[发明专利]一种玉米株型优化方法及系统

权利要求书

1.一种玉米株型优化方法，其特征在于，所述方法包括：

根据玉米参数组，建立初始状态的玉米群体网格模型，并进行玉米群体的光截获能力计算；

所述光截获能力为当前玉米群体在当前光环境下的所截获的光合有效辐射的总量；

分别多次调整所述玉米参数组中的各参数，并根据每次调整后的玉米参数组，生成对应玉米群体网格模型并进行光截获能力计算；

根据各次迭代的结果生成不同的玉米株型、群体及光环境下的玉米光截获能力数据库；

以及，在所述玉米光截获能力数据库中进行参数寻优，得到玉米株型及种植方式的优化结果；

所述玉米参数组包括：玉米的叶片的形态参数、玉米的株型参数、玉米群体参数和光分布计算参数；

所述根据玉米参数组，建立初始状态的玉米群体网格模型，并进行玉米群体的光截获能力计算，包括：

根据玉米的叶片的形态参数、玉米的株型参数、玉米群体的株距和行距参数，依次建立初始状态的叶片骨架模型、叶片网格模型、植株网格模型和玉米群体网格模型，以及，根据玉米群体网格模型进行玉米群体光截获能力计算；

在所述根据每次调整后的玉米参数组，生成对应玉米群体网格模型并进行光截获能力计算之前，包括下列步骤：

步骤001：根据三维扫描仪，获取多组玉米叶片三维点云数据；

步骤002：选取优良育种材料叶片，并根据材料散射和外观特性测量系统测量目标玉米叶片的双向反射/透射分布函数；

步骤003：构建玉米株型参数约束关系；

在步骤003中，所述玉米株型参数约束关系包括不同叶位叶倾角之间的约束关系模型、叶片着生高度约束模型、不同叶位叶长和叶宽约束模型，利用约束模型，通过改变其中一个参数即可实现整株对应株型参数的调整；

其中，利用玉米叶片形态参数作为已知参数，包括叶倾角α和叶长L参数，结合NURBS曲线建模方法，构建所述叶片骨架模型，包括：获取叶片主脉上第i个控制点的坐标P_i(x_i,y_i,0)，0≤i＜m，可按如下方法计算，其中m为控制点的数量：

直立叶形：

弯曲叶形：设叶片弯曲度为β，则叶脉前k个控制点的坐标P_i(x_i,y_i,0)，0≤i＜k，计算方式与直立叶形相同，剩余m-k个控制点的坐标P_i(x_i,y_i,0)，k≤i＜m，按如下方法计算：

其中，所述叶片网格模型的建立包括：获取玉米叶片三维点云数据，通过点云去噪、点云重采样、网格生成和网格优化生成所述叶片网格模型；并结合骨架驱动的作物叶片曲面变形方法，以叶脉曲线为主变形控制骨架，叶宽为调控参数，首先生成叶片的主脉骨架，另设置若干条垂直于主脉骨架的横向骨架，主脉骨架和横向骨架共同构成单张叶片的骨架模型；

然后，驱动骨架模型发生变形，并根据变形后的叶片骨架模型将变形操作应用到叶片曲面上，最终实现对所述叶片网格模型中叶片的曲面变形；

其中，所述植株网格模型的构建包括：利用株高、叶片数、植株方位平面角、叶片着生高度、叶方位角、穗位高参数，结合玉米参数化几何建模方法，生成玉米单株骨架几何模型；加载所述叶片网格模型，实现所述植株网格模型的构建；

其中，基于所述植株网格模型，通过设置玉米群体的株距和行距参数，并指定群体种植朝向，生成所述玉米群体网格模型；所述分别多次调整所述玉米参数组中的各参数，并根据每次调整后的玉米参数组，生成对应玉米群体网格模型并进行光截获能力计算，包括：

分别多次调整玉米的叶片的形态参数、玉米的株型参数、玉米群体参数和光分布计算参数；

以及，根据每次调整后的玉米的叶片的形态参数、玉米的株型参数、玉米群体参数和光分布计算参数，对所述叶片骨架模型、叶片网格模型、植株网格模型和玉米群体网格模型的构建过程，以及，玉米群体光截获能力计算的过程进行迭代，完成玉米群体交互设计和所生成群体的光截获能力计算；

所述在所述玉米光截获能力数据库中进行参数寻优，得到玉米株型及种植方式的优化结果，包括：

在所述玉米光截获能力数据库中确定多个叶片形态参数、株型参数和群体参数，并查找修改后使得光截获能力最大的参数，确定最优的株型或群体参数，完成对目标玉米株型及种植方式的优化。

2.一种玉米株型优化系统，其特征在于，所述系统包括：

初始状态模型建立模块，用于根据玉米参数组，建立初始状态的玉米群体网格模型，并进行玉米群体的光截获能力计算；

所述光截获能力为当前玉米群体在当前光环境下的所截获的光合有效辐射的总量；

模型迭代模块，用于分别多次调整所述玉米参数组中的各参数，并根据每次调整后的玉米参数组，生成对应玉米群体网格模型并进行光截获能力计算；

玉米光截获能力数据库生成模块，用于根据各次迭代的结果生成不同的玉米株型、群体及光环境下的玉米光截获能力数据库；

玉米株型优化模块，用于在所述玉米光截获能力数据库中进行参数寻优，得到玉米株型及种植方式的优化结果；

所述玉米参数组包括：玉米的叶片的形态参数、玉米的株型参数、玉米群体参数和光分布计算参数；

所述初始状态模型建立模块包括：

初始状态模型建立单元，用于根据玉米的叶片的形态参数、玉米的株型参数、玉米群体的株距和行距参数，依次建立初始状态的叶片骨架模型、叶片网格模型、植株网格模型和玉米群体网格模型，以及，根据玉米群体网格模型进行玉米群体光截获能力计算；

在所述根据每次调整后的玉米参数组，生成对应玉米群体网格模型并进行光截获能力计算之前，包括下列步骤：

步骤001：根据三维扫描仪，获取多组玉米叶片三维点云数据；

步骤002：选取优良育种材料叶片，并根据材料散射和外观特性测量系统测量目标玉米叶片的双向反射/透射分布函数；

步骤003：构建玉米株型参数约束关系；

在步骤003中，所述玉米株型参数约束关系包括不同叶位叶倾角之间的约束关系模型、叶片着生高度约束模型、不同叶位叶长和叶宽约束模型，利用约束模型，通过改变其中一个参数即可实现整株对应株型参数的调整；

其中，利用玉米叶片形态参数作为已知参数，包括叶倾角α和叶长L参数，结合NURBS曲线建模方法，构建所述叶片骨架模型，包括：获取叶片主脉上第i个控制点的坐标P_i(x_i,y_i,0)，0≤i＜m，可按如下方法计算，其中m为控制点的数量：

直立叶形：

弯曲叶形：设叶片弯曲度为β，则叶脉前k个控制点的坐标P_i(x_i,y_i,0)，0≤i＜k，计算方式与直立叶形相同，剩余m-k个控制点的坐标P_i(x_i,y_i,0)，k≤i＜m，按如下方法计算：

其中，所述叶片网格模型的建立包括：获取玉米叶片三维点云数据，通过点云去噪、点云重采样、网格生成和网格优化生成所述叶片网格模型；并结合骨架驱动的作物叶片曲面变形方法，以叶脉曲线为主变形控制骨架，叶宽为调控参数，首先生成叶片的主脉骨架，另设置若干条垂直于主脉骨架的横向骨架，主脉骨架和横向骨架共同构成单张叶片的骨架模型；然后，驱动骨架模型发生变形，并根据变形后的叶片骨架模型将变形操作应用到叶片曲面上，最终实现对所述叶片网格模型中叶片的曲面变形；

其中，所述植株网格模型的构建包括：利用株高、叶片数、植株方位平面角、叶片着生高度、叶方位角、穗位高参数，结合玉米参数化几何建模方法，生成玉米单株骨架几何模型；加载所述叶片网格模型，实现所述植株网格模型的构建；

其中，基于所述植株网格模型，通过设置玉米群体的株距和行距参数，并指定群体种植朝向，生成所述玉米群体网格模型；

所述模型迭代模块包括：

参数调整单元，用于分别多次调整玉米的叶片的形态参数、玉米的株型参数、玉米群体参数和光分布计算参数；

玉米群体交互设计单元，用于根据每次调整后的玉米的叶片的形态参数、玉米的株型参数、玉米群体参数和光分布计算参数，对所述叶片骨架模型、叶片网格模型、植株网格模型和玉米群体网格模型的构建过程，以及，玉米群体光截获能力计算的过程进行迭代，完成玉米群体交互设计和所生成群体的光截获能力计算；

所述玉米株型优化模块包括：

玉米株型优化单元，用于在所述玉米光截获能力数据库中确定多个叶片形态参数、株型参数和群体参数，并查找修改后使得光截获能力最大的参数，确定最优的株型或群体参数，完成对目标玉米株型及种植方式的优化。