作物根系空间划分方法及系统技术方案

本发明专利技术公开一种作物根系空间划分方法及系统，能够描述根系围绕植株生长的圆柱形分布特征。方法包括：S1、对待划分的作物根系进行建模，得到由有序三维折线段组成的根系模型，其中，建模所用的三维坐标系的原点为根系初生位置，Z轴为过根系初生位置且与地面垂直的直线；S2、指定根系划分的范围界定圆柱体与各体素的尺度参数，根据所述范围界定圆柱体与尺度参数将根系生长空间进行体素的划分，其中，所述范围界定圆柱体的轴心线为所述Z轴所在的直线；S3、将所述范围界定圆柱体范围内的各级根在各体素内进行分配，对各体素内的根系参数进行统计计算，并根据计算结果得到所述作物根系在各体素内的量化分布。

Method and system of crop root space division

The invention discloses a method and system for crop root space division, which can describe the cylindrical distribution characteristics of roots around plants. The methods include: S1, modeling the root system of the divided crops and getting the root model composed of ordered three-dimensional line segments, in which the original point of the three-dimensional coordinate system used in the modeling is the primary root position, the Z axis is the straight line over the root and the ground perpendicular to the ground. S2, the range of the division of the fixed root system defines the cylinder and the each The scale parameter of voxel, according to the scope, defines the cylinder and the scale parameters to divide the root growth space into the body element, which defines the axis of the cylinder as the straight line of the Z axis. S3. The root parameters were statistically calculated, and the quantitative distribution of the root system in each voxel was obtained based on the calculated results.

【技术实现步骤摘要】
作物根系空间划分方法及系统
本专利技术涉及作物根系构型
，具体涉及一种作物根系空间划分方法及系统。
技术介绍
作物根系构型是作物形态结构的重要组成部分，但目前对其形态结构的研究远不及地上部分，其主要原因是植物生长于地下，对其开展数据获取与测量分析难度极大。但根系是作物吸收水分和养分的重要来源，其形态研究对于农业的水肥管理至关重要。目前在作物根系空间划分方面，有学者对根系采用体素的方法对空间做划分，其采用立方体体素划分的方法对根系空间进行划分，但该方法以立方体体素为划分单元，难以刻画作物根系围绕植株生长的圆柱分布特征。
技术实现思路
本专利技术的目的在于，提供一种作物根系空间划分方法及系统，能够描述根系围绕植株生长的圆柱形分布特征。为此目的，一方面，本专利技术提出一种作物根系空间划分方法，包括：S1、对待划分的作物根系进行建模，得到由有序三维折线段组成的根系模型，其中，建模所用的三维坐标系的原点为根系初生位置，Z轴为过根系初生位置且与地面垂直的直线；S2、指定根系划分的范围界定圆柱体与各体素的尺度参数，根据所述范围界定圆柱体与尺度参数将根系生长空间进行体素的划分，其中，所述范围界定圆柱体的轴心线为所述Z轴所在的直线；S3、将所述范围界定圆柱体范围内的各级根在各体素内进行分配，对各体素内的根系参数进行统计计算，并根据计算结果得到所述作物根系在各体素内的量化分布。另一方面，本专利技术提出一种作物根系空间划分系统，包括：建模单元，用于对待划分的作物根系进行建模，得到由有序三维折线段组成的根系模型，其中，建模所用的三维坐标系的原点为根系初生位置，Z轴为过根系初生位置且与地面垂直的直线；划分单元，用于指定根系划分的范围界定圆柱体与各体素的尺度参数，根据所述范围界定圆柱体与尺度参数将根系生长空间进行体素的划分，其中，所述范围界定圆柱体的轴心线为所述Z轴所在的直线；计算单元，用于将所述范围界定圆柱体范围内的各级根在各体素内进行分配，对各体素内的根系参数进行统计计算，并根据计算结果得到所述作物根系在各体素内的量化分布。本专利技术实施例所述的作物根系空间划分方法及系统，基于实测作物根系三维数字化数据，对范围界定圆柱体范围内的根系进行空间体素划分，并计算各体素单元内的根系参数，根据根系参数得到作物根系在各体素内的量化分布，因而能够描述根系围绕植株生长的圆柱形分布特征，从而能够指导作物栽培过程中的浇水和施肥管理。附图说明图1为本专利技术作物根系空间划分方法一实施例的流程示意图；图2为对玉米根系生长空间进行体素划分后的示意图；图3为玉米节根在一个体素内的分布示意图；图4为玉米节根在另一个体素内的分布示意图；图5为本专利技术作物根系空间划分系统一实施例的结构示意图。具体实施方式为使本专利技术实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚地描述，显然，所描述的实施例是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。如图1所示，本实施例公开一种作物根系空间划分方法，包括：S1、对待划分的作物根系进行建模，得到由有序三维折线段组成的根系模型，其中，建模所用的三维坐标系的原点为根系初生位置，Z轴为过根系初生位置且与地面垂直的直线；S2、指定根系划分的范围界定圆柱体与各体素的尺度参数，根据所述范围界定圆柱体与尺度参数将根系生长空间进行体素的划分，其中，所述范围界定圆柱体的轴心线为所述Z轴所在的直线；S3、将所述范围界定圆柱体范围内的各级根(包括节根和侧根)在各体素内进行分配，对各体素内的根系参数进行统计计算，并根据计算结果得到所述作物根系在各体素内的量化分布。本专利技术实施例所述的作物根系空间划分方法，基于实测作物根系三维数字化数据，对范围界定圆柱体范围内的根系进行空间体素划分，并计算各体素单元内的根系参数，根据根系参数得到作物根系在各体素内的量化分布，因而能够描述根系围绕植株生长的圆柱形分布特征，从而能够指导作物栽培过程中的浇水和施肥管理。可选地，在本专利技术作物根系空间划分方法的另一实施例中，所述指定根系划分的范围界定圆柱体与各体素的尺度参数，包括：指定所述范围界定圆柱体的起始高度值、圆柱体高度和圆柱体半径；确定将所述范围界定圆柱体分别在高度、半径和角度方向划分成体素的划分个数参数。本专利技术作物根系空间分布划分方法可以包括五部分：(1)对作物根系骨架结构进行三维表示；作物根系为多层、多级结构，次级根系生长于上一级根上，且为线形结构，将作物根系的每个单根作为一个结构单元，并以有序三维折线段表示各结构单元。(2)指定根系划分的范围界定圆柱体与各体素的尺度参数，根据范围与体素尺度参数将根系生长空间进行体素的划分；指定根系生长空间范围界定圆柱体的3个参数：圆柱体起始高度值H0，圆柱体高度H，圆柱体半径R，其中，以过根系初生位置与地面垂直的直线为圆柱体的轴心线。确定范围圆柱体后，根据实际研究需求，确定将圆柱体分别在高度、半径和角度方向划分成体素的划分个数参数：Nh、Nr和Na，则三个方向的划分步长分别为圆柱体被划分成N＝Nh×Nr×Na个体素，各体素为扇形体，高度相同但所占体积不同，各体素在圆柱体空间内有唯一的坐标索引。(3)将范围界定圆柱体范围外的根系切除；由于计算目标范围可能仅为根系生长空间的一部分，因此，目标范围外的根系不加入到根系空间划分计算中来，需提前剔除。目标范围外根系切除有可能包含(1)单根起始部分在目标范围外(2)单根末端部分在目标范围外和(3)中间部分在目标范围外三种情况。通过遍历当前单根各折线段检测并更新单根的组成对各单根进行切除。切除是计算单根与划分边界的交点，交点作为端点加入到该单根的折线段中，而划分范围外的点则被删除。(4)将范围界定圆柱体范围内的各级根在各体素内进行分配；(5)对各体素内的根系参数进行统计计算，并得到各体素内的量化参数。可选地，在本专利技术作物根系空间划分方法的另一实施例中，所述将所述范围界定圆柱体范围内的各级根在各体素内进行分配，包括：S31、对于每一条单根A＝{P0,P1,…,Pm-1,Pm}，计算该单根A＝{P0,P1,…,Pm-1,Pm}中每个端点Pi对应的圆柱坐标(hi,ri,θi)，其中，Pi-1Pi为组成该单根的第i条折线段，i∈(1,2,…,m)，hi为所述范围界定圆柱体高度方向上的坐标，ri为所述范围界定圆柱体半径方向上的坐标，θi为角度方向上的坐标；S33、确定该单根的各个折线段的相应Nrefine等分点，并根据所述Nrefine等分点更新该单根，计算所述Nrefine等分点对应的圆柱坐标；S35、对于该单根的每一条折线段PjPj+1，根据该折线段PjPj+1对应的体素索引距离将该折线段PjPj+1在各体素内进行分配。可选地，在本专利技术作物根系空间划分方法的另一实施例中，所述根据该折线段PjPj+1对应的体素索引距离将该折线段PjPj+1在各体素内进行分配，包括：判断所述体素索引距离是否为0；若为0，则将该折线段PjPj+1分配到所述体素Vj中，或者若不为0，则判断所述体素索引距离是否大于0；若大于0，则判断该折线段PjPj+1是否与所述轴心线相交，若本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种作物根系空间划分方法，其特征在于，包括：S1、对待划分的作物根系进行建模，得到由有序三维折线段组成的根系模型，其中，建模所用的三维坐标系的原点为根系初生位置，Z轴为过根系初生位置且与地面垂直的直线；S2、指定根系划分的范围界定圆柱体与各体素的尺度参数，根据所述范围界定圆柱体与尺度参数将根系生长空间进行体素的划分，其中，所述范围界定圆柱体的轴心线为所述Z轴所在的直线；S3、将所述范围界定圆柱体范围内的各级根在各体素内进行分配，对各体素内的根系参数进行统计计算，并根据计算结果得到所述作物根系在各体素内的量化分布；所述将所述范围界定圆柱体范围内的各级根在各体素内进行分配，包括：S31、对于每一条单根A＝{P0,P1,…,Pm‑1,Pm}，计算该单根中每个端点Pi对应的圆柱坐标(hi,ri,θi)，其中，Pi‑1Pi为组成该单根的第i条折线段，i∈(1,2,…,m)，hi为所述范围界定圆柱体高度方向上的坐标，ri为所述范围界定圆柱体半径方向上的坐标，θi为角度方向上的坐标；S32、对于每一条折线段Pi‑1Pi，计算该折线段Pi‑1Pi的分割数Nrefine，计算公式为

【技术特征摘要】
1.一种作物根系空间划分方法，其特征在于，包括：S1、对待划分的作物根系进行建模，得到由有序三维折线段组成的根系模型，其中，建模所用的三维坐标系的原点为根系初生位置，Z轴为过根系初生位置且与地面垂直的直线；S2、指定根系划分的范围界定圆柱体与各体素的尺度参数，根据所述范围界定圆柱体与尺度参数将根系生长空间进行体素的划分，其中，所述范围界定圆柱体的轴心线为所述Z轴所在的直线；S3、将所述范围界定圆柱体范围内的各级根在各体素内进行分配，对各体素内的根系参数进行统计计算，并根据计算结果得到所述作物根系在各体素内的量化分布；所述将所述范围界定圆柱体范围内的各级根在各体素内进行分配，包括：S31、对于每一条单根A＝{P0,P1,…,Pm-1,Pm}，计算该单根中每个端点Pi对应的圆柱坐标(hi,ri,θi)，其中，Pi-1Pi为组成该单根的第i条折线段，i∈(1,2,…,m)，hi为所述范围界定圆柱体高度方向上的坐标，ri为所述范围界定圆柱体半径方向上的坐标，θi为角度方向上的坐标；S32、对于每一条折线段Pi-1Pi，计算该折线段Pi-1Pi的分割数Nrefine，计算公式为其中，为下取整函数，H为所述圆柱体高度，Nh为所述高度方向的划分个数参数，R为所述圆柱体半径，Nr为所述半径方向的划分个数参数，Na为所述角度方向的划分个数参数；S33、确定该单根的各个折线段的相应Nrefine等分点，并根据所述Nrefine等分点更新该单根，计算所述Nrefine等分点对应的圆柱坐标；S34、对于该单根的每一条折线段PjPj+1，根据点Pj对应的圆柱坐标查找点Pj所在的体素Vj，根据点Pj+1对应的圆柱坐标查找点Pj+1所在的体素Vj+1，并计算体素索引距离计算公式为其中，Hje为体素Vj在所述范围界定圆柱体高度方向的坐标索引，Hjs为体素Vj+1在所述范围界定圆柱体高度方向的坐标索引，Rje为体素Vj在所述范围界定圆柱体半径方向的坐标索引，Rjs为体素Vj+1在所述范围界定圆柱体半径方向的坐标索引，Aje为体素Vj在角度方向的坐标索引，Ajs为体素Vj+1在角度方向的坐标索引；S35、对于该单根的每一条折线段PjPj+1，根据该折线段PjPj+1对应的体素索引距离将该折线段PjPj+1在各体素内进行分配。2.根据权利要求1所述的作物根系空间划分方法，其特征在于，所述指定根系划分的范围界定圆柱体与各体素的尺度参数，包括：指定所述范围界定圆柱体的起始高度值、圆柱体高度和圆柱体半径；确定将所述范围界定圆柱体分别在高度、半径和角度方向划分成体素的划分个数参数。3.根据权利要求1所述的作物根系空间划分方法，其特征在于，所述根据该折线段PjPj+1对应的体素索引距离将该折线段PjPj+1在各体素内进行分配，包括：判断所述体素索引距离是否为0；若为0，则将该折线段PjPj+1分配到所述体素Vj中，或者若不为0，则判断所述体素索引距离dVj是否大于0；若大于0，则判断该折线段PjPj+1是否与所述轴心线相交，若相交，则确定出交点Pt，将线段PjPt分配到所述体素Vj中，将线段PtPj+1分配到所述体素Vj+1中，或者若不相交，则判断所述体素索引距离是否为1；若为1，则判断所述|Hje-Hjs|、|Rje-Rjs|和中是否一项为1，其它两项为0，若所述|Hje-Hjs|、|Rje-Rjs|和中一项为1，其它两项为0，则确定出该折线段PjPj+1与所述体素Vj和Vj+1相交面的交点Pm，将线段PjPm分配到所述体素Vj中，将线段PmPj+1分配到所述体素Vj+1中，或者若所述体素索引距离不为1，则判断所述体素索引距离是否为2；若为2，则判断所述|Hje-Hjs|、|Rje-Rjs|和中是否一项为0，其它两项为1，若所述|Hje-Hjs|、|Rje-Rjs|和中一项为0，其它两项为1，则确定出该折线段PjPj+1与所述体素Vj的交点Pm1和该折线段PjPj+1与所述体素Vj+1的交点Pm2，将线段PjP...

【专利技术属性】
技术研发人员：温维亮，郭新宇，王勇健，潘晓迪，廖维华，
申请(专利权)人：北京农业信息技术研究中心，
类型：发明
国别省市：北京,11