虚拟植物的研究进展

虚拟植物的研究进展郭焱李保国信息技术加入时间：2006-9-2617:07:54yang点击：496(中国农业大学资源与环境学院土壤和水科学系，北京100094）（E-mail:[e-mail]）摘要虚拟植物即应用计算机模拟植物在三维空间中的生长发育状况，是近20年来随着信息技术进步而迅速发展起来的研究领域，在农学、林学、生态学、遥感等众多领域有着广阔的应用前景。通过概述虚拟植物的研究意义、研究方法和国内外最新进展，探讨了虚拟植物模型在农业领域应用的关键问题，包括植物与环境相互作用关系的定量化及模拟机制，根系的虚拟等。对虚拟植物模型在农业领域中的应用，如通过虚拟试验对农田水分、养分利用进行精确定量化研究、作物株型设计、栽培措施优化等进行了展望。关键词虚拟植物植物形态结构三维数字化可视化虚拟实验为定量化研究植物的生长规律，从60年代中期开始，研究人员就开始了植物生长的模拟研究。所建立的模型通过对植物生理生态过程的模拟，能够预测不同环境条件下生长的植物的某些综合指标，如作物的产量、牧草的生物量，叶面积指数动态，器官的生物量、数量等，而在植物形态结构和环境因素的时空变异对植物生长的影响等方面进行了简化处理[1]。这类模型与专家系统结合，对农业生产等领域具有重要的指导意义，但对于一些新的应用领域，已难以满足要求。以农田系统为例，农田小尺度范围内的环境条件、作物生长便有着明显的时空变异性，近年来迅速发展起来的精确农业就是基于这种差异性而诞生的[2]。就水分而言，由于土壤条件、作物冠层和根系的形态结构在小尺度范围内便有着很大的时空变异，这些变异对根系吸水、土面蒸发、作物蒸腾都有着很大的影响，而生理生态模型在处理植物和土壤的时空变异性方面进行了较大的简化，难以对农田水分的运动与转化实现精确定量化研究。近年来由植物学、农学、生态学、数学、计算机图形学等诸多学科交叉而迅速发展起来的虚拟植物模型[3,4]，则具有满足这类需求的潜力。一般而言，生理生态模型具有容易获取参数、对计算机性能要求不高等优点，适宜于产量预测、土地生产力评价等方面的应用；而虚拟植物模型的参数较复杂、对计算机性能要求较高，在空间分辨率要求高、与植物形态结构相关的领域应用更具有优势，在精确农业、生态系统物能流空间规律研究、植物生长状况遥感监测、园林设计、虚拟教学等众多领域具有广阔的应用前景。本文拟从农业角度对虚拟植物的研究方法与关键技术、国内外进展、所存在的问题以及应用前景做一评述。1.虚拟植物研究简介虚拟植物，就是应用计算机模拟植物在三维空间中的生长发育状况[5~7]。其主要特征为以植物个体为研究中心，以植物的形态结构为研究重点。所建立的模型是三维的，以可视化的方式反映植物的形态结构规律，如具有真实感的植物个体或群体。需要指出的是，本文讨论的是基于植物学原理而建立的模型，不包括仅仅基于算法生成从视觉上像植物的图形模型。1.1意义与优势植物的形态结构，即植物地上和地下部在三维空间中的占据方式，很大程度地决定着植物的竞争能力和资源获取强度，如冠层对光辐射的截获能力、相邻植株根系之间对土壤水分和养分的竞争能力等。就某一时刻而言，植株此刻的形态结构，很大程度地决定了植株当前的资源获取强度，如叶片的空间分布状态对光辐射截获量的影响，从而决定了当前功能的行使(如光合功能、蒸腾等)；而光合产物的生产与分配反过来决定其各部分的生长速率，从而决定下一时段植株的形态结构。植物的生长过程就是由许多个这样的循环构成，植物的形态结构在其中占据着重要位置[8,9]。因此，该方面的研究对明确植物的生长规律具有重要的理论意义。另一方面，植物的形态结构特征，也决定了植物个体与群体的许多属性，如对果树剪枝以提高果品的产量和品质，是基于对果树的形态结构对光合产物分配影响的研究；为研究最有效的施药方法，须研究喷洒的农药在植株上的分布及与病害、害虫的位置关系(包括是在叶片的正面还是背面)，而这与植物的空间结构紧密相关[10,11]；另外，为提高对森林、农田作物生长状况的遥感判读的准确性，也必须研究遥感影像与植物形态结构的关系[12]。因此，对植物形态结构的研究在多个应用领域均具有重要应用价值。与传统的模型相比，虚拟植物模型在空间规律研究方面具有很大的优势。如植物冠层空间的光分布在过去很难进行实验测定和模拟研究，而在虚拟植物模型中，基于在计算机上建立的植物三维模型，应用计算机图形学方法模拟光线在植物冠层内的传输、反射和透射等，就能精确计算每个叶片的光截获值。而其可视化特征，使得我们可以非常直观地对农田、森林等复杂的生态系统进行研究，发现应用传统方法难以观察到的规律。1.2研究方法虚拟植物的研究方法为：1.对不同生长条件、不同生育阶段的植物进行定性观察，判别其生长模式，确定描述其形态结构的总体框架；2.定量化测定植物的拓扑结构、几何特征、机械性质等；3.将测定数据输入数据库，通过数理统计、模式识别等方法，提取植物形态结构规则；4.模型依据植物生长规则模拟植物生长，应用可视化技术在计算机上实现虚拟植物。基于所建立的虚拟模型，可进行虚拟实验等方面的研究。1.3关键技术对植物形态结构的研究具有重要意义，但过去由于无适用的技术手段，提取规律困难，并且进行模拟需要强大的计算能力和图形能力，这在过去也不能满足，制约了该领域的研究进展。近年来，在信息技术飞速发展的带动下，用于植物形态结构研究的数据采集方法如三维数字化技术、计算机硬件水平已能够满足需求，构建模型所需的可视化技术、面向对象的程序设计方法[13]等已经成熟。下面仅对虚拟植物研究的部分关键技术进行介绍。(1)三维数字化技术：尽管应用一些简单的方法也能够进行植物形态结构的研究，如使用量角器可测量植株分枝的方位角和夹角，但这样太费时费力，测定精度和速度难以满足要求。若在植物上选定一些能描述其形态结构的特征点，获取其在三维坐标系中的坐标值，就能方便地计算分枝的倾角与方位角、叶片的几何形状等。三维数字化技术，是以计算机为核心，基于声学、光学、磁学等原理开发的，可快速、精确地采集物体空间坐标。Sinoquet[14]在1991年为测定作物冠层的空间坐标所采用的基于声学原理的三维数字化仪，其精度为±10mm；近几年来该类型仪器的性能又有大的提高，作者最近采用的美国GTCO公司的Freepoint三维数字化仪，在测量范围2.4m×2.4m×2.4m内，其精度已达到±1mm。因此，应用三维数字化技术可实现对植物生长过程中形态结构的连续、精确的监测，确定其规律。现在，基于激光、微型雷达技术的三维数字化技术也已出现[4,5,15]，这些方法成熟后，将能够实现对植物形态结构的更快速、精确、非接触性的监测。(2)可视化技术：现代的数据采集技术和测试技术使研究人员能在短时间内获得大量的数据。研究人员对这些数量巨大的数据往往难以下手分析。八十年代后期提出并发展起来的科学计算可视化方法，将实验数据和计算数据转换为几何图形及图象信息在计算机屏幕上显示出来并进行交互处理，使研究人员能以更直观和客观的方式发现隐藏在数据中的科学规律[16]。应用可视化技术来研究植物的形态结构，以及与形态结构相关的属性，具有着很大的优势。2国内外的研究进展按建模的方法和目的不同可将虚拟植物模型分为两类：静态模型和动态模型。2.1静态模型图1虚拟的灌浆期玉米群体应用三维数字化方法等测定植物的形态结构数据后，直接应用这些数据可建立虚拟植物静态模型，模型可用来研究与植物空间结构相关的性质。如Smith等依据测量数据，实现了猕猴桃果实与藤架形态结构的三维重建，应用可视化技术将果实用不同颜色来表征其各项属性，如用不同深浅的红色表示果实的糖分含量，由此分析了植株结构空间规律与果实物理、化学、产后品质的相关关系[17]。Ivanov等人[18]与Andrieu等人[19]依据采集的数据，建立了玉米冠层的三维模型。依据该模型研究人员可以从任意视角来观察玉米冠层，分析其结构特征。为分析形态结构对植物冠层空间光分布的影响，作者应用比前者测量精度更高的三维数字化仪对不同生育期玉米冠层形态结构进行精确测定后，建立了虚拟玉米静态模型(图1)，由此分析了玉米冠层的三维结构特征[20,21]，进行了玉米群体光传输的虚拟实验。静态模型能够精确再现植物的形态结构，可用来分析植物形态结构的定性和定量特征，研究与植物结构有关的生理生态、生物物理过程，如进行植物冠层光截获的分析、农田作物蒸腾的研究、作物形态结构对遥感监测精度的影响等。其缺点在于需要直接调用大量的测定数据，而且不适合反映植物形态结构的动态规律。2.2动态模型虚拟植物的动态模型，是基于对植物生长过程中拓扑结构演变和几何形态变化规律的研究，提取植物的生长规则而建立的，模型用以反映植物生长过程中的规律，是虚拟植物模型的主要发展方向。Chen[22]根据由观测数据建立的杨树生长规则，利用分形方法建立了杨树的虚拟模型。模型模拟了杨树生长过程中其叶面积和叶倾角的空间分布，并将虚拟的杨树群体投影到平面上，对所生成的图象采用数值影像分析系统进行处理，研究了杨树冠层的光传输规律。上述模型是针对特定植物类型而建立的，而建立虚拟植物的通用模型具有更大的价值。通用模型的代表之一为Vlab。现今在形态结构描述方面具有重要影响的是生物学家Lindenmayer于1968年提出的并以其姓氏首写字母命名的L系统[23]。L系统是一种形式语言，其本质是一个重写系统，它通过对公理应用产生式进行有限次迭代后，对产生的字符串进行几何解释，就能生成非常复杂的图形。由于植物产生分枝、节间伸长也可以视为一种迭代过程，因此L系统非常适合描述植物的形态结构。加拿大Calgary大学的Prusinkiewicz等人[24,25]以L系统为植物形态结构的描述框架，开发了Vlab虚拟植物系统，该系统能够实现不同类型植物的模拟(可浏览网址：)。形式语言方法具有坚实的数学理论基础，但由于结构较复杂的植物其L系统规则较难提取，Vlab系统模拟一些较高大的植物时不够理想[26]。图2植物结构基本模型与虚拟植物左为Massart模型，右为应用AMAP模拟的不同生长阶段的雪松[6]法国农业发展国际合作研究中心(CIRAD)的deReffye等人建立的AMAP系统是通用模型的另一个代表[6,27,28]。该模型基于的原理之一为：地球上植物的外观千变万化，但其结构仍具有一定的规律，可将其归类为二十多个植物结构基本模型。对于某一种植物，对其进行定性分析，可确定描述其结构的基本模型，在此基础上对植物结构进行定量化；为植物的生长具有一定的随机性，如某个位置的侧芽是否产生分枝、分枝的类型与出现的时间等，应用概率分布和随机过程理论可描述其规律。该系统依靠功能强大的田间数据采集与分析模块，将测定的植物各类数据输入数据库，应用马尔可夫过程分析植物拓扑结构演化规律，通过模式识别方法提取生长规则。模型应用蒙特卡洛方法模拟植物的生长，应用几何方法表达其形态规律。AMAP模型适用于模拟高大植物(如各种类型的树)，已实现了对从热带到温带不同气候带生长的植物的模拟(可浏览网址：)。图2为该模型基于植物结构基本模型Massart模型，依据雪松的生长规则，对其不同生育阶段的模拟结果。3在农业领域应用的关键问题目前，虚拟植物模型已能够很好地实现对植物地上部形态结构的模拟，可以满足园林设计、遥感等应用领域的需求。如在公园、住宅区内栽种花草树木前，可应用虚拟模型预测所栽植物数年后的生长状况，从而确定所采用的栽种密度、品种搭配是否理想。而在农业领域，生产者是通过调控环境状况以促进作物生长，达到高产高效目的的。因此，人们希望模型能精确地虚拟随环境条件而改变的作物生长状况。特别是在实施精确农业时，希望能够虚拟随农田环境的空间变异而改变的作物生长状况，以及因作物生长而变化的农田环境状况。这样，通过与GPS、GIS等技术结合，就能实施精确灌