虚拟根系是在计算机上以可视化的方式模拟根系在三维空间中的形态结构变化规律及其生长发育过程,是虚拟作物研究中的重要组成部分,在农学、生态学、虚拟教学以及提高虚拟作物生长研究整体水平具有十分重要的现实意义和广泛的应用前景。本研究旨在作物学、应用数学、计算机图形学、虚拟现实等众多学科的理论和技术的基础上,以水稻根系为研究对象,在借鉴国内外对作物根系模拟的研究方法,基于水稻根系生长的生理生态过程,构建了水稻根系形态模型；然后,基于计算机可视化技术,研究水稻根系几何模型、真实感绘制、根系间碰撞检测与响应等关键技术；最后,基于面向对象的程序设计与软构件技术,建立了基于模型的水稻根系可视化生长系统,实现了根系的逼真形象显示。研究结果将为进一步从整体上研究水稻植株的生长可视化奠定基础。将系统分析方法和几何建模技术应用于水稻根系的形态建模,通过分析水稻根尖生长随生育进程的变化模式,构建基于形态参数的水稻根系模型,进一步结合水稻根系拓扑结构,以生长度日(GDD)为驱动因子,建立水稻根系形态动态模型,包括不定根初始发生时间和位置、不定根初始伸展角度、不定根的伸长速率、不定根的空间分布等模型算法；将主茎总叶片数、主茎伸长节间数、初始生长坐标、初始生长向量、根数、根长、根最大横截面半径等设为模型的主要控制参数,能较好地描述水稻根系生长的动态变化过程,参数的生物学意义明确,且容易与水稻其它形态模型相耦合,为实现水稻根系的虚拟生长奠定了基础。针对水稻根系几何建模描述,选取点、线段和圆柱等基本图元实现了水稻根系的三维图形绘制。进一步利用计算机图形学的真实感图形显示技术,如光照处理、颜色渲染、纹理映射等对生成的水稻根系几何模型进行渲染处理,实现了具有较强真实感的水稻根系三维图形显示,并初步研究了根系间的碰撞检测及响应机制。最后,通过模型主要控制参数的确定,提出了水稻根系动态生长信息存贮的数据结构以及根系的绘制机理,为实现水稻根系生长的可视化提供了关键技术支撑。最后,本研究利用Visual C++编程语言结合OpenGL图形平台,采用Access 2000设计和管理数据库结构,在气象因子、品种参数和栽培措施等数据的支持下,通过耦合水稻根系形态几何模型和可视化模型,构建了基于模型的水稻根系可视化生长系统。该系统从单根和根系两个层次上初步实现了不同类型品种、水分和氮素条件下水稻根系形态生长的动态模拟和逼真显示。研究结果将有助于从整体上研究综合性的数字水稻生长系统,并促进虚拟农业技术的发展。