随着计算机技术的飞速发展,虚拟作物技术已成为现代农业的重要研究内容。当前,国内外学者在小麦、大麦和玉米等农作物虚拟生长研究方面已取得许多进展,但对园艺作物特别是针对葡萄的虚拟可视化研究较少。葡萄是世界栽植最广的水果,经济效益显著,对葡萄进行生长可视化研究,有利于提高葡萄栽培信息化,深入揭示葡萄生长调控机理以及研究葡萄生长发育规律。本研究以甘肃红地球葡萄为研究对象,在标准栽培技术下,通过两年重复测量该品种葡萄主干、主蔓、结果母枝和新枝等结构参数,定时测量栽培地点温度和风速等气象数据,据实验数据拟合出葡萄果枝、叶片和果粒等植物器官生长模型。采用基于L系统的L-studio平台,重构各器官的几何形态,实现生长模型与器官形态变化相耦合,采用cpfg分形实现拓扑结构连接及变化,最后建立葡萄整株的生长可视化模拟模型,其果枝模型仿真实验表明其能较真实的模拟葡萄枝条实际生长。本文完成的主要研究如下:(1)构建葡萄叶主脉和浆果生长模拟模型实验。基于田间实验数据,以SLogisitc3方程模拟果枝各器官形态变化与生长度日的函数关系,构建果枝叶主脉和浆果生长动态模拟模型,并用RMSE和rRMSE对叶主脉模型进行检验,其中RMSE范围分别为0.50~1.81cm,rRMSE最大值为0.277,小于0.3,拟合效果为中等。由葡萄浆果生长实测数据所绘曲线为慢-快-慢-快-慢的双S型,用三次多项式和SLogistic3模拟浆果横纵径的生长,拟合结果表明三次多项式的决定系数大于SLogistic3方程,RMSE误差为1.84mm和1.92mm,rRMSE值小于0.2,模型精度较高与实测值的吻合度较好。(2)葡萄浆果相对生长率、可溶固形物含量和平均单粒重测试实验。实验测试结果表明兰州露地栽培红地球浆果发育速度以6月为最快,到7月中旬前后浆果生长减缓,7月中下旬至8月下旬,浆果又存在一个快速生长期。9月份,红地球浆果生长基本停止。第一次膨大期为最终大小的60%以上,采摘时甘肃红地球浆果可溶固形物含量可达15.2%。成熟时,浆果单粒重量为8g左右。(3)以L-studio为平台,采用预定义曲面方法构建葡萄果枝器官的几何形态。用双三次Bezier曲面拼接生成圆柱曲面和椭球体,分别模拟节间、叶柄、浆果等器官的几何形态;三次Bezier曲面模拟叶片。使用L系统的拓扑连接方法将其器官连接,生成葡萄果枝静态模型。(4)基于参数L系统的分形功能组合出葡萄果枝各器官形态发育模型。将器官几何模型与器官生长模型相结合,以生长度日为步长实现葡萄果枝拓扑结构改变以及器官增大生长模拟。在建成的果枝动态生长模拟的基础上,初步完成了葡萄整株的生长模拟。(5)采用颜色和材质等渲染处理已建立的果枝几何模型,增强和优化果枝的可视化效果。对所建立的果枝可视化模型进行仿真检验,检验结果表明果枝模型可模拟葡萄果枝的生长。葡萄果枝的可视化仿真是整株动态生长模拟可视化研究的基础。葡萄植株的可视化实现对红地球葡萄的生长发育调控机理研究、数字化品种选育及田间栽培管理信息化等具有重要的意义。