作者:郑见 来源:科学时报 发布时间:2011-11-14 8:39:31
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郭新宇团队三维重建搭起玉米优质高产平台
 
郑见
 
玉米是我国第二大粮食作物,并且具有较大的增产潜力,所以一直受到研究者的重视。
 
在国家自然科学基金的持续资助下,中国农业科学院农业信息研究所研究员郭新宇团队对基于三维可视化模型的玉米冠层结构和生产力、数字化玉米种植管理系统进行了研究,开发出一套玉米三维形态计算机辅助设计工具。该工具将玉米的三维形态重建出来,并基于这种形态进行计算,为评价玉米生理或农艺性状提供了科学依据。
 
难在量化模拟计算
 
研究表明,玉米进行光合作用的主要器官是叶片。玉米干物质积累绝大部分来自叶片,光合作用及其生产力的形成受玉米冠层结构的影响。
 
“影响玉米生长的主要因素有地下部的根系结构和地上部的冠层结构。”郭新宇说,“冠层结构包含茎干和由附着在茎秆上不同高度、方位角的叶片组成的网格化结构。这种结构直接关系到光能截获的问题,同时也会对群体小环境造成影响。”
 
在一定环境条件下,玉米光合作用产量取决于叶片吸收的光合有效辐射和叶片的光合特性,而冠层内的辐射状况又表现出空间上的异质性和时间上的动态特性。太阳辐射在玉米冠层中的分布除受太阳辐射变化影响外,还受冠层结构等因素的影响,如株型,叶面积指数,叶片形状和大小、方位角分布、散射、吸收和反射、空间分布的异质性等特性,以及这些随玉米品种、生长发育阶段和种植密度的变化的特性,所以研究玉米冠层结构、冠层内光分布和光合作用之间的定量化关系模拟计算是玉米生理生态学的一个热点和难点。
 
该小组成员郭江认为,在生产中首先要考虑群体结构,有了合理的群体结构,也就决定了合理的光分布,从而使玉米光能利用率达到最高。光合作用水平达到最佳状况,为玉米获得高产提供了优越的光环境。因此研究人员对玉米冠层结构的研究大多集中在群体结构的描述和光分布上。
 
随着数据采集手段的不断提高和计算机软硬件的飞速发展,该团队决定利用计算机可视化技术,实现玉米植株个体与群体结构的三维重建,从而可以在任意角度观察玉米群体,分析其空间结构特征,为农业生态系统研究提供新的手段。
 
重建玉米三维形态
 
评估农作物的潜在产量,首先要看能量转化、物质转化和获取,即考虑光合作用转化为同化产物的情况。考虑光合作用就要基于形态、结构进行计算。
 
“过去计算时把群体结构简化成一维结构,比如只用叶面指数或干物质生产量代表群体。”郭新宇说,“但群体在空间分布是有差异的,一部分的分布不能代表群体的情况。”
 
在国家自然科学基金的资助下,郭新宇团队开展了作物—环境—技术关系的数字化研究,提出了玉米数字化种植管理系统的设计思想和框架。该团队开发了数字化玉米种植管理系统,实现了玉米逐日生长模拟、产量与品质的动态预测、氮肥污染控制、玉米生长模拟模型和玉米管理知识模型的耦合、玉米生长模拟模型的集成应用和跨平台的玉米模拟模型远程共享。
 
在此基础上,他们提出玉米模拟三维动态可视化的思想,开发了玉米可视化设计工具,实现了玉米模拟三维可视化及其网络应用。
 
“我们做玉米三维可视化的目的,是将其三维形态重建出来,并基于这种形态进行计算,为某些生理或某一农艺性状评价提供依据。”郭新宇说,“从产量形成来看,有光、水、肥、营养等多种相关因素。我们先考虑一种因素,比如光合作用,以后再整合其他因素,逐步把生理、生态信息叠加到几何信息上,这样就会越来越逼近真实的自然生态条件。”
 
玉米三维可视化具有综合农学、计算机科学、地理信息系统和模拟模型等技术进行多学科交叉研究的鲜明特色,为玉米生产系统动态预测、管理决策、调控、设计和分析评价提供了数字化工具。
 
“我们首先实现地上部分的三维可视化,下一步是做根系、根冠,进而从作物生长和产量形成全过程进行模拟。最终为农学家和育种学家进行玉米个体、群体的分析评价提供可视化计算平台,提高玉米的产量和品质。”郭新宇说。
 
《科学时报》 (2011-11-14 A4 基金)
 
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