虚拟植物是以计算机仿真技术为基础,融合人工智能、植物学和植物生理学等多学科门类的新兴交叉研究领域,是国家数字农业战略规划的重要组成部分,也是农业信息化的核心研究内容之一,具有重大的理论意义与实用价值。目前的研究在实际应用过程中存在一些不足,如功能和结构模型系统耦合性差、参数配置复杂,植物生长规律难以自动发现和提取,基于L系统的模型难以适应复杂的器官功能和结构等。针对现有研究工作的不足,本文围绕虚拟植物建模方式及关键技术进行研究。论文工作的主要贡献是提出了以智能虚拟器官为基础的虚拟植物系统模型,通过建立智能虚拟器官生长推理过程来模拟器官的生理功能和生长形变,建立基于生长控制器的推理过程来实现虚拟植物的生长发育。主要研究成果包括:论文通过采集植物生理数据、统计分析和植物生理模糊神经推理等方法自动提取了器官的生长行为规则,获得器官的生理状态参数和生长发育的生理及环境限制条件。采用离散压力流模型和图自动机计算模型实现了智能虚拟器官之间的物质传输与分配。建立了智能虚拟器官的自主化生理过程,实现生理功能。论文分别采用Bézier曲面和三维重构技术来建立器官三维几何模型。采用Wang Tiles算法来合成纹理,以获得逼真的三维渲染图像。分别通过调整几何参数、三维Morphing和生长函数来实现虚拟器官的生长形变。通过集成的推理过程,计算新生器官获得最大光照的最佳生长角度。论文构造了生长控制器控制植物生长发育。建立由智能虚拟器官构成的分枝网络,来存储虚拟植物拓扑结构、几何形态和生理信息,并可直接解析出三维可视化图像。生长控制器判断各个器官所处的虚拟环境状态,调用分枝控制器控制分生组织的生长发育。分枝控制器解析分枝规则,输出分枝指令。分枝规则采用二维层次自动机描述和表示,可以人工观测提取,也可以通过图像处理和统计分析来自动提取。论文在本实验室具有自主知识产权的虚拟植物仿真软件“PlantLab”基础上搭建了仿真平台,以辣椒为仿真对象,研究和模拟其在正常、单向光照、低温、缺水、剪枝等环境条件下的生长发育过程和形态变化,并与实际生长过程的图像和数据进行对比,结果表明本文提出的植物模型能够较为真实、有效地模拟植物的生长发育及形态变化。