挖掘部件是马铃薯收获机械的关键部件之一,挖掘部件的设计直接影响整个机器的性能,而土壤-块茎-根系团聚体与挖掘部件的相互作用规律是设计挖掘部件的基础。为保证马铃薯挖掘部件设计的理论基础更可靠、仿真分析更符合实际情况,建立合理的马铃薯块茎-根系模型十分必要。本文依托国家自然科学基金项目“土壤-马铃薯块茎-根系团聚体动态破裂特性及其与挖掘铲耦合作用机理研究(51505305)”,根据马铃薯块茎-根系生物学特性,确定模型表征参数,并于马铃薯收获期通过田间测量获得;通过模拟根尖生长的方法获取根轴空间坐标从而实现了马铃薯块茎-根系建模;采用MATLAB面向对象编程技术建立了基于表征参数的马铃薯块茎-根系模型可视化模块。主要研究内容如下:(1)表征参数确定及测量。分析模型的拓扑结构和几何结构,确定构建马铃薯块茎-根系模型所需的表征参数;选取早大白、荷兰十五和富金3个品种,每个品种选取50个样本,统计各类根茎的数量,并采用挖掘法测量各类根茎的表征参数,采用机器视觉的方法测量块茎的形状及尺寸。(2)统计分析,建立模型参数库。采用SPSS软件对田间测量得到的参数进行整理分析,找出各表征参数的分布规律:针对具有典型分布特征的参数,建立分布函数;针对没有典型分布特征的参数,根据统计结果建立概率分布函数。最终将所有函数汇总,建立马铃薯块茎-根系模型参数库。(3)模型设计。设计数据结构,包括模型整体数据结构、各类根茎组织结构和单根数据结构;设计根系建模方法,包括开始结点的获取、根结点的获取和根轴节点的模拟;依据各类根茎的形态结构实现马铃薯各类根茎的可视化,采用圆台拼接的方式实现地下茎、种子根、匍匐根和匍匐茎的可视化,采用椭球函数实现块茎及种薯的可视化;设计模型输出参数求取函数,包括根深、块茎分布体积、根体积和根表面积。(4)实例重构与模型检验。基于MATLAB面向对象技术,设计马铃薯块茎-根系模型构建系统,包括各根茎组织结构设计、流程设计和界面设计。完成三个品种马铃薯块茎-根系模型的构建并分别对其种子根、匍匐根和匍匐茎模型的真实性进行检验:各根茎根深模拟值与观测值的1:1关系图成直线状,表现出较好的拟合度;各参数的RMSE值均小于20。以上结果表明本文基于模型表征参数所构建的马铃薯块茎-根系模型具有较好的真实性和可靠性。本文分析了马铃薯块茎-根系模型的结构特性,设计了一种实例重构算法,试验验证结果显示模型真实可靠。该模型可应用于研究挖掘部件与土壤-块茎-根系团聚体相互作用的仿真分析,为马铃薯挖掘铲的设计提供理论依据,同时可为其他块茎类作物根系模型的构建提供参考。