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基于虚拟模型的水稻株距优化系统的设计与实现

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作者:
谢涛
导师:
丁维龙
学科专业:
计算机技术专业学位 
文献出处:
浙江工业大学 2016年
关键词:
虚拟水稻论文  叶面积论文  遗传算法论文  株距优化论文  封行论文  

摘要:近年来,随着计算机技术的快速发展,如何更好地将计算机技术运用于传统农业,已成为国内外研究的重要课题。我国是水稻种植的大国,在传统水稻叶面积统计和种植株距优化的过程中,研究人员主要采用人工采集和田间试验的方法,虽然能够获得冠层叶面积、叶面积指数、适宜种植株距等相关参数,但是工作繁琐、耗时长,无法快速有效的获得试验结果。结合计算机技术,通过虚拟水稻去模拟真实水稻的生长形态和生理过程,在计算机中去改变种植条件,可以快速直观地获得测量和优化的结果。由于水稻结构复杂,种类繁多,目前对水稻叶片面积统计和种植株距优化方面的相关研究还比较欠缺。本文基于水稻的结构模型和生理模型,在虚拟环境中完成了对水稻冠层叶面积的计算和种植株距的优化,得到的结果可以为水稻的田间种植提供一定参考,主要工作如下:1.建立虚拟水稻模型。首先通过田间试验获取叶片的形态参数,基于试验获取的叶片数据,构建形态结构与真实叶片相近的叶片模型。其次,根据茎在地面的生长位置、茎的长度、茎的宽度和倾斜角等参数构建水稻的单茎。最后,根据植株各器官的拓扑关系,构建出虚拟水稻形态结构模型。2.提出一种基于虚拟水稻模型的叶面积计算方法。首先,根据水稻叶片的参数信息,确定该水稻叶片在空间中的位置。其次,根据该叶片的轮廓曲线方程和空间位置,求解该叶片在冠层不同高度范围内的叶面积大小。然后,对该虚拟水稻模型所有的叶片进行遍历,求解该水稻模型在冠层不同高度范围内叶片面积的大小。该方法也可以对单株水稻的叶片面积进行统计。3.提出一种基于遗传算法的株距优化方法。首先,基于已有的单株水稻的功能结构模型,建立水稻群体生长的虚拟场景;然后,利用遗传算法,将种植株距和行距作为遗传因子,建立二进制的染色体编码方案,将种植区域内单位面积的光合产量作为适应度函数,实现以轮盘赌选择、精英选择、相异位交叉、竞争为核心的进化过程;最后,在一定优化代数内,获得单位种植面积产量较高的种植方案。4.提出一种基于虚拟水稻模型的封行时间计算方法。首先,根据农学相关理论,结合本文提出的叶面积计算方法对农业上封行的概念进行量化;然后,基于虚拟水稻模型,计算出当前种植株距下植株的封行时间。5.水稻株距优化系统的实现。该系统在Qt Creator5.0开发环境下,采用C++编程语言和OpenGL渲染引擎编程实现,可以对水稻植株进行可视化模拟,并可以完成水稻冠层叶面积的计算和种植株距的优化。本文对虚拟水稻建模、水稻叶片面积统计、种植株距优化以及田间封行时间计算等方面进行了初步研究,并完成了虚拟模型的建立和相关优化算法的实现。本研究为计算机技术与传统农业的结合提供了新的思路,能为水稻冠层结构的优化及水稻种植密度的合理化提供辅助决策依据。

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