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百合地下组织的三维可视化模拟 ※ 姜利民，李 鹏，戈振扬 ，于英杰，盛庆伟，易怀锋，李立成 （昆明理工大学现代农业工程学院，昆明 650500） 摘 要：探讨百合地下组织在土壤中的三维空间造型与分布，是研究百合根系水分利用的基础。百合地下组织包括鳞茎和根系。本 文根据百合地下组织的植物学特征，分析了百合茎出纤维状不定根和下盘须根及茎杆的形态特点，提取它们的拓扑结构和形态参数， 建立下盘须根和茎出不定根以及茎杆的生长机模型。该模型包括生长时间、位置、数量、初始生长角度、生长速度等参数的发生和变 化过程：下盘须根从鳞茎盘底部长出，最初有数条须根，每隔一段时间长出新的须根，其上分生侧根；茎出根的生长是在苗出土 15 天左右才开始在茎上的一定范围内随机生长，其上也分生侧根；茎杆可视为一种特殊的根，其初始轴向角为180 度。据此模型，采用 OpenGL 图形库，在Visual C++6.0 环境中编制百合地下组织的三维可视化模拟程序。运行该模拟程序的结果表明，所构建的模型合 理有效，为百合地下组织的定量分析研究提供一种新方法。 关键词：百合地下组织；拓扑结构；生长机模型；可视化 中图分类号： 拟植物根系。基于SimRoot 几何模型，对百合双层根系 0 引 言 形态结构特征进行观测分析，提取拓扑结构，构造百合 百合（Lilium）为百合科、百合属、多年生草本植 根系的生长与可视化模型，并在Visual C++6.0 环境下， 物，别名蒜脑、强瞿、番韭，是一种集食用、药用、观 利用OpenGL 图形库，实现百合地下组织的三维可视化 赏等多用途的高收入经济作物，其地下组织包括双层根 模拟系统，为研究百合鳞茎以及百合植株的可视化生长 系和鳞茎，根系分为肉质根和纤维状根两类，肉质根在 系统奠定基础。 鳞茎盘的底盘下面生出，为须根系，称“底出根”，亦称 “种子根”，俗称“下盘根”。纤维状根又叫不定根，亦 1 百合地下组织的形态及拓扑结构的描述 称“茎出根”，俗称“上盘根”，除具有吸收水分和养分 的功能外，还起着固定和支撑地上茎的作用。并且国内 1.1 百合根系的构成 外对百合地下组织可视化研究的报道很少。因此，对其 [2] 百合由下盘根、纤维根组成双层根系 ，其形态特 地下部分进行研究，通过构建其地下组织的三维显示模 征如图1所示。百合根系的生长特点是：当年生下盘根 型，并利用计算机进行可视化表达，对百合鳞茎的生产 着生在鳞茎盘的下方，粗壮发达，一般无分杈侧根，两 与研究有重要的指导意义。 至多年生，粗度达1.5mm左右，长度可达10cm左右，基 近年来，随着计算机图形学技术的发展，在计算机 根上可萌生许多细长的侧根，根龄一般为3 年。 上以三维可视化的方式对农作物进行分析、研究以及设 纤维根是在茎杆抽生后在出土部位的叶腋处再生出 计其形态结构和生长过程，已经成为当前农业科技领域 的多层轮生不定根系，自下而上分层螺旋式向上出生。 研究的热点之一。国内外学者在地上部分的形态建模和 纤维根纤细、须状、可分杈侧根。茎杆在土中的部位长, 可视化模拟方面做了较多的工作，而地下组织深埋于地 纤维根轮生层次则多，反之则少，一般为 2-7 轮。大部 下，很难直接观察，所以该部分的研究仍是其薄弱环节。 分分布在离地表3-15cm 的表层土壤中，且寿命只有一个 对植物地下部分的生长进行定性观察和定量研究，利用 生