小麦生长过程的三维可视化方法及装置、计算机可读介质与流程

本发明涉及计算机技术领域，尤其涉及一种利用计算机图形处理技术模拟小麦生长过程的方法，具体来说就是一种小麦生长过程的三维可视化的方法及装置、计算机可读介质。

背景技术

近年来，计算机图形技术与农业的结合使得对农作物形态结构和生理功能的研究跨到数字化、可视化的阶段，在计算机上以三维可视的方式分析、研究和设计农作物的三维形态结构已经成为可能，农作物三维形态数字化设计、农作物生长过程可视化模拟等新的研究领域已经成为现代农业的重要组成部分。虚拟农作物是以农作物的形态结构为研究对象，在计算机上以可视化方式模拟农作物形态结构变化规律及生长发育过程。虚拟农作物研究已成为现代农业科学的一个重要发展方向，是数字农业中重要的知识平台和支撑技术，具有广泛的应用前景。

目前，国内外在农作物的器官建模以及植株生长的可视化模拟方面做了较多的研究工作，但是由于农作物形态结构的复杂性，而且农作物是有生命的个体，因此农作物生长建模和可视化模拟中仍存在诸多有待解决的技术问题。虚拟小麦是虚拟农作物的一个研究方向，目前国内外研究小麦生理生态模型的比较多，但是从计算机图形学角度对小麦的可视化模型研究较少，尤其是实现小麦生长模型和形态模型的结合，动态表达小麦生长过程的研究较少。

合理株型结构是小麦优质、高产、稳产的有效保证，植株形态结构是小麦生长发育过程与株型结构的全面展现，而小麦生长模型与形态结构模型则是小麦生长发育过程与株型结构的定量表达，实现小麦生长模型和形态模型结合的难点在于：(1)小麦形态结构复杂，存在分蘖、叶片弯曲、干枯等情形，不同生育期的形态特征差异较大，其生长过程受环境的影响，逼真实现小麦形态结构的生长可视化是一个巨大的挑战；(2)由于生长模型和形态模型之间需要合适的纽带，如何将小麦生长模型与形态模型结合，实现小麦生长发育过程的三维可视化，真实表达气象、土壤等环境因素对小麦生长过程的影响，还存在较大困难。

因此，随着农作物三维可视化技术研究的不断深入，以及信息技术的不断发展，本领域技术人员亟需研发一种将生理生态与形态结构有机结合、操作简洁、人机交互友好、实用性强的小麦三维可视化方法。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明要解决的技术问题在于提供一种小麦生长过程的三维可视化方法及装置、计算机可读介质，解决了现有技术无法实现小麦生长发育过程与株型结构的三维可视化表达的问题。

为了解决上述技术问题，本发明的具体实施方式提供一种小麦生长过程的三维可视化方法，包括：基于田间试验实测数据构造小麦生长模拟模型；利用所述小麦生长模拟模型获得某株小麦的形态特征输出数据；根据所述形态特征输出数据三维展示该株小麦的生长过程。

本发明的具体实施方式还提供一种小麦生长过程的三维可视化装置，包括：构造单元，用于基于田间试验实测数据构造小麦生长模拟模型；处理单元，用于利用所述小麦生长模拟模型获得某株小麦的形态特征输出数据；展示单元，用于根据所述形态特征输出数据三维展示该株小麦的生长过程。

本发明的具体实施方式还提供一种或多种其上包含计算机可执行指令的计算机可读介质，所述计算机可执行指令用于执行小麦生长过程的三维可视化方法。

根据本发明的上述具体实施方式可知，小麦生长过程的三维可视化方法及装置、计算机可读介质至少具有以下有益效果：针对田间实际环境中小麦生长特点，将小麦生长模拟模型和形态结构模型有效结合，利用有效积温来构建小麦生长模拟模型，可以减少因天气、播期等不同而造成的小麦植株生长差异，提高了模型预测的准确性；采用参数化几何建模方法，建立了小麦叶片主脉控制点构造算法，所采用的算法简单，易于实现，适用于虚拟农业领域，具有计算效率高、拟合度高等特点。

应了解的是，上述一般描述及以下具体实施方式仅为示例性及阐释性的，其并不能限制本发明所欲主张的范围。

附图说明

下面的所附附图是本发明的说明书的一部分，其绘示了本发明的示例实施例，所附附图与说明书的描述一起用来说明本发明的原理。

图1为本发明具体实施方式提供的一种小麦生长过程的三维可视化方法的实施例一的流程图；

图2为本发明具体实施方式提供的一种小麦生长过程的三维可视化方法的实施例二的流程图；

图3为本发明具体实施方式提供的一种小麦生长过程的三维可视化方法的实施例三的流程图；

图4为本发明具体实施方式提供的一种小麦生长过程的三维可视化装置的实施例一的结构示意图；

图5为本发明具体实施方式提供的一种小麦生长过程的三维可视化装置的实施例二的结构示意图；

图6为本发明具体实施方式提供的一种小麦生长过程的三维可视化装置的实施例三的结构示意图；

图7a为本发明具体实施方式提供的衡观35小麦叶片长度模拟值与实测值的1:1图；

图7b为本发明具体实施方式提供的衡观35小麦叶片最大宽度模拟值与实测值的1:1图；

图7c为本发明具体实施方式提供的衡观35小麦叶片高度模拟值与实测值的1:1图；

图7d为本发明具体实施方式提供的衡观35小麦株高模拟值与实测值的1:1图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面将以附图及详细叙述清楚说明本发明所揭示内容的精神，任何所属技术领域技术人员在了解本发明内容的实施例后，当可由本发明内容所教示的技术，加以改变及修饰，其并不脱离本发明内容的精神与范围。

本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，但并不作为对本发明的限定。另外，在附图及实施方式中所使用相同或类似标号的元件/构件是用来代表相同或类似部分。

关于本文中所使用的“第一”、“第二”、…等，并非特别指称次序或顺位的意思，也非用以限定本发明，其仅为了区别以相同技术用语描述的元件或操作。

关于本文中所使用的方向用语，例如：上、下、左、右、前或后等，仅是参考附图的方向。因此，使用的方向用语是用来说明并非用来限制本创作。

关于本文中所使用的“包含”、“包括”、“具有”、“含有”等等，均为开放性的用语，即意指包含但不限于。

关于本文中所使用的“及/或”，包括所述事物的任一或全部组合。

关于本文中所使用的用语“大致”、“约”等，用以修饰任何可以微变化的数量或误差，但这些微变化或误差并不会改变其本质。一般而言，此类用语所修饰的微变化或误差的范围在部分实施例中可为20％，在部分实施例中可为10％，在部分实施例中可为5％或是其他数值。本领域技术人员应当了解，前述提及的数值可依实际需求而调整，并不以此为限。

某些用以描述本申请的用词将于下或在此说明书的别处讨论，以提供本领域技术人员在有关本申请的描述上额外的引导。

图1为本发明具体实施方式提供的一种小麦生长过程的三维可视化方法的实施例一的流程图，如图1所示，首先利用田间试验实测数据构造小麦生长模拟模型，再利用小麦生长模拟模型获得某株小麦的形态特征输出数据，最后根据形态特征输出数据三维展示该株小麦的生长过程。

该附图所示的具体实施方式中，小麦生长过程的三维可视化方法包括：

步骤101：基于田间试验实测数据构造小麦生长模拟模型。本发明的具体实施例中，基于田间试验实测数据构造小麦生长模拟模型具体包括：利用logistic方程基于田间试验实测数据构造小麦生长模拟模型。田间试验实测数据具体包括气象数据、田间管理数据和小麦形态特征数据等。气象数据具体包括日最高气温和日最低气温等；田间管理数据具体包括土壤理化特性参数、品种遗传参数和栽培管理数据等；小麦形态特征数据具体包括形态数据和小麦器官纹理照片等，其中，所述形态数据包括叶片长度、叶片最大宽度、茎叶夹角、叶片高度、茎秆直径和株高等。

步骤102：利用所述小麦生长模拟模型获得某株小麦的形态特征输出数据。本发明的具体实施例中，实测某株小麦的气象数据和品种遗传参数数据，并将实测的数据输入到小麦生长模拟模型进行处理，获得处理后的小麦形态特征输出数据。

步骤103：根据所述输出数据三维展示该株小麦的生长过程。

参见图1，针对田间实际环境中小麦生长特点，将小麦生长模拟模型和小麦形态结构模型有效结合，利用有效积温来构建小麦生长模拟模型，可以减少因天气、播期等不同而造成的小麦植株生长差异，提高了模型预测的准确性。

本发明的具体实施例中，所述叶片长度ln(gdd)的计算公式如下：

其中，1＜n≤ln；gdd为对应生长日的有效积温；ln(gdd)为小麦主茎第n片叶在gdd时刻的叶片长度，单位为厘米；ln为主茎叶片总数，为品种遗传参数；lnmax为第n片叶定形后的长度；inigddn为第n片叶出叶时的gdd，inigddn的计算公式为lpa和lpb为模型参数；

其中，1≤n≤ln；inigddn为第n片叶出叶时的有效积温；phylli表示不同叶片出叶所需的有效积温，又称叶热间距，为品种遗传参数；lgdd表示小麦从播种到出苗所需的有效积温，计算公式为其中，m表示小麦从播种到出苗所需的天数，tj表示日平均温度，t0表示小麦生长的临界温度。

所述叶片最大宽度的计算公式为：

其中，1＜n≤ln；gdd为对应生长日的有效积温；wn(gdd)为小麦主茎第n片叶在gdd时刻的最大叶宽，单位为厘米；ln为主茎叶片总数，是品种遗传参数；wnmax为第n片叶定形后的最大叶宽，单位为厘米；inigddn为第n片叶刚长出时的gdd；wpa和wpb为模型参数。

所述叶片高度的计算公式为：

其中，1＜n≤hn；gdd为对应生长日的有效积温；hn(gdd)为小麦主茎第n叶位叶片在gdd时刻的叶片高度，单位为厘米；hn为小麦主茎叶片总数，为品种遗传参数；hnmax为第n片叶的最终叶片高度，单位为厘米；inigddn为第n片叶出叶时的gdd；hpa和hpb为模型参数。

所述株高的计算公式为：

其中，gdd为对应生长日的有效积温；w(gdd)为小麦在gdd时刻的株高，单位为厘米；wmax为小麦定形后的株高，单位为厘米；wpa和wpb为模型参数；inigdd为小麦从播种到出苗所需的有效积温。

图2为本发明具体实施方式提供的一种小麦生长过程的三维可视化方法的实施例二的流程图，如图2所示，基于田间试验实测数据构造小麦生长模拟模型之前，还需要采集多株小麦的田间试验实测数据。

该附图所示的具体实施方式中，步骤101之前，该方法还包括：

步骤100：采集多株小麦的田间试验实测数据。本发明的具体实施例中，采集多于1000株小麦的田间试验实测数据构造小麦生长模拟模型，从而保证小麦生长模拟模型的普适性。

参见图2，利用大量小麦的田间试验实测数据构造小麦生长模拟模型，从而保证小麦生长模拟模型的普适性，进而精确展示小麦的生长过程。

图3为本发明具体实施方式提供的一种小麦生长过程的三维可视化方法的实施例三的流程图，如图3所示，根据输出数据向用户三维展示该株小麦的生长过程。

该附图所示的具体实施方式中，步骤103具体包括：

步骤1031：采用nurbs曲面方程、opengl图形库和主脉控制点构造算法构建小麦形态结构模型。

步骤1032：利用所述输出数据在所述小麦形态结构模型中三维展示该株小麦的生长过程。

参见图3，采用参数化几何建模方法，建立了小麦叶片主脉控制点构造算法，所采用的算法简单、易于实现，计算效率高、拟合度高。

本发明的具体实施方式还提供一种或多种其上包含计算机可执行指令的计算机可读介质，所述计算机可执行指令用于执行图1～图3所示的小麦生长过程的三维可视化方法，以及存储该计算机存储介质的存储器。

图4为本发明具体实施方式提供的一种小麦生长过程的三维可视化装置的实施例一的结构示意图，如图4所示的装置可以应用到图1～图3所示的方法中，首先构造单元利用田间试验实测数据构造小麦生长模拟模型，再处理单元利用小麦生长模拟模型获得某株小麦的形态特征输出数据，最后展示单元根据形态特征输出数据三维展示该株小麦的生长过程。

该附图所示的具体实施方式中，小麦生长过程的三维可视化装置包括构造单元1、处理单元2和展示单元3。构造单元1用于基于田间试验实测数据构造小麦生长模拟模型；处理单元2用于利用所述小麦生长模拟模型获得某株小麦的形态特征输出数据；展示单元3用于根据所述形态特征输出数据三维展示该株小麦的生长过程。

参见图4，针对田间实际环境中小麦生长特点，将小麦生长模拟模型和小麦形态结构模型有效结合，利用有效积温来构建小麦生长模拟模型，可以减少因天气、播期等不同而造成的小麦植株生长差异，提高了模型预测的准确性。

图5为本发明具体实施方式提供的一种小麦生长过程的三维可视化装置的实施例二的结构示意图，如图5所示，基于田间试验实测数据构造小麦生长模拟模型之前，还需要采集多株小麦的田间试验实测数据。

该附图所示的具体实施方式中，小麦生长过程的三维可视化装置还包括采集单元4，其中，采集单元4用于采集多株小麦的田间试验实测数据。

参见图5，利用大量小麦的田间试验实测数据构造小麦生长模拟模型，从而保证小麦生长模拟模型的普适性，进而精确展示小麦的生长过程。

图6为本发明具体实施方式提供的一种小麦生长过程的三维可视化装置的实施例三的结构示意图，如图6所示，展示单元具体包括构建模块和展示模块。

该附图所示的具体实施方式中，所述展示单元3具体包括构建模块31和展示模块32。其中，构建模块31用于采用nurbs曲面方程、opengl图形库和主脉控制点构造算法构建小麦形态结构模型；展示模块32用于利用所述输出数据在所述小麦形态结构模型中三维展示该株小麦的生长过程。

参见图6，采用参数化几何建模方法，建立了小麦叶片主脉控制点构造算法，所采用的算法简单、易于实现，计算效率高、拟合度高。

图7a为本发明具体实施方式提供的衡观35小麦叶片长度模拟值与实测值的1:1图；图7b为本发明具体实施方式提供的衡观35小麦叶片最大宽度模拟值与实测值的1:1图；图7c为本发明具体实施方式提供的衡观35小麦叶片高度模拟值与实测值的1:1图；图7d为本发明具体实施方式提供的衡观35小麦株高模拟值与实测值的1:1图，参见图7a～图7d，以及表1，试验于2015年10月～2016年6月在天津市农科院武清试验基地进行，开展品种与施氮试验，2015年10月15日播种，供试品种为衡观35，设计3次重复。供试土壤为重壤质潮土，试验开始时耕层土壤(0-20cm)的基本理化性状为：铵态氮9.2mg/kg、硝态氮37.5mg/kg、速效磷25.8mg/kg、速效钾426.8mg/kg、ph值8.66。设计3个氮肥处理，分别为n1(0kg/hm2)、n2(225kg/hm2)、n3(300kg/hm2)，小区面积25m2(5m×5m)，行道宽0.5m，得到如表1所示的回归方程，模拟值与实测值的1:1曲线图如图7a～7d所示。表1为衡观35小麦生长模拟模型回归方程。

表1

从上述实例可以看出，本发明提出的小麦生长模拟模型曲线回归方程拟合度较高，且sig小于显著水平0.05，表明模型显著性较好。

本发明的具体实施例中，小麦生长过程的三维可视化装置可以利用windows平台(例如windows7)实现，具体来说，釆用microsoftvisualstudio2010作为开发工具，借助c++编程语言和opengl图形库实现。

本发明提供一种小麦生长过程的三维可视化方法及装置、计算机可读介质，针对田间实际环境中小麦生长特点，将小麦生长模拟模型和形态结构模型有效结合，利用有效积温来构建小麦生长模拟模型，可以减少因天气、播期等不同而造成的小麦植株生长差异，提高了模型预测的准确性；采用参数化几何建模方法，建立了小麦叶片主脉控制点构造算法，所采用的算法简单，易于实现，计算效率高、拟合度高。

上述的本发明实施例可在各种硬件、软件编码或两者组合中进行实施。例如，本发明的实施例也可为在数据信号处理器(digitalsignalprocessor，dsp)中执行上述方法的程序代码。本发明也可涉及计算机处理器、数字信号处理器、微处理器或现场可编程门阵列(fieldprogrammablegatearray，fpga)执行的多种功能。可根据本发明配置上述处理器执行特定任务，其通过执行定义了本发明揭示的特定方法的机器可读软件代码或固件代码来完成。可将软件代码或固件代码发展为不同的程序语言与不同的格式或形式。也可为不同的目标平台编译软件代码。然而，根据本发明执行任务的软件代码与其他类型配置代码的不同代码样式、类型与语言不脱离本发明的精神与范围。

以上所述仅为本发明示意性的具体实施方式，在不脱离本发明的构思和原则的前提下，任何本领域的技术人员所做出的等同变化与修改，均应属于本发明保护的范围。