一种水生植物根系立体几何构型的构建方法技术

本发明专利技术公开了一种水生植物根系立体几何构型的构建方法，包括如下步骤：1)通过扫描仪获取高分辨率水生植物根系图像；2)对根系图像进行处理，得出根系一级侧根个数、一级侧根长度、二级侧根个数、二级侧根长度、二级侧根直径、顶端不分枝区域长度、末端不分枝区域长度、分支间距、分支数目、主根与根毛夹角和/或初始生长速度的结构数据；3)建立根系的几何构型。本发明专利技术实现了水生植物根系构型可视化，可以较为较真实地模拟水生植物根系的生长过程，为研究分析根系周围营养元素对水生植物根系生长发育的可塑性影响等提供了一种简单直观的工具，为水生植物保护、管理和生态修复等提供了科学依据。科学依据。科学依据。

【技术实现步骤摘要】
一种水生植物根系立体几何构型的构建方法


[0001]本专利技术属于植物仿真
，具体涉及一种水生植物根系立体几何构型的构建方法。

技术介绍

[0002]植物根系的演变是使植物从水生环境迁移到陆生环境的基础，并最终导致叶片合成糖类，根系供应资源(主要是水分和营养)之间功能上的分割。作为植物三大营养器官之一，根系在生物圈物质循环和能量流动中起到关键性作用。根系构型在植物资源利用中起到重要作用。
[0003]植物根系构型是指根系在生长介质中的形状和分布，包括同一根系的各种根在介质中沿根轴二维平面上的分布(平面几何构型)和不同类型的根系在介质中的三维空间分布，这两种构型都可以通过根系拓扑指数表现出来。近几十年对植物根系构型研究方法可分为两大类：
[0004]第一类方法是通过扫描或微根管法(Minirhizotron)获取植物真实根系构型，之后通过软件(WinRhizo、SimRoot)等分析根系形态和拓扑指标。这类方法获取数据较为真实，可获取根系连续生长数据，通过对根系二维构型建模可以反映根系三维立体几何构型。然而通过挖掘的方法获取植物根系工作量大，对于森林乔木根系只能通过局部挖掘来反映根系情况。通过植物根系二维构型来构建根系三维构型不可避免地会导致根系部分信息缺失。此外这种根系模型也较难适用于已经完成生长的根系。
[0005]第二类方法是通过构建植物形态和结构的模型对植物的形态结构进行量化研究，总结出植物生长的规律，根据植物生长情况对植物根系构型模型进行修正上，再用适当的方式对植物的形态结构进行量化表达，可以简化根系模型，减少计算量。第二类方法以近几十年发展出通过计算机模拟重现植物根系发育过程的L系统为代表，可以较好模拟植物生长状况。L系统由Aristid Lindenmayer于1968年提出并以他的名字首字母命名，之后被Przemyslaw Prusinkiewicz等人发展用于植物和植物器官的生长模拟。这一类方法对陆生植物根系构型的假设都建立在植物结构具有对称性(symmetry)和自相似性(self
‑
similarity)两大前提条件上，也就是植物组织结构的几何形状在局部和整体上具有相似性假设上，应该说从这两个假设出发建立的根系构型模型能较好地符合实际情况，在植物叶镶嵌、茎分枝和花序的模拟结果较好。通过植物局部根系模拟整体根系特征，动态地对水稻等植物根系在多种营养条件下进行三维空间模型构建，可以较好地表征根系拓扑结构。然而目前有研究发现一种水生植物凤眼莲(Eichhornia crassipes)的根系能较好地满足对称性假设，却并不满足自相似性假设。凤眼莲局部根系与整体根系在结构上并不一致，其整体根系为由多条鱼骨状构型根系构成一种特殊的叉状分支构型，称作“辐射状聚合构型”。在另外一种水生植物大薸(Pistia stratiotes)中也发现类似的情况。因此在水生植物中建立根系模型，要慎重考虑根系特殊性，根据情况探讨自相似性在水生植物中的适用性。
[0006]目前植物根系的研究方法中，常用的微根管法能够非接触地获取根系结构信息，针对小麦、水稻和大豆作物已经进行了大量研究。然而微根管法只适用于陆生植物，水生植物根系埋藏于饱含水分的底质中，无法通过微根管法实时传输数据研究，因此之前对于水生植物根系研究更多地聚焦于对根系形态特征和功能性状，对根系结构关注相对较少，更缺乏通过测量根系生长指标建立动态生长模型的报道。

技术实现思路

[0007]本专利技术提供一种水生植物根系立体几何构型的构建方法，实现了水生植物根系构型可视化。
[0008]为解决上述技术问题，本专利技术所采用的技术方案如下：
[0009]一种水生植物根系立体几何构型的构建方法，包括顺序相接的如下步骤：
[0010]步骤(1)：通过扫描仪获取1:1高分辨率(≥600dpi)水生植物根系图像；
[0011]步骤(2)：使用根系测量分析软件对步骤(1)的根系图像进行处理，得出根系一级侧根个数、一级侧根长度、二级侧根个数、二级侧根长度、二级侧根直径、顶端不分枝区域长度、末端不分枝区域长度、分支间距、分支数目、主根与根毛夹角和/或初始生长速度等结构数据；
[0012]步骤(3)：根据步骤(2)得到的根系结构数据，建立根系的几何构型。
[0013]L系统的核心概念是迭代置换(rewriting)，即基于迭代置换规则，又称产生式(production)p在迭代过程中对简单的初始目标部分或全部不断的置换从而表达复杂对象的一种方法。L系统以字符为核心，以字符的产生式规则为置换规则。L系统内部用一个字符串表示系统的状态，称为L字符串。系统的初始状态，即初始L字符串称为公理。产生式p即是L字符串中字符的迭代置换规则。在每个演化周期，L系统应用产生式对系统状态(L字符串)进行修改，形成新的系统状态。因此L系统最后得到的是一个由特定字母组成的字符串，通过给L系统中每一个字母赋予一个特定的图形含义，从而实现L系统图形说明。考虑仅有两个字母a和b构成的系统ab，假定产生式p为a
→
ab和b
→
a，即a被ab置换，b被a置换。根据规则ab第一次被置换为aba，第二次被置换为abaab，第三次被置换为abaababa，第四次被置换为abaababaabaab，第五次被置换为abaababaabaababaababa
……
由于植物根系的生长可以看做是一个连续和重复的过程，因此通过L系统可以较好地模拟植物根系的动态生长过程。
[0014]目前在陆生植物中基于植物根系具有对称性和自相似性假设建立的L系统已经做了较好研究，但目前研究发现一些水生植物如凤眼莲(Eichhornia crassipes)的根系构型并不符合L系统自相似性假设，本申请通过对L系统的改进，构建了不符合L系统自相似性假设的水生植物根系的立体几何构型。
[0015]本申请通过模型构建，可以模拟水生植物从幼苗到成熟个体，从简单根系到复杂根系的动态生长过程。可从根系构型这一角度阐述水生植物对水生生态系统的适应性，也可为水生植物保护、管理和生态修复提供科学依据。
[0016]上述步骤(3)中，根系的几何构型包括根系伸长规则和根系分支规则。
[0017]上述根系伸长规则包括根系长度计算、根伸长规则和初始根系生长方向。
[0018]根系长度计算：当单根系根龄小于等于该单根系根寿命(rlt)时，该单根系会一直伸长，根系长度通过公式(1)计算：
[0019][0020]参数l
max
表示该单根系最大长度，r表示该单根系初始伸长速度，t为该单根系根龄；l(t)表示该单根系在t时间的长度；
[0021]根伸长规则：单根系会朝着一定的方向伸长，根伸长规则通过公式(2)描述：
[0022][0023]符号G代表根生长规则，表示根在当前长度为l，当前时刻为t的条件下，经过生长间隔Δt后的生长变化，参数l表示通过公式(1)计算的t时间的根长；Δt为根本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种水生植物根系立体几何构型的构建方法，其特征在于，包括顺序相接的如下步骤：步骤(1)：通过扫描仪获取1:1分辨率≥600dpi的水生植物根系图像；步骤(2)：使用根系测量分析软件对步骤(1)的根系图像进行处理，得出根系一级侧根个数、一级侧根长度、二级侧根个数、二级侧根长度、二级侧根直径、顶端不分枝区域长度、末端不分枝区域长度、分支间距、分支数目、主根与根毛夹角和/或初始生长速度的结构数据；步骤(3)：根据步骤(2)得到的根系结构数据，建立根系的几何构型。2.根据权利要求1所述的构建方法，其特征在于，步骤(3)中，根系的几何构型包括根系伸长规则和根系分支规则。3.根据权利要求2所述的构建方法，其特征在于，根系伸长规则包括根系长度计算、根伸长规则和初始根系生长方向。4.根据权利要求3所述的构建方法，其特征在于，根系长度计算：当单根系根龄小于等于该单根系根寿命rlt时，该单根系会一直伸长，根系长度通过公式(1)计算：参数l
max
表示该单根系最大长度，r表示该单根系初始伸长速度，t为该单根系根龄；l(t)表示该单根系在t时间的长度；根伸长规则：单根系会朝着一定的方向伸长，根伸长规则通过公式(2)描述：符号G代表根生长规则，表示根在当前长度为l，当前时刻为t的条件下，经过生长间隔Δt后的生长变化，参数l表示通过公式(1)计算的t时间的根长；Δt为根系的生长时间间隔；Δl为经过Δt时间的根长增量；R表示根系生长方向；符号F
Δl
表示长度为Δl的根段，通过公式(2)的重复迭代能够完成根系朝着方向R长度为Δl生长；初始根系生长方向：初始根系生长方向R由主根与侧根的夹角θ和径向角γ确定，其中夹角θ是从对真实植物根系计算得到的均值和标准差的正态分布中随机取值；径向角γ表示侧根围绕主根旋转的角度，从0到2π的均匀分布中随机取值。5.根据权利要求2所述的构建方法，其特征在于，根系分支规则：分枝级数为i的单根系能够产生分枝级数为i+1的侧根，单根系分为三个区域：顶端不分枝区域l
a
、末端不分枝区域l
b
以及分支区域l
n
*N，l
n
为分枝级数为i的单根系分支间距，N表示分枝级数为i的单根系最大分支数目；当单根系长度大...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄晓龙，李松阳，李宽意，
申请(专利权)人：中国科学院南京地理与湖泊研究所，
类型：发明
国别省市：