构建不同树形葡萄树体结构的三维虚拟模型

张 洁，杨伟伟，容新民，刘怀锋

(1.石河子大学农学院园艺系/特色果蔬栽培生理与种质资源利用兵团重点实验室，新疆石河子 832003； 2.石河子农业科学研究院，新疆石河子 832000)

0 引 言

【研究意义】葡萄与葡萄酒组织(OIV)2018年4月统计2015～2017年间[1]，中国葡萄的栽培面积以年均1.35%的速率递增，连续3年位居世界第2，我国新疆葡萄的种植也具有地理优势，因此，在有限的条件下提高葡萄产量是增加收益的有效方式。选择合适的葡萄树形是增加葡萄收益的有效方式，适宜的葡萄树形有利于葡萄树体调控，产量、果实品质以及后期田间管理的省工省力[2]，在葡萄栽培中，树冠内截获的光量对复杂的葡萄冠层具有重要的实际意义[3]。对葡萄新梢进行数字化，为葡萄冠层整体提供数字化基础，有利于对葡萄果树整体冠层结构进行深入的研究，提高葡萄栽培信息化。【前人研究进展】虚拟植物生长的可视化研究在国内起步较晚，其中中国科学院自动化技术研究所与法国 CIRAD 公司的 AMAP 实验室联合合作研发机构，侧重于可视化技术研究，对于现阶段田间采集葡萄等果树的叶片节间等形态数据通常包括：(1)用直尺与量角器对叶长、叶宽、欧拉角等数据进行常规测量，常用于L系统建模等参数化建模[4]，国内就借助L系统的L-studio平台通过对红地球葡萄的田间数据进行拟合和检验表明slogistic3方程可以较好的拟合标准管理栽培下红地球葡萄节间和叶片生长，所建立模型的预测性较好[5]。(2)葡萄形态结构单元划分，主要是针对形态结构复杂的多年生葡萄树，抽提葡萄树的基本结构单元，以W编码形式对各结构单位进行命名与编号[6]。(3)图像提取法，对单至多幅图进行提取信息，获取数据[7]。(4)三维数字化，采用三维数字化仪田间实际采集数据[8～9]。温维亮等[6]结合了三维数字化仪等多种方法，在国内外大田作物以及苹果果树的研究基础上提出了高效的葡萄植株数据获得方式。【本研究切入点】对于新疆葡萄的树体虚拟化较为少见，构建完整虚拟葡萄冠层为研究光合、整形修剪等，提供理论基础以及分析当地葡萄的最优树形。植株虚拟化的研究又多见于小麦等叶片较少的大田作物，在新疆葡萄研究中极为少见。进行不同树形葡萄冠层结构的数字化研究。【拟解决的关键问题】不同树形葡萄树体结构的三维虚拟模型，以11年树龄3种树形的紫香无核葡萄为材料，用数字化仪田间测量的枝叶形态参数为基础，利用计算机重建不同树形虚拟树体。构建虚拟树体，为构建完整葡萄果园量化研究葡萄冠层提供理论基础以及分析当地葡萄的最优树形。

1 材料与方法

1.1 材 料

试验于2019年7～10月在国家产业技术体系北疆试验站(N44o20′，E88o3′)进行，该果园于2008年建园，主栽葡萄品种为紫香无核，11年树龄，材料按照飞鸟棚架树形、高厂平棚架树形、水平棚架树形整形(以下均简称为飞鸟树形，高厂树形，水平棚架树形)，飞鸟树形两立架正中心有1根铁丝距离地面2 m，铁丝两侧分别有3根铁丝，主蔓顺铁丝方向，枝梢同时向南北两侧延伸；高厂树形铁丝分布与飞鸟树形基本一致，但主蔓向东延伸呈现“厂”字形；水平棚架树形主蔓朝向南延伸，类似独龙干。3种树形立架面全部做绝后处理，果园株行距1.5 m×3.5 m，东北-西南向。滴灌方式灌溉，其余果园管理按标准果园管理进行。

1.2 方 法

1.2.1 数字化仪数据

所用到的三维数字化仪3Space Fastrak(Polhemus Inc.，Cochester，VT，USA)主要由电子主控板、电磁场发射器以及确定点位置的信号接收器等部件组成，依据磁场中电流的变化确定点的位置，使用过程中要无金属和磁场的干扰，使用三维数字化仪对树体进行数字化，需要借助标准水平平面为每个树体定义1个坐标系。采用右手坐标系。所有的测量都需要在无风天气条件下进行，排除风对测量的干扰。

3种树形各选取3棵果树，于8月初使用Stylus笔形传感器测定三维坐标点。分别测定叶柄与新稍交点C1及叶柄与叶片交点C2三维坐标点。随机选取100个叶片，将RX-1平面传感器置于C2位置，且传感器平行与叶片，测定叶片空间欧拉角，包括测定过程中，使用直尺实时测定叶片长度。所有数据在PiafDigit软件中实时记录。另外，每处理随机采集叶片30～50片，叶片使用扫描仪扫描后，利用AdobePhotoshop CS5软件测定叶片长度、宽度及叶面积。

1.2.2 模型建立

葡萄三维虚拟植物模型的构建以三维数字化数据为基础，重建内容包括一次枝、二次枝、叶片和叶柄。枝条节间及叶柄假设为圆柱体，叶片假设为平面六边形，以计算机三维虚拟图形进行表示(图1)左图为VegeSTAR软件设定叶片，右图为软件最终显示叶片。葡萄新梢三维虚拟植物模型，以数字化的叶片结构信息为基础，在一定的生物学结构关系基础上重建枝梢叶片，流程为：(1)枝条长度(L)由枝条空间坐标计算得到：L(shoot)=

(1)

(XT,YT,ZT)与(XB,YB,ZB)分别为枝叶的顶点坐标与基点坐标；(2)一次枝：生长在一次枝上的所有叶片(测量时已将一次枝与二次枝叶片分别标记)其叶柄基点坐标相连即为一次枝；(3)二次枝：与一次枝同理；(4)叶片：叶片基部与叶柄相交的点为叶片的基点，叶尖为叶片的顶点，使用公式(1)结合使用实际测量的叶片长宽数据与计算机模拟相结合的方式构建与计算出虚拟叶片的形状与面积；(5)叶柄：叶柄与新梢的交点即为叶柄的基点，叶片基部与叶柄的交点即为叶柄的顶点，使用公式(1)借助计算机即可得出叶柄；(6)叶片欧拉角数据叶柄与叶面基点相连，基点可用于计算叶片长度，叶片绕叶中脉转角Rot(X)=-C(A、B、C分别为实际测量的角度原始数据)、高度角Rot(Y)=-B按照分布频率随机分布，叶片方位角度Rot(Z)=A+180，按照 2/5 叶序方式随机排列。以枝条空间坐标、长度为基础，结合模型缺省参数(新梢颜色设定参数)以及叶片欧拉角、叶面积等参数，借助FORTRAN 程序生成虚拟新梢数据库文件，包括一次枝、二次枝、、叶片、叶柄的空间坐标、欧拉角等。以数据库文件为基础，在VegeSTAR软件中可实现果树三维虚拟冠层的可视化。果树可视化之后可在可视化的树体上改变各个器官的颜色在VegeSTAR软件中计算出各个器官的面积数据，如叶面积数据。图1，图2

1.2.3 新梢模型精确度检验

为检验虚拟葡萄树体模型的精确度，对3种树形选定的相同长度的新梢虚拟单个叶面积与实际单个叶面积一一对应进行相关性分析。

(2)

(3)

公式中，n为样本数、SA为实测数值、SB为虚拟数值。

1.2.4 光截获量

3种树形各随机选取3棵果树，使用3515FQF型手持式光量子计于2019年8月2日07：00～10：00每隔1 h于树冠正下方0.5 m处测定1次PAR数值，监测晴天光量子数值的日变化。

1.2.5 果实品质

于9月果实成熟时每个处理各选取3处(单位面积)，从选取的各重复中摘取空间内所有果穗，利用天平称取果实单穗重、单粒重；利用数显游标卡尺测量果实直径；利用便捷式数显测糖仪PAL-1测定可溶性固形物；利用酸碱中和的方法测定果实的可滴定酸含量；用蒽酮法测定果实可溶性糖含量。

1.3 数据处理

使用VegeSTAR软件实现虚拟新梢可视化，以及虚拟叶面积的计算；使用“nLeafAuto Compute”软件获取实测叶片面积数据；应用 Excel对试验数据进行处理分析，用 Origin8.5 软件进行数据作图。

2 结果与分析

2.1 构建模型

2.1.1 枝叶形态参数

研究表明，3种树形的叶长与叶宽以及叶长与叶面积之间的相关系数分别为：飞鸟树形：R2=0.79、：R2=0.914 5；高厂树形：R2=0.751 3、R2=0.905 9；水平棚架树形：R2=0.864 4、R2=0.939 3，变量之间变化关系稳定，拟合度较高，符合构建三维数字化的模型的精度。图3

研究表明，3种树形使用虚拟树体计算出的单个叶面积与实际测量的同样长宽的单个叶片叶面积数值差异极小；飞鸟树形相较于其余2种树形叶面积数值更大分布较为平均。

为评估三维虚拟化冠层的精确度，分别比较了同等枝条长度下，虚拟单个叶面积值与实测单个叶面积值的差异，3种树形单个叶片面积的虚拟值与实测值之间的相关分析结果分别为飞鸟树形：决定系数R2=0.994 6，RMSE=5.42 cm2，RE=2.41%；高‘厂’树形：R2=0.993 7，RMSE=4.84 cm2，RE=4.59%；水平棚架树形：R2=0.998 8，RMSE=4.70 cm2，RE=2.35%。实测值与模拟值的相关性较高。图4

2.1.2 叶片欧拉角

研究表明，飞鸟与水平棚架树形转角分布较为分散，而高‘厂’树形转角随着枝条长度的增加集中分布在(-60°,60°)；3种树形的高度角全都分布在(-90°，90°)，飞鸟树形高度角分布在(-30°，90°)，分布较为集中，高厂树形高度角集中分布在(0°，90°)，水平棚架树形高度角较为分散的分布在(-90°,90°)；飞鸟树形方位角集中分布在(-100°，100°)，高‘厂’树形随着新梢枝条的长度增加，方位角与飞鸟树形的方位角分布相反，水平棚架树形方位角分布较为分散但大量分布在(-90°，90°)。枝条长度的增加对于欧拉角均有不同程度的影响，其中对高度角的影响最小，对方位角的影响最大。图5～7

2.1.3 虚拟树体模型构建

冠层3D模型的构建：(1)使用测量的枝节、叶片坐标进行坐标转换计算得到各处理的枝条以及叶片参数，得到各处理枝叶异速生长关系。(2)通过测量所得欧拉角数据得到各处理叶片分布角度频率数据库。(3)结合测量所得坐标数据，得到树体坐标数据库。结合各个数据库形成虚拟植物的基础数据，在VegeSTAR4.0中进行可视化，根据三维数字化仪所测定的空间坐标和相应的形态数据，在计算机中快速构建葡萄植株各器官与虚拟植株，直观地评估三维数字化的精度。依据三维数字化仪所采集的空间坐标构建的飞鸟树形、高厂树形、水平棚架树形的虚拟树体与实际树体相比虚拟树体能够很好的模拟果实与枝条、叶片的相对位置，使得树形整体构建符合实际再现3种不同树形的葡萄树体。图8

2.2 光截获量

观测期内，3种树形的PAR数值均随时间的增长逐渐增长于14：00时左右达到最高值并开始逐渐下降为零；飞鸟树形、高厂树形和水平棚架树形的PAR日平均最高值分别为70.66、36、24 μmol/(m2·s)。3种树形中飞鸟树形的PAR数值最高，水平棚架树形的PAR数值最低，飞鸟树形的PAR数值的增长速度最快。图9

2.3 果实品质

研究表明，飞鸟、高厂以及水平棚架树形的果实品质以及产量参数。飞鸟树形的单位面积产量、单穗重均为最高，分别为11.39、0.511 kg。飞鸟树形的果实品质以及产量参数与水平棚架树形的各项参数具有显著差异。飞鸟树形的单位面积产量显著比水平棚架树形高出2.31 kg,单穗重显著高出0.101 kg,以及单粒重显著高出0.72 g。经过单因素分析，整形方式的不同会显著影响紫香无核葡萄的产量、单穗重以及单粒重。水平棚架树形的整形方式显著降低了 紫香无核葡萄的可溶性固形物，水平棚架树形比飞鸟树形显著低了0.65%，飞鸟树形与高厂树形可溶性固形物变化差异并不显著；飞鸟树形以及高厂树形与水平棚架树形的可溶性糖含量以及可滴定酸含量具有显著差异，飞鸟树形与高厂树形的差异并不显著。总体而言，果树产量、单穗重、单粒重、可溶性固形物、可溶性糖均以飞鸟树形最高，可滴定酸含量则以水平棚架树形最高。表 1

表1 3种树形果实品质参数Table 1 Three tree trellis fruit quality parameters

3 讨 论

3.1 叶片欧拉角分布

叶片角度分布(Leaf Angle Distribution，LAD)包括叶倾角分布和方位角分布，是描述植被冠层结构的一个重要参数[10]。由于叶片角度分布对植被冠层中光线的传输过程和光合有效辐射的分布有着显著的影响，在陆地生态系统冠层生产力和碳循环研究中具有十分重要的作用。在新梢生长的茂盛时期。叶片对于光截获、光吸收具有更加重要的影响，因此，有必要更好的了解葡萄叶角度向性与外界光环境的关系。葡萄具有喜光性，有研究显示葡萄叶片为适应光线角度会改变自身的角度，这种现象在幼叶中表现的尤为明显[11]。

叶片的高度角(a)和方位角(b)是植物形态最具可塑性的特征之一[12]，方位角可以改变以响应局部光环境[13]，在研究中，3种架式的叶片都倾向于较低的太阳高度角，随着枝条的长度增加这种现象越加明显；3种树形都避免了正午的太阳光线，与前人的研究一致，葡萄叶片具有‘向光性’和‘避光性’[14]。前人有研究在强光环境下，叶片角度和郁闭提供了结构性的光保护，最大限度的减少了光合作用的潜在损害[15]。飞鸟树形与高厂树形的叶片高度角分布都集中在(0°，90°)，水平棚架树形高度角的分布就比较分散在(-90°，90°)，结合田间实际情况水平棚架树形的叶片之间的相互遮阴程度要高于其他2种树形。3种树形的转角分布都比较均匀。

水平棚架树形相比较其余2种树形，其冠层更加郁闭。

3.2 虚拟化葡萄树体

三维数字化仪能够精准且有效率的获取三维坐标信息，并且还可以利用配套的软件重建植株。研究虚拟化树体叶片清晰还原，经过软件计算虚拟叶片面积可以代替实际叶片面积，经过对叶片欧拉角的拟合分析，精准分析出水平棚架式的郁闭程度要高于其他2种树形，与实际情况相符合。先前已有的研究对于葡萄冠层的虚拟植株构建方法有：葡萄形态结构单元划分，以W编码形式对各结构单位进行命名与编号。通过节点的删除与转化分别实现了葡萄树的人工修剪操作、生长发育描述、生育进程的数字化表示，但是此方法对于完整描述结构复杂的葡萄树工作量巨大；使用三维扫描仪主要对葡萄叶片进行扫描建模，叶片细节保留完整更具有可研究性，但是扫描仪对茎秆等其他器官有些无能为力，缺乏整体性。以及提出了基于葡萄DUS测试指南构建参数驱动的DUS后台模型。通过对性状特征的筛选和知识规则的利用W及器官模型数据库的建立和调用，但手动输入参数工作量巨大。研究中新梢枝干与叶片都建模清晰，对苹果[9]、桃树[15]、玉米[16]小麦[17]等大田作物，以及温维亮等结合数字化仪与DUS模型所建立的葡萄模型的成功案例以及研究表明，数字化仪结合计算机软件的方法[18～20]建立在树体实际生长参数的基础上建立虚拟树体，便于进行葡萄冠层的枝叶关系以及光合的分析研究。

3.3 树形与光截获

选择合适的葡萄架式，对葡萄后期整体产量、果实品质以及田间管理，都有重要的意义，同时在平衡树体营养生长和生殖生长方面也起到至关重要的作用。目前应用较为广泛的主要包括棚架、篱架、篱棚架、双十字V 形架、T 形架等等。

研究中3种树形，日变化中光截获数值：飞鸟树形>高厂树形>水平棚架树形，并且飞鸟树形光截获数值远高于其他2种树形，飞鸟树形冠层的郁闭程度要小于其他2种树形，受光程度良好，在同一太阳高度角的情况下，从某种程度上也反映了群体光能利用率的较高。

3.4 果实品质

良好的葡萄果树整形有利于提高果实品质，研究中，飞鸟树形的果实单粒重，其余指标无显著差异。飞鸟树形的单位面积内的果树产量、单穗重、单粒重、可溶性固形物、可溶性糖均优于其他2种树形，水平棚架树形可滴定酸含量最高。

4 结 论

利用数字化仪结合紫香无核葡萄实际枝叶数据建立虚拟葡萄树体是可行的，与实际情况相符合，3种树形模拟叶面积与实际叶面积相关系数均达到了0.99以上；飞鸟树形的单位面积产量显著比水平棚架树形高出2.31 kg,单穗重显著高出0.101 kg,单粒重显著高出0.72 g，水平棚架树形可溶性固形物含量、可溶性糖含量相比飞鸟树形分别降低了0.65%、1.14%，可滴定酸含量则升高了0.15%；飞鸟树形冠层下PARmax=70.66 μmol/(m2·s),在石河子地区水平棚架树形冠层的郁闭程度较高，飞鸟树形的果实品质与光能利用率均高于其他2种树形,飞鸟树形是研究中最适宜石河子地区紫香无核品种的树形。