 长GDD:反映当前叶对象发生的生长度日；所述生长状态反映器官的同伸关系；所 述形态数据反映当前叶对象的形态构型数据，由器官形态发生模型确定，其值供可视 化模型使用。
8.根据权利要求6所述的小麦虚拟生长机模型，其特征在于，所述叶鞘对象包括标识、生长GDD、生长状态、形态数据，所述标识用于对构成当前轴的叶对象区分；所 述生长GDD:反映当前叶对象发生的生长度日；所述生长状态反映器官的同伸关系； 所述形态数据反映当前叶对象的形态构型数据，由器官形态发生模型确定，其值供可 视化模型使用。
9.根据权利要求6所述的小麦虚拟生长机模型，其特征在于，所述节间对象包括标 识、生长GDD、生长状态、形态数据，所述标识用于对构成当前轴的叶对象区分；所 述生长GDD:反映当前叶对象发生的生长度日；所述生长状态反映器官的同伸关系； 所述形态数据反映当前叶对象的形态构型数据，由器官形态发生模型确定，其值供可 视化模型使用。
10.根据权利要求6所述的小麦虚拟生长机模型，其特征在于，所述穗对象包括标 识、生长状态、形态数据，所述标识用于对构成当前轴的穗对象区分；所述生长状 态反映器官的同伸关系；所述形态数据反映当前穗对象的形态构型数据，由器官形 态发生模型确定，其值供可视化模型使用。
全文摘要
本发明公开了一种小麦虚拟生长机模型，包括小麦植株形态发生模型和基于轴结构的小麦植株拓扑结构数据模型；所述小麦植株形态发生模型用于控制植株形态生成，包括宏状态自动机、子状态自动机、微状态自动机；所述基于轴结构的小麦植株拓扑结构数据模型包括轴对象集合构成当前植株的轴集合，其元素是轴对象。
文档编号G06T17/00GK102013111SQ201010562599
公开日2011年4月13日 申请日期2010年11月29日 优先权日2010年11月29日
发明者任艳娜, 余华, 席磊, 张慧, 张 浩, 汪强, 熊淑萍, 虎晓红, 郭伟, 马新明 申请人:河南农业大学