一种作物株型设计方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于计算机技术、电子信息技术领域，具体涉及一种基于力学计算和植物 模型的作物株型设计方法。
【背景技术】
[0002] 伴随着人口增加和耕地面积减少，单位面积粮食产量的提高成为农业科研攻关的 首要目标。而倒伏是作物高产的重要限制因素之一，作物的倒伏不仅带来产量的严重损失， 降低粮食品质，还给收割带来很大困难。
[0003] 植株的抗倒性主要由株高所决定。以水稻为例，在20世纪50?60年代的绿色革 命中，中国的矮化育种阶段是实践与株型理论相结合的第一个发展阶段，这个阶段的研宄 中心是作物的株高。通过降低株高使品种的耐肥、抗倒性和密植性显著增强，进而提高叶面 积指数和生物产量，从而提高作物群体的产量，并选育出了矮脚南特等一系列的矮杆高产 品种。
[0004] 随着株型理论研宄的深入和生产实践发展，农学家对株高有了新的认识，矮杆主 要提高了经济系数，生物产量并无明显变化，产量上要有较大的突破必须在生物产量上有 大幅度的提高。一般认为，要实现超高产，生物产量是一个基础；植株需要一定的高度，生 物产量才高。适当增加一点株高，可以降低叶面积密度，有利于〇) 2扩散和中下部叶片的受 光，对生长量和后期籽粒充实是有利的。同时也有研宄证明，株高与生物产量呈显著的正相 关，尤其是在高产条件下关系更为密切，而生物产量增加又是穗粒数和千粒重增加的物质 基础。
[0005] 水稻生产又回到了高杆时代，但植株高了以后易倒伏。现代水稻栽培的高产、优质 等目标，无一例外地受倒伏问题制约。可以说，第一次绿色革命已经解决的水稻倒伏问题， 经过半个世纪的轮回，又成了我国水稻栽培技术的瓶颈难题。据专家预测，实现大面积亩产 1000公斤的超级杂交稻，首先须进行株型改良，使水稻植株从目前的半矮杆、半高杆向高 杆乃至超高杆转变，以增加单位面积的生物产量；同时还须保证三个前提，即每亩穗数不降 低、收获指数要提高、抗倒伏性要增强。既要保证高杆水稻实现高产又要具备矮杆水稻的抗 倒伏性优势，这个矛盾所带来的问题就摆在了我们的面前：对于某一品种的水稻，多高的株 高才是其理想株型所期望的？评判的依据是什么？
[0006] 虚拟植物是近二十年来发展的较为迅速的研宄热点之一，融合了数学、植物学、计 算机图形学等相关学科的知识，并且已经成功的应用到农林业、虚拟农作物实验等领域。借 助于基于植物生长规律所提炼出的植物建模技术，人们可以借助计算机技术的精确性、系 统性、直观性的特长分析植物的生长行为以及植物与外界环境的相互作用。这成为了继传 统农业、基因栽培技术后，植物科学发展的另一重要方法。植物建模技术中比较有代表性的 有GreenLab模型、L系统等。其中，作物功能结构模型的特点是融合传统的基于过程的模 型的优势和起源于计算机学科的形态结构模型，引入植物功能和结构的相互反馈机制，以 表现植物在不同环境下的可塑性。能否借助于虚拟植物技术来研宄作物的倒伏，通过优化 植物模型从而为作物的株型设计提供量化依据？这样的研宄少之又少。本发明提出了设计 作物株型的新的方法。
【发明内容】
[0007] 为了加快作物株型的改良，本发明提出了一种作物株型设计方法，通过虚拟植物 技术来研宄作物的倒伏，并通过优化植物模型从而为作物的株型设计提供量化依据。
[0008] 本发明提出的一种作物株型设计方法，包括以下步骤：
[0009] 步骤1，通过植物模型，提取作物在某一生长时期下与力学计算相关的状态变量；
[0010] 步骤2,基于所述与力学计算相关的状态变量建立有限元模型；
[0011] 步骤3 :基于所述有限元模型进行作物的受力分析，判断是否发生倒伏；
[0012] 步骤4 :如果判断为发生倒伏，则优化植物模型中的相关参数，再次执行步骤1至 步骤4 ;否则输出当前植物模型的参数。
[0013] 为了进一步的对该方法进行优化：
[0014] 步骤4中所述植物模型中的相关参数为植物模型中影响株高和/或产量的参数。
[0015] 步骤3中所述的有限元受力分析的方法，包括以下步骤：
[0016] 步骤31，计算植物模型中作物茎杆在发生断裂的瞬间所能承受的最大力矩Mb_ k =〇I/r，其中〇为作物茎杆的抗弯强度，I为作物茎杆的横截面惯性矩，r为作物茎杆的 横截面半径；
[0017] 步骤32,将植物模型中作物茎杆上各点的力矩吣分别与Mtoeak对比，若出现 MAMb^k的次数大于等于1，则可判断为作物发生倒伏。
[0018] 步骤4中所述优化植物模型中的相关参数的方法为抗倒伏性作物的作物株高优 化，具体为：设定作物产量，构建带约束的单目标优化公式（5)，并利用粒子群算法得到抗 倒伏作物的最大作物高度；
[0019]
【主权项】
1. 一种作物株型设计方法，其特征在于，包括以下步骤： 步骤1，通过植物生长模型，提取作物在某一生长时期下与力学计算相关的状态变量； 步骤2,基于所述与力学计算相关的状态变量建立有限元模型； 步骤3 :基于所述有限元模型进行作物的受力分析，判断是否发生倒伏； 步骤4 :如果判断为发生倒伏，则优化植物模型中的相关参数，再次执行步骤1至步骤 4 ;否则输出当前植物模型的参数。
2. 依据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤4中所述植物模型中的相关参数为植 物模型中影响株高和/或产量的参数。
3. 依据权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤3中所述的有限元受力分析的方法， 包括以下步骤： 步骤31，计算植物模型中作物茎杆在发生断裂的瞬间所能承受的最大力矩Mbreak= 〇I/r，其中〇为作物茎杆的抗弯强度，I为作物茎杆的横截面惯性矩，r为作物茎杆的横截 面半径； 步骤32,将植物模型中作物茎杆上各点的力矩乂分别与MbMak对比，若出现M的 次数大于等于1，则可判断为作物发生倒伏。
4. 依据权利要求3所述的方法，其特征在于，步骤4中所述优化植物模型中的相关参数 的方法为抗倒伏性作物的作物株高优化，具体为：设定作物产量，构建带约束的单目标优化 公式（5)，并利用粒子群算法得到抗倒伏作物的最大作物高度；
其中a为可以改变茎杆的长度和粗度之间的关系植物模型的异速生长率，H(a)为异速 生长率为a时的作物株高，Mi(a)为异速生长率为a时作物茎杆上各点的力矩，MbMak (a)为 异速生长率为a时作物茎杆在发生断裂的瞬间所能承受的最大力矩。
5. 依据权利要求3所述的方法，其特征在于，步骤4中所述优化植物模型中的相关参数 的方法为抗倒伏性作物的作物产量的优化，具体为：设定作物株高，构建带约束的单目标优 化公式（6)，并利用粒子群算法得到抗倒伏作物的最大作物产量；
其中Pftu作物果穗的库强参数，Pint作物茎杆的库强参数，W(Pftu，Pint)、Mi(Pf?，Pint)、MbMak (Pf?，Pint)分别表示在Pf?和Pint参数下的作物产量、作物茎杆上各点的力矩、作物茎杆 在发生断裂的瞬间所能承受的最大力矩。
6. 依据权利要求1-5中任一项所述的方法，其特征在于，步骤2中将不同等级的风速引 起的空气对作物的不同拖拽力作为输入加入有限元模型的构建。
7. 依据权利要求6所述的方法，其特征在于，步骤1中提取的与力学计算相关的状态变 量包括作物结构信息、作物材料属性信息、外界力的信息，物结构信息包括作物器官的空间 位置和数量，作物材料属性信息包括作物器官的弹性模量、泊松系数、材料类别，外界力的 信息包括重力。
【专利摘要】本发明涉及一种作物株型设计方法，利用植物模型来对作物的倒伏进行力学分析，通过数据优化来得到合适的株高、产量等形状，从而为株型改良和设计提供了参考。本发明与传统的农业育种和基因育种来对株型改良的方式不同，是通过一种在计算机上实现的参数优化的方式来完成的。这样可降低人工及实验成本、缩短实验周期，为合理的株高设计提供理论依据和实践指导，同时也利于在农业上的技术推广。
【IPC分类】G06F17-50
【公开号】CN104573256
【申请号】CN201510031225
【发明人】王浩宇, 康孟珍, 王秀娟, 王飞跃
【申请人】中国科学院自动化研究所
【公开日】2015年4月29日
【申请日】2015年1月21日