北方園藝（）： 園林花卉 第一作者簡介 ：程陳 （），男 ，安徽合肥人 ，博士研究生 ，研究方向為作物生長發(fā)育模擬模型 。：責(zé)任作者 ：葉彩華 （），女 ，福建南平人 ，教授級高級工程師 ，研究方向為農(nóng)業(yè)氣象與遙感應(yīng)用和生態(tài)氣象 。：基金項目 ：北京市氣象局 北京市財政資助項目 （）。收稿日期 ：日光溫室郁金香可視化模型研究程陳，韓碩，伍露，王 春 雷，葉 彩 華，劉 海 鵬（中國農(nóng)業(yè)大學(xué) 資源與環(huán)境學(xué)院，北京；北京市氣象局 北京市氣候中心，北京；北京市國際鮮花港 景觀設(shè)計部，北京）摘要 ：基于郁金香不同品種 、不同播期的個生長季試驗材料 ，采用建模方法 ，構(gòu)建了郁金香可視化模擬模型 ，以期為郁金香的形態(tài)結(jié)構(gòu)分析提供科學(xué)參考 。結(jié)果表明 ：通過構(gòu)建郁金香生長發(fā)育的，利用郁金香器官的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)確定了各個器官的位置關(guān)系和連接方式 ，利用曲線建立郁金香莖的仿真模型 ，并利用三次曲面的原理 ，構(gòu)建了郁金香的單葉片和單花被曲面模型 ，得到了郁金香可視化模擬效果圖 。關(guān)鍵詞 ：溫室 ；郁金香 ；結(jié)構(gòu) ；模擬模型 ；可視化中圖分類號 ： 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 ： 文章編號 ：（）郁金香可視化模型表現(xiàn)出其特有的生長特性 ，能動態(tài)地再現(xiàn)自然景物豐富的細(xì)節(jié)和隨機(jī)變化 。在國外 ， 可模擬植株生物量生產(chǎn)與基于植株拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的生物量分配 ，以及器官生物量積累與器官形態(tài)的關(guān)系 ，模擬植物結(jié)構(gòu)功能過程 ，可以比較精確地模擬植物生長。加拿大大學(xué)開發(fā)的植物模擬軟件和功能較強(qiáng) ，能生成各種植物圖形。在國內(nèi) ，陸汝鈴提出了廣義系統(tǒng) ，包括有線字母集 （細(xì)胞 ）、有限正整數(shù)集 （裂變周期 ）、有限產(chǎn)生式集 （裂變規(guī)則 ）、（環(huán)境元素 ）和（生物起源 ）部分 。李慶忠等使用系統(tǒng)與相互融合的方法模擬植物形態(tài) ，利用系統(tǒng)進(jìn)行植物生長規(guī)律和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分析 。袁曉敏等闡述了應(yīng)用于園藝植物真實感繪制方面的技術(shù) ，并對園藝植物可視化的發(fā)展趨勢進(jìn)行了展望 。國內(nèi)外基于不同建模算法構(gòu)建可視化模型的研究越來越多，但是對于郁金香可視化模型的研究甚少 。該研究通過溫室試驗 、收集數(shù)據(jù) ，對郁金香外觀形態(tài)進(jìn)行了較為細(xì)致的定量化表達(dá) ，以期展示用戶或虛擬環(huán)境需要的三維植物 ，也能夠表現(xiàn)郁金香在不同環(huán)境下的結(jié)構(gòu)差異以及在給定生長環(huán)境下的結(jié)構(gòu)動態(tài)變化。 材料與方法 試驗地概況試驗地點為北京順義區(qū)楊鎮(zhèn)國際鮮花港日光溫室基地 （北緯，東經(jīng)，海拔），屬于暖溫帶半濕潤大陸季風(fēng)氣候 。年平均氣溫。 試驗材料供試郁金香 （ ）品種共計個 ，具體生物特性見表。試驗采用無土水培箱栽培 ，寬，長，高，針盤底距箱底，針高。在插盤之前用溶液消毒次 。溫室總面積為 ，采用南北負(fù)壓式通風(fēng)和濕簾窗風(fēng)機(jī)強(qiáng)制通風(fēng)降溫 ，陽光板材用聚碳酸酯表 供試品種生物特性 品種品種特性花瓣顏色 品系“粉色印象 ” （） 早花 粉色 達(dá)爾文 “碩大粉紅 ” （） 中花 粉色 達(dá)爾文 “白日夢 ”（） 中花 橙色 達(dá)爾文 “艾斯米 ”（） 晚花 紅色 達(dá)爾文 “夜皇后 ” （） 非常晚花 紫色 單瓣晚花 中空板 （板 ）覆蓋 ，密封件連接 。 試驗方法試驗：年月日為冷庫生根期 ，年月日至月日為溫室栽培期 。采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計 ，個品種 （“碩大粉紅 ”），個密度梯度 （株 和株 ），次重復(fù) ，總共個小區(qū) ，栽培管理參照正常管理水平 。試驗：年月至年月進(jìn)行 ，采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計 ，個品種 （“粉色印象 ”“白日夢 ”“艾斯米 ”“夜皇后 ”），密度梯度株 ，次重復(fù) ，分個 播 期 進(jìn) 行 試 驗 ：早 播 （）為年月日播種 ，年月日移入溫室 ；中播 （）為年月日播種 ，年月日移入溫室 ；晚播 （）為年月日播種 ，年月日移入溫室 ，總共分為個小區(qū) 。 系統(tǒng) （ ）確定郁金香生長過程初始狀態(tài)與描述規(guī)則 ，進(jìn)行有限次數(shù)的迭代 ，生成字符發(fā)展序列以表現(xiàn)其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) ，并對產(chǎn)生的字符串進(jìn)行幾何解釋 ，從而生成分形圖形，。 曲面建模三階曲線的一般參數(shù)表達(dá)式為 ：（，），（），（），。此時每條曲線的初始控制點均為個 。需定義一個的控制點點陣及個分量和。沿分量設(shè)置一定的細(xì)分度 ，計算在分量的方向上沿平行曲線的點 ，再用這些點計算在分量方向上的點 ，將這些點連結(jié)成三角形 ，畫出曲面 。設(shè)定的細(xì)分度越高 ，計算量越大 ，曲面的平滑度也就越高 。利用雙三次曲面 ，可以完成郁金香葉片 、花被片等的建模 。結(jié)合器官分布模型 ，可以繪制出葉群和花朵 ，從而完成單株郁金香模型的建立 。由于郁金香的葉片數(shù)目較少 ，不同節(jié)位的葉片曲面存在一定形態(tài)差距 ，可通過多種形態(tài)的曲面進(jìn)行初始化定義 ，從而得到可調(diào)用的不同幾何曲面 。 （ ）曲面建模指一個控制頂點的影響力范圍能夠改變 ，每個可通過創(chuàng)建的曲線或曲面都可以通過有理多項式來進(jìn)行表達(dá)和定義 ，并通過內(nèi)插方法實現(xiàn)多個點之間的連線 ，最終完成郁金香莖的建模 。 項目測定根 ：最大根長 。葉 ：展葉數(shù) （葉長）；不同葉位的葉長 （葉片長度日增長量）；不同葉位的葉片最大寬度 ；不同葉位的葉片相對傾角與絕對傾角 ；葉片間相對方位角 。莖 ：抽生節(jié)間數(shù) ；各節(jié)點與種球頂部的距離 ；各莖粗 。種球 ：種球高度 ?；?：花頸長度 （第四葉鞘到花蕾基部 ）、花頸粗度 （花蕾基部以下）、蕾長和蕾莖 （花蕾中部最大直徑 ）；花瓣長度和寬度 。形態(tài)結(jié)構(gòu)的測定包括節(jié)位順序的測定和幾何形態(tài)測定 。節(jié)位順序的測定 ：依據(jù)系統(tǒng)的編寫規(guī)則 ，梳理郁金香植株各個器官的發(fā)生順序 、發(fā)生節(jié)位并進(jìn)行編號 （主莖號 、葉片號 ），測定各器官的幾何構(gòu)型 ，通過多角度拍照記錄器官分離后的形態(tài) 。傾角測定 ：確保所測器官軸線與其所在主莖 分枝的軸線在同一平面內(nèi) ，然后利用量角器測定條軸線之間的夾角 ，規(guī)定角度的正方向 ，傾角絕對值的取值范圍為，與正方向同向的為正角度 ，與正方向相反的為負(fù)角度 。方位角測定 ：絕對方位角即某器官軸線在水平地面的投影與正北方向的夾角 ，絕對方位角的取值范圍為；剖面夾角方位角 ，即在水平剖面上 （法線為地平面的垂線 ），個節(jié)位相鄰 第 期北方園藝的器官所夾的角度 （以最下面的葉片為基礎(chǔ) ，依次向上 ，總和為），取值范圍為，測量之前需要規(guī)定正方向 。 數(shù)據(jù)分析 數(shù)據(jù)分析軟件運用 軟件 、 統(tǒng)計分析軟件對試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行檢驗 、方差分析和函數(shù)回歸分析 ，并 制 作 數(shù) 據(jù) 曲 線 圖 。運 用 、圖像處理軟件對各個器官的三維空間數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和繪制三維圖形 。 程序編寫軟件建模語言使用基于的模擬編程語言（ ）。該語言是荷蘭大學(xué)開發(fā)的專門進(jìn)行作物系統(tǒng)模擬的高級語言 ，使用非常簡單 、方便 。 結(jié)果與分析 郁金香器官可視化建模 花的結(jié)構(gòu)模擬郁金香的花瓣為雙層鑷合狀排列 ，花被枚 ，輪排列 。將曲面的細(xì)分度設(shè)置為，需要連結(jié)個點 ，共構(gòu)建個空間三角域 。為保持花被片的自然性 ，采用隨機(jī)塌陷函數(shù)調(diào)整部分初始控制點的位置 ，使萼片觀感更為自然 ，如圖所示 。圖 層細(xì)分度 曲面模式圖 （左 ）及其在 中的實現(xiàn) （右 ） （） （） 莖的結(jié)構(gòu)模擬郁金香葉片的著生基點稱為節(jié) ，該研究中郁金香品種均為個節(jié) 。郁金香的莖截面直徑隨著莖節(jié)位數(shù)值的增大而減小 ；頂端花莖的橫截面直徑較小 ，較為纖細(xì) ?；ㄆ趦?nèi) （月日 ），節(jié)位 的 平 均 直 徑 分 別 為、（圖）。直立的郁金香莖可視為一個圓錐體 ，通過回歸分析 ，可得到郁金香第節(jié)位莖的橫截面直徑為 （ ）。式中 ，為郁金香莖節(jié)橫截面直徑 （），為節(jié)位順序 。在郁金香生長過程中 ，由于花冠受重力或環(huán)境影響導(dǎo)致器官莖并不能保持直立生長 ，這種情況 下 郁 金 香 莖 的 生 長 則 為 一 條 曲 線 。利 用曲線 ，即非均勻有理樣條來對彎曲的郁金香莖進(jìn)行模擬 （圖）。 葉的結(jié)構(gòu)模擬郁金香的葉片為單葉呈卵圓形 ，一般的品種具有葉 ，其中有片葉著生在基部 ，互生或輪生 。利用進(jìn)行模式繪制 ，簡單模式的郁金香單葉空間彎曲度可將軸線按正弦函數(shù)進(jìn)行擬合 ，擬合效果如圖所示 。北方園藝月 （上 ）圖 郁金香花期內(nèi)各莖節(jié)間直徑對比 圖 中的 曲線構(gòu)建彎曲的郁金香莖 花絲模型 圖 單個葉片初步曲面建模結(jié)果 色彩渲染以及個體模擬按照規(guī)則進(jìn)行組合 ，得到完整的郁金香結(jié)構(gòu)曲面模型 （圖）。真實感和仿真度是衡量可視化植物模型的重要指標(biāo)。真實感繪制主要是通過計算機(jī)的色彩渲染從光照 、紋理 、陰影等方面增加虛擬植物模型的視覺逼真度和存在感 ，從而實現(xiàn)真實物體的再現(xiàn) 。植物器官的紋理是決定植物真實感的重要因素 。通過照片中對物體紋理數(shù)字化的提取 ，再結(jié) 第 期北方園藝圖 曲面建模方法建立的郁金香可視化模型 合軟件中的紋理貼片功能 ，可將照片中提取到的紋理信息直接賦予曲面模型 ，達(dá)到真實化的仿真 。由于照片中的器官紋理是在給定視場中提取出來的 ，其自身帶有一定的彎曲弧度 ，當(dāng)進(jìn)行再次映射時 ，會導(dǎo)致紋理的初始投影坐標(biāo)發(fā)生偏差 ，尤其是外層紋理會發(fā)生過度的收縮后膨脹 。因此在采用圖像分割的方法獲取郁金香組織器官的紋理圖像時 ，要通過等圖像處理軟件進(jìn)行自由節(jié)點的調(diào)整 ，使花被片的紋理信息處于平展?fàn)顟B(tài) ，然后再映射到曲面模型上 。郁金香花冠外側(cè)紋理的提取步驟如圖所示 。圖 郁金香花冠紋理提取步驟 利用軟件中的渲染功能 ，采用倫布郎自然光源對仿真植物進(jìn)行照射 ，模擬自然光源下植物的色彩 ，添加紋理和渲染后的郁金香可視化模型效果如圖所示 。圖 經(jīng)過渲染和紋理投影后的單株郁金香模擬效果 討論與結(jié)論計算機(jī)生長發(fā)育模擬技術(shù)給郁金香可視化模擬模型的建立提供了一個新的方向 ，大量曲面建模和圖像信息化提取方法的運用使得可視化模型能夠較容易地被計算機(jī)圖形語言識別并進(jìn)行轉(zhuǎn)錄 ，使植物模型的建立周期更短 ，更為便捷 ，也比傳統(tǒng)的算法模型更加直觀逼真 ，為郁金香不同生產(chǎn)管理措施下的生長仿真提供參考 。該研究對郁金香形態(tài)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了可視化模擬 。首先通過試驗對郁金香的形態(tài)學(xué)規(guī)律進(jìn)行觀察 ，構(gòu)建郁金香生長發(fā)育的，利用郁金北方園藝月 （上 ）香器官的拓?fù)浞植冀Y(jié)構(gòu)確定各個器官的位置關(guān)系和連接方式 ，結(jié)合試驗測量的形態(tài)學(xué)數(shù)據(jù)得到初級拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)模型 。該方法具有一定的通用性 ，可推廣到其它花卉植物中 。其次 ，利用三次曲面的構(gòu)建原理方法構(gòu)建了郁金香的單葉片和單花被曲面模型 。再次 ，利用曲線建立了郁金香莖的仿真模型 ，取得了較好的可視化模擬效果 。最后 ，通過對照片影像加工 ，提取得到了郁金香主要器官的紋理 ，并通過自然光渲染方法模擬出日光照射下單株郁金香和郁金香群體的視覺影像 ，并給出了可視化模型的最終效果圖 。在未來的研究方向應(yīng)該將郁金香各個器官更細(xì)致化的描述 。該模型若加入對郁金香形態(tài)變化和生長規(guī)律的控制 ，就能夠在生育進(jìn)程角度上更為逼真地對郁金香進(jìn)行模擬 ，從而可實現(xiàn)從氣候條件 、種內(nèi) 種間競爭 、人為管理甚至基因表達(dá)等多種因素綜合分析植物的生長進(jìn)程 ，使郁金香的生長發(fā)育研究進(jìn)入到更深的層次中 。（該文作者還有李奕卓 、彭明喜 ，工作單位同第一作者 。）參考文獻(xiàn)， ，（）： ， ， ， ，（）： ，（）：陸汝鈴 廣義 系統(tǒng) 中國科學(xué) （技術(shù)科學(xué) ），（）：李慶忠 ，韓金姝 一種 系統(tǒng)與 相互融合的植物模擬方法 工程圖學(xué)學(xué)報 ，（）：袁曉敏 ，溫維亮 ，郭新宇 ，等 園藝植物可視化研究進(jìn)展 中國農(nóng)業(yè)科技導(dǎo)報 ，（）：劉振興 基于結(jié)構(gòu)功能和 系統(tǒng)的植物仿真建模 天津 ：天津工業(yè)大學(xué) ，王菁 虛擬花卉形態(tài)建模方法研究 北京 ：北京工業(yè)大學(xué) ，國紅 ，雷相東 ，刁軍 林木結(jié)構(gòu)功能模型研究綜述 世界林業(yè)研究 ，（）：林形省基于 系統(tǒng)的虛擬植物生長算法研究及軟件實現(xiàn)杭州：浙江大學(xué) ，高思聰 ，陳剛 ，付忠良 ，等龍眼幼苗的虛擬植物生長發(fā)育模擬模型 計算機(jī)應(yīng)用 ，（）：黃文岳蘆葦生長模型及其可視化研究鎮(zhèn)江：江蘇大學(xué) ，康孟珍植物功能結(jié)構(gòu)模型研究的回顧與展望系統(tǒng)仿真學(xué)報 ，（）：， ： ，（）： ， ， ， ： ， ，（）： ， ， ， ， ， ， ， （ ， ， ； ， ， ； ， ，）： ， ， ， ， ， ：；（ ）； ； 第 期北方園藝