人才强校 李保国教授团队在作物三维建模仿真及其应用方面取得重要进展

 新闻中心     |      2023-07-13

  中国农业大学土地科学与技术学院李保国、郭焱和马韫韬教授团队在作物三维建模仿真及其在数字农业中的应用方面取得多项进展。团队荣获2022年教育部自然科学二等奖。

  该项研究先后得到了国家863、国家自然科学基金、国家重点研发专项、农业部948等的支持。目前在该领域已培养博士研究生20人,硕士研究生50余人。

  科学认识作物三维结构与土壤、大气等环境的交互作用对农业生产的影响,并提出针对性的品种适应及选择对策,是我国农业可持续发展道路中需要重点加以解决的科学问题之一。团队从1994年起,围绕植物生长的三维建模仿真及其与环境的交互作用与作物生产的关系,以“农学机理-计算机仿真-环境适应评价”为主线,科学阐明了作物-环境-管理交互作用的机理,定量揭示了植物三维结构建模在数字农业中的决策应用,系统提出了植物精准结构应对环境变化的适应机制。

  作物根系和冠层(简称根冠)三维结构的精确定量化至关重要。团队创新性地将三维数字化、多视图三维重建等技术应用到大田作物根冠原位测定的研究中,开发了一系列进行大田单株根冠采样的技术规范与自动化的软硬件数据采集与分析系统,能够精准测定作物冠层和主根的三维空间结构,获取详细的根冠拓扑结构和几何形态数据,为目前广泛开展的根冠结构特征筛选与其田间表达的定量关系研究提供有效数据与科学依据。相关结果分别发表在国际顶尖期刊Science Bulletin以及European Journal of Agronomy。

  团队于2005年率先开发了模拟作物冠层内直射、散射辐射三维分布的DSHP模型,实现了玉米、水稻、小麦等三维群体结构与辐射分布的精准定量化,实证了全球变暗背景下由于散射辐射的增加而带来的“散射辐射施肥效应”。DSHP模型作为我国最早对作物群体内直射、散射辐射三维精确定量模拟的重要工作成果,被多个团队作为核心研究基础并被多次引用。相关结果以研究论文形式分别发表在相关领域权威期刊Science China Earth Sciences、Annals of Botany。

  同时,团队综合运用农学、数学和计算机图形学交叉学科知识,基于气候、土壤、图像和点云等多源数据集,以植物参数化建模方法为基础,运用源-库理论,基于拓扑结构与生物量-形态关系,构建不同环境下作物三维生长仿真模型和基于农学生长指标的模型有效性的系统全面验证,从而使模型能够精确地模拟随环境条件改变的植株个体和群体根冠的动态生长过程。并进一步应用于基因型/环境因素对植物生长的影响研究、基于三维生长模型的东北黑土区玉米/大豆间作种植模式、适宜品种筛选和优化配置等的评估。相关结果以研究论文形式分别发表在国际植物学领域权威期刊Journal of Experimental Botany。