[发明专利]一种基于水稻模型的稻瘟病传播机制模拟方法

权利要求书

1.一种基于水稻模型的稻瘟病传播机制模拟方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

步骤1、单叶片病斑蔓延模拟，过程如下：

首先生成水稻叶片的三维曲面，再将元胞自动机布置在其表面，用于模拟病斑的扩散，每个元胞以8个相邻元胞作为其邻域元胞，通过观察研究所拍摄的水稻感染瘟病的图片，根据病毒感染发生时间的推进，定性地将感染状态元胞设置为5种状态：未感染，轻度感染，中度感染，严重感染，极度感染，并分别以0，1，2，3，4表示，

定义元胞状态的迁移规则如下：

Step1：如果当前元胞未被感染，且其周围有状态为3的邻域元胞，并满足感染概率P0.5，则设该元胞状态为1，否则设为0；

Step2：对于当前状态为1的元胞，下一步其状态设为2；

Step3：对于当前状态为2的元胞，在环境因素为适宜条件时，适宜条件是指：若温度T处于24-28℃且相对湿度H90％，下一步状态变为3，否则仍然保持状态2；

Step4：对于当前状态为3的元胞，将其下一步状态设置为4；

Step5：对于当前状态为4的元胞，不可再被感染；

模型考虑3种因素：邻域元胞状态N，相对湿度H和温度T，该模型提出每一个邻域元胞对本元胞的感染概率P的计算：

其中，B是一个常量因子，t代表当前的环境温度，h代表当前的环境的相对湿度，T代表最适宜病菌生长的温度，H代表最适宜繁殖的相对湿度，k1,k2分别指对应参数的权重；

步骤2、植株间的病菌传播模型，过程如下：

针对水稻叶瘟病，构建了在外界环境因素对病菌传播的影响下，水稻叶瘟病菌的传播扩散模型，通过查阅相关病害研究和病菌的生物学原理，根据病菌在真实植株间的传播过程，将病菌传播分为以下情况进行研究：2.1)在单个植株内部的病菌传播方法；2.2)相邻接触植株间的病菌扩散机制；2.3)在风的作用下，病菌在植物群体内传播的模型；2.4)重复上述2.2)、2.3)直到达到中止条件，设置的最大迭代次数D；

所述2.1)中，单个植株上的病菌扩散过程：

在不考虑风的情况下，病菌的扩散是一个随着位置进行转移的过程，病菌从所处的位置向周围扩散，先是单一植物内的扩散，然后扩散到相邻接触植株，而单个感染植株内部的病菌扩散由感染植物受到感染的叶片所处位置决定，单株水稻叶片进行编号y，从根部至上依次编号为1,2,…,n，n为此株水稻最大叶片数量，根据被感染叶片所处的位置，随机向上或向下扩散至相邻叶片表面，选取感染概率最大的叶片作为下一次病毒传播的方向，第i'片叶的传播概率计算如下：

Pi′＝f|i′-y|

其中，f为对应参数的权重，y为被感染叶片的编号，i为叶片的编号；

所述2.2)中，邻接触植株的病菌传播机制的过程如下：

2.2.1孢子传播

以水稻植株群体间为例，每一株水稻都与周围的八株水稻共同构成九宫格排列，在模拟孢子的传播过程中，以受到感染植株即产孢寄主的位置作为九宫格的中心，将最相邻接触的4株水稻定义为近接触型水稻，而将在四个顶角的4株水稻定义为远接触水稻，病毒孢子的生存和侵染能力受到环境因素温度和湿度的影响；

产孢寄主植株扩散到近接触型水稻的概率：

P＝w·d

产孢寄主植株扩散到远接触型水稻的概率：

其中，w为扩散概率的权重，d为植株的间距；

2.2.2孢子侵染

孢子侵染能力P计算公式：

P＝a1·|t-T|+a2·|h-H|

其中，a1，a2为对应系数的权重，t为当前环境温度，h为当前环境相对湿度；T，H分别为孢子入侵最适宜的温度和相对湿度；

所述2.3)中，植株间病菌扩散机制：植株间病冬季，稻瘟病菌会通过分生孢子和菌丝体的形式在稻草、稻谷上面附着，在第二年时，产生分生孢子并借助风雨等自然现象传播到水稻植株上，进而萌发并入侵寄主，再向邻近的细胞扩展，形成中心病株，病部形成的分生孢子，借风雨传播进行再侵染；在风雨的影响下，稻瘟病菌的传播具有很强的随机性，稻瘟病菌在稻田最适宜生长区域的繁殖，可以看作稻瘟病菌在稻田内寻找最优繁殖地的过程，稻田的环境因素作为寻优路径的更新因子，采用粒子群优化算法来模拟病菌的扩散机制，流程如下所示：

2.3.1)初始化感染叶片数目、叶片位置，感染程度等级G，风向和大小，环境温度T、环境湿度H；

2.3.2)计算每个感染叶片的适应度值，即感染等级；

2.3.3)将感染叶片位置作为粒子位置信息xi，使用下列公式进行感染扩散更新操作：

vi＝vi+c1·r1·(pbesti-xi)+c2·r2·(gbesti-xi)

xi＝xi+vi

其中，v的范围为[-V，V]，代表现在环境的风速，c1、c2为常数，调节受环境影响的扩散能力；r1、r2为两个随机数，取值范围[0，1]，用于提高病菌扩散的随机性。