玉米三維可視化具有綜合農(nóng)學(xué)、計算機(jī)科學(xué)、地理信息系統(tǒng)和模擬模型等技術(shù)進(jìn)行多學(xué)科交叉研究的鮮明特色，為玉米生產(chǎn)系統(tǒng)動態(tài)預(yù)測、管理決策、調(diào)控、設(shè)計和分析評價提供了數(shù)字化工具。

　　玉米是我國第二大糧食作物，并且具有較大的增產(chǎn)潛力，所以一直受到研究者的重視。

　　在國家自然科學(xué)基金的持續(xù)資助下，中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)信息研究所研究員郭新宇團(tuán)隊對基于三維可視化模型的玉米冠層結(jié)構(gòu)和生產(chǎn)力、數(shù)字化玉米種植管理系統(tǒng)進(jìn)行了研究，開發(fā)出一套玉米三維形態(tài)計算機(jī)輔助設(shè)計工具。該工具將玉米的三維形態(tài)重建出來，并基于這種形態(tài)進(jìn)行計算，為評價玉米生理或農(nóng)藝性狀提供了科學(xué)依據(jù)。

　　難在量化模擬計算

　　研究表明，玉米進(jìn)行光合作用的主要器官是葉片。玉米干物質(zhì)積累絕大部分來自葉片，光合作用及其生產(chǎn)力的形成受玉米冠層結(jié)構(gòu)的影響。

　　“影響玉米生長的主要因素有地下部的根系結(jié)構(gòu)和地上部的冠層結(jié)構(gòu)。”郭新宇說，“冠層結(jié)構(gòu)包含莖干和由附著在莖稈上不同高度、方位角的葉片組成的網(wǎng)格化結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)直接關(guān)系到光能截獲的問題，同時也會對群體小環(huán)境造成影響。”

　　在一定環(huán)境條件下，玉米光合作用產(chǎn)量取決于葉片吸收的光合有效輻射和葉片的光合特性，而冠層內(nèi)的輻射狀況又表現(xiàn)出空間上的異質(zhì)性和時間上的動態(tài)特性。太陽輻射在玉米冠層中的分布除受太陽輻射變化影響外，還受冠層結(jié)構(gòu)等因素的影響，如株型，葉面積指數(shù)，葉片形狀和大小、方位角分布、散射、吸收和反射、空間分布的異質(zhì)性等特性，以及這些隨玉米品種、生長發(fā)育階段和種植密度的變化的特性，所以研究玉米冠層結(jié)構(gòu)、冠層內(nèi)光分布和光合作用之間的定量化關(guān)系模擬計算是玉米生理生態(tài)學(xué)的一個熱點和難點。

　　該小組成員郭江認(rèn)為，在生產(chǎn)中首先要考慮群體結(jié)構(gòu)，有了合理的群體結(jié)構(gòu)，也就決定了合理的光分布，從而使玉米光能利用率達(dá)到最高。光合作用水平達(dá)到最佳狀況，為玉米獲得高產(chǎn)提供了優(yōu)越的光環(huán)境。因此研究人員對玉米冠層結(jié)構(gòu)的研究大多集中在群體結(jié)構(gòu)的描述和光分布上。

　　隨著數(shù)據(jù)采集手段的不斷提高和計算機(jī)軟硬件的飛速發(fā)展，該團(tuán)隊決定利用計算機(jī)可視化技術(shù)，實現(xiàn)玉米植株個體與群體結(jié)構(gòu)的三維重建，從而可以在任意角度觀察玉米群體，分析其空間結(jié)構(gòu)特征，為農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)研究提供新的手段。

　　重建玉米三維形態(tài)

　　評估農(nóng)作物的潛在產(chǎn)量，首先要看能量轉(zhuǎn)化、物質(zhì)轉(zhuǎn)化和獲取，即考慮光合作用轉(zhuǎn)化為同化產(chǎn)物的情況?？紤]光合作用就要基于形態(tài)、結(jié)構(gòu)進(jìn)行計算。

　　“過去計算時把群體結(jié)構(gòu)簡化成一維結(jié)構(gòu)，比如只用葉面指數(shù)或干物質(zhì)生產(chǎn)量代表群體。”郭新宇說，“但群體在空間分布是有差異的，一部分的分布不能代表群體的情況。”

　　在國家自然科學(xué)基金的資助下，郭新宇團(tuán)隊開展了作物—環(huán)境—技術(shù)關(guān)系的數(shù)字化研究，提出了玉米數(shù)字化種植管理系統(tǒng)的設(shè)計思想和框架。該團(tuán)隊開發(fā)了數(shù)字化玉米種植管理系統(tǒng)，實現(xiàn)了玉米逐日生長模擬、產(chǎn)量與品質(zhì)的動態(tài)預(yù)測、氮肥污染控制、玉米生長模擬模型和玉米管理知識模型的耦合、玉米生長模擬模型的集成應(yīng)用和跨平臺的玉米模擬模型遠(yuǎn)程共享。

　　在此基礎(chǔ)上，他們提出玉米模擬三維動態(tài)可視化的思想，開發(fā)了玉米可視化設(shè)計工具，實現(xiàn)了玉米模擬三維可視化及其網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用。

　　“我們做玉米三維可視化的目的，是將其三維形態(tài)重建出來，并基于這種形態(tài)進(jìn)行計算，為某些生理或某一農(nóng)藝性狀評價提供依據(jù)。”郭新宇說，“從產(chǎn)量形成來看，有光、水、肥、營養(yǎng)等多種相關(guān)因素。我們先考慮一種因素，比如光合作用，以后再整合其他因素，逐步把生理、生態(tài)信息疊加到幾何信息上，這樣就會越來越逼近真實的自然生態(tài)條件。”

　　“我們首先實現(xiàn)地上部分的三維可視化，下一步是做根系、根冠，進(jìn)而從作物生長和產(chǎn)量形成全過程進(jìn)行模擬。最終為農(nóng)學(xué)家和育種學(xué)家進(jìn)行玉米個體、群體的分析評價提供可視化計算平臺，提高玉米的產(chǎn)量和品質(zhì)。”郭新宇說。（鄭見）