本发明专利技术适用于植物建模分析技术领域，提供了一种小麦根土复合体建模方法，包括以下步骤：选取小麦品种若干根系，对小麦根系在土壤中的几何形态进行测试分析；得到小麦根系的各项表征参数及其在土壤中的分布参数；根据上述参数对各组成球的颗粒坐标进行求解，采用组成球充填排列的方式得到根系几何模型；对种植试验田的土壤颗粒形状进行分析，得到了土壤颗粒的几何模型；测量及标定根系和土壤的接触力学参数及根系粘接力学参数；将接触模型和力学模型添加至几何模型后，将土壤颗粒完全覆盖小麦根系模型即可。该方法为小麦根土复合体的建模提供了重要的数据支撑，可以应用在小麦收获后耕整地作业以及其他需要小麦根土复合体建模的技术领域。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于植物建模分析，尤其涉及一种小麦根土复合体建模方法。
技术介绍
1、小麦已经成为世界上分布范围最广、种植面积最大的粮食作物。在小麦生产过程中始终存在着小麦植株与农机部件的接触作用。如小麦切割、输送、脱粒和收获后耕整地等过程中，小麦植株的各个部分，如籽粒、茎秆和根茬等都会与农机部件之间产生接触作用。该过程较为复杂，目前大都采用传统的农机部件设计和分析方法。该方法存在设计过程复杂、试验周期长以及制造成本高等问题，难以满足小麦生产过程季节依赖性强的要求。为了减少试验周期抢争农时，亟需提高生产阶段各作业过程的分析效率，因此应该采用更为高效的数值模拟方式代替传统方法对小麦生产各项作业过程进行研究，而离散元法作为一种新型数值模拟方法，能够更好地分析预测小麦生产过程中的力学行为和运动状态、以及小麦植株各部分与农机部件之间相互接触。
2、小麦植株的地上部分如籽粒和茎秆等的建模方法已经较为成熟，但是还缺少小麦植株地下部分的建模方法。这对于研究小麦植株整体建模及小麦收获后耕整地时根系与农机部件的接触作用的仿真十分重要。
技术实现思路
1、本专利技术实施例的目的在于提供一种小麦根土复合体建模方法，旨在解决上述
技术介绍
中提出的问题。
2、本专利技术实施例是这样实现的，一种小麦根土复合体建模方法，包括以下步骤：
3、步骤1、采用组成球颗粒拼接成小麦根系模型；
4、步骤2、选取待建模小麦品种若干根系，对小麦根系在土壤中的几何形态进行测试分析；
5、步骤3、得到小麦根系的各项表征参数及其在土壤中的分布参数；
6、步骤4、根据上述参数对各组成球的颗粒坐标进行求解，采用组成球充填排列的方式得到根系几何模型；
7、步骤5、选取小麦种植试验田内的土壤，对不同粒径的土壤颗粒形状进行分析，得到了土壤颗粒的几何模型；
8、步骤6、测量及标定根系和土壤的接触力学参数及根系粘接力学参数；
9、步骤7、将接触模型和力学模型添加至几何模型后，即可得到基于离散元法的柔性小麦根系模型；
10、步骤8、将土壤颗粒完全覆盖小麦根系模型后得到小麦根土复合体模型。
11、进一步的技术方案，所述组成球颗粒包括各条初生根组成球颗粒、各条次生根组成球颗粒、分蘖节组成球颗粒和有效分蘖组成球颗粒。
12、进一步的技术方案，所述小麦根系的表征参数包括分蘖数量、初生根数量、初生根直径、次生根数量、次生根根长和次生根直径，根系在土壤中的分布参数包括初生根入土角度、初生根入土深度、次生根入土角度和次生根入土深度。
13、进一步的技术方案，所述小麦根系整体呈伞形结构，初生根垂直向下生长，其主要分布在0-12cm的土层内，次生根在土壤中呈现出各条相邻根夹角、根长大致均匀的分布状态，并且以锐角入土，入土深度较浅，其主要分布在0-7cm的土层内，而初生根的入土深度为次生根的1.4到2.2倍。
14、进一步的技术方案，所述根系各项表征参数及其在土壤中的分布参数的标准差均较小，表明其数值差异在所得参数测量范围内的变化也较小，即各项参数的平均值具有一定代表性，因此选择各项参数的平均值作为建模依据。
15、进一步的技术方案，所述小麦根系的表征参数中的分蘖数量、初生根数量和次生根数量均需要在建模前进行圆整操作。
16、进一步的技术方案，表征参数中的初生根和次生根直径均包括首端直径和尾端直径，由于各个品种初生根和次生根的首端直径到尾端直径的变化范围不大，为简化建模过程，将根系首端和尾端定义为同一直径，该直径为测量得到的初生根或次生根首端直径的平均值，同时由于各品种初生根在土壤中均是垂直向下生长，因此在建模过程中将初生根入土角度规定为0°。由于小麦根系相对较细，而且不同品种之间的差异也较小，同时为简化通用模型的建模过程，初生根和次生根的直径分别定义为0.8mm和1.4mm。
17、进一步的技术方案，所述不同品种之间的根系差异在于分蘖数量，而分蘖数量将会对次生根数量产生影响。为探寻根系的次生根数量与分蘖数量之间的相关关系，利用五个品种（新春4、克春10、宁春4、龙麦67和津春）的测量数据，对上述参数进行相关性分析，建立了五个品种的次生根数量与分蘖数量间的函数表达式：
18、。
19、进一步的技术方案，土壤坚实度会对根系生长及其入土情况产生一定影响，假设五个品种的小麦生长过程中均能满足其所需要的光照和水肥的基本要求，不同土壤坚实度会对根系入土角度和深度产生影响，土壤坚实度较大时，次生根入土角度较大，入土深度较小。因此为探寻根系入土角度和深度与土壤坚实度之间的相关关系，利用五个品种的测量数据，对上述参数进行相关性分析，建立了五个品种的根系入土角度和深度与土壤坚实度间的函数表达式：
20、入土角度与土壤坚实度间的函数表达式为：
21、；
22、入土深度与土壤坚实度间的函数表达式为：
23、；
24、而初生根的入土深度根据之前的测量分析情况，规定为计算得到的次生根入土深度的2倍。
25、进一步的技术方案，所述初生根数量与品种和种子有关，在种子小且瘪的情况下初生根数量大都为3条以下，在种子大且饱满的情况下初生根数量为4条以上，根据现有测量参数，无法准确确定其数量，因此根据之前测量得到的五个品种的平均值（4条）作为建模依据。
26、进一步的技术方案，将小麦种植试验田内的土壤颗粒简化为类球形和类棱台形，对于类球形土壤颗粒采用单个球颗粒进行建模，其半径为1mm，对于类棱台形土壤颗粒采用组合球方法进行建模，每个组合球半径为0.72mm，其三轴尺寸分别为2mm，1.93mm和1.93mm。
27、进一步的技术方案，根系和土壤接触力学参数包括静摩擦系数、滚动摩擦系数、碰撞恢复系数、恒定拉力、表面能、接触塑性比、加载分支曲线指数、黏附曲线分支指数和切向刚度因子。
28、进一步的技术方案，根系粘接力学参数包括粘接刚度参数和粘接强度参数。
29、本专利技术实施例提供的一种小麦根土复合体建模方法，其有益效果如下：
30、（1）该方法基于我国西北麦区、东北麦区和黄淮海麦区的代表性品种，主要包括新春4、克春10、宁春4、龙麦67以及津春6这五个品种小麦根系各项参数分析的基础上得到的，因此具有一定的通用性，适用于各品种的小麦根土复合体的建模；
31、（2）各条根系的颗粒间采用的力学模型为粘接模型，可更加真实地模拟根系发生弯曲变形和断裂的现象，且该方法的土壤和土壤间以及根系和土壤间采用的力学模型为edinburgh elasto-plastic adhesion model（eepa），该模型能较好地模拟出土壤和土壤以及根系和土壤间的黏附作用，符合实际情况；
32、（3）该方法在大量测试分析的基础上，提出了次生根数量和分蘖数量、次生根入土角度以及入土深度与土壤坚实度间的相关关系本文档来自技高网
...
【技术保护点】
1.一种小麦根土复合体建模方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的小麦根土复合体建模方法，其特征在于，所述组成球颗粒包括各条初生根组成球颗粒、各条次生根组成球颗粒、分蘖节组成球颗粒和有效分蘖组成球颗粒。
3.根据权利要求1所述的小麦根土复合体建模方法，其特征在于，所述小麦根系的表征参数包括分蘖数量、初生根数量、初生根直径、次生根数量、次生根根长和次生根直径；
4.根据权利要求1所述的小麦根土复合体建模方法，其特征在于，所述小麦根系整体呈伞形结构，初生根垂直向下生长，分布在0-12cm的土层内，次生根在土壤中呈现出伞状均匀的分布状态，并且以锐角入土，分布在0-7cm的土层内，且初生根的入土深度为次生根的1.4到2.2倍。
5.根据权利要求1所述的小麦根土复合体建模方法，其特征在于，选择小麦根系的各项表征参数的平均值作为建模依据。
6.根据权利要求5所述的小麦根土复合体建模方法，其特征在于，所述小麦根系的表征参数中的分蘖数量、初生根数量和次生根数量均需要在建模前进行圆整操作。
7.根据权利要求1所述的小麦根土复合体建模方法，其特征在于，初生根和次生根的直径分别定义为0.8mm和1.4mm。
8.根据权利要求4所述的小麦根土复合体建模方法，其特征在于，利用新春4、克春10、宁春4、龙麦67和津春这五个品种的测量数据，建立了五个品种的次生根数量与分蘖数量间的函数表达式：
9.根据权利要求8所述的小麦根土复合体建模方法，其特征在于，土壤坚实度会对根系生长及其入土情况产生影响，利用上述五个品种的测量数据，建立了五个品种的根系入土角度和深度与土壤坚实度间的函数表达式：
10.根据权利要求1所述的小麦根土复合体建模方法，其特征在于，将小麦种植试验田内的土壤颗粒简化为类球形和类棱台形，对于类球形土壤颗粒采用单个球颗粒进行建模，其半径为1mm，对于类棱台形土壤颗粒采用组合球方法进行建模，每个组合球半径为0.72mm，其三轴尺寸分别为2mm、1.93mm和1.93mm。
11.根据权利要求10所述的小麦根土复合体建模方法，其特征在于，所述根系和土壤接触力学参数包括静摩擦系数、滚动摩擦系数、碰撞恢复系数、恒定拉力、表面能、接触塑性比、加载分支曲线指数、黏附曲线分支指数和切向刚度因子。
...
【技术特征摘要】
1.一种小麦根土复合体建模方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的小麦根土复合体建模方法，其特征在于，所述组成球颗粒包括各条初生根组成球颗粒、各条次生根组成球颗粒、分蘖节组成球颗粒和有效分蘖组成球颗粒。
3.根据权利要求1所述的小麦根土复合体建模方法，其特征在于，所述小麦根系的表征参数包括分蘖数量、初生根数量、初生根直径、次生根数量、次生根根长和次生根直径；
4.根据权利要求1所述的小麦根土复合体建模方法，其特征在于，所述小麦根系整体呈伞形结构，初生根垂直向下生长，分布在0-12cm的土层内，次生根在土壤中呈现出伞状均匀的分布状态，并且以锐角入土，分布在0-7cm的土层内，且初生根的入土深度为次生根的1.4到2.2倍。
5.根据权利要求1所述的小麦根土复合体建模方法，其特征在于，选择小麦根系的各项表征参数的平均值作为建模依据。
6.根据权利要求5所述的小麦根土复合体建模方法，其特征在于，所述小麦根系的表征参数中的分蘖数量、初生根数量和次生根数量均需要在建模前进行圆整操作。
7.根据权利要求1所述的小麦根土复合体建...
【专利技术属性】
技术研发人员：赵瑾汶，于建群，于亚军，梁留锁，王扬，孙凯，孙永昌，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：发明
国别省市：
还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。