玉米是我國第二大糧食作物，并且具有較大的增產潛力，所以一直受到研究者的重視。
在國家自然科學基金的持續資助下，中國農業科學院農業信息研究所研究員郭新宇團隊對基于三維可視化模型的玉米冠層結構和生產力、數字化玉米種植管理系統進行了研究，開發出一套玉米三維形態計算機輔助設計工具。該工具將玉米的三維形態重建出來，并基于這種形態進行計算，為評價玉米生理或農藝性狀提供了科學依據。
難在量化模擬計算
研究表明，玉米進行光合作用的主要器官是葉片。玉米干物質積累絕大部分來自葉片，光合作用及其生產力的形成受玉米冠層結構的影響。
“影響玉米生長的主要因素有地下部的根系結構和地上部的冠層結構。”郭新宇說，“冠層結構包含莖干和由附著在莖稈上不同高度、方位角的葉片組成的網格化結構。這種結構直接關系到光能截獲的問題，同時也會對群體小環境造成影響。”
在一定環境條件下，玉米光合作用產量取決于葉片吸收的光合有效輻射和葉片的光合特性，而冠層內的輻射狀況又表現出空間上的異質性和時間上的動態特性。太陽輻射在玉米冠層中的分布除受太陽輻射變化影響外，還受冠層結構等因素的影響，如株型，葉面積指數，葉片形狀和大小、方位角分布、散射、吸收和反射、空間分布的異質性等特性，以及這些隨玉米品種、生長發育階段和種植密度的變化的特性，所以研究玉米冠層結構、冠層內光分布和光合作用之間的定量化關系模擬計算是玉米生理生態學的一個熱點和難點。
該小組成員郭江認為，在生產中首先要考慮群體結構，有了合理的群體結構，也就決定了合理的光分布，從而使玉米光能利用率達到最高。光合作用水平達到最佳狀況，為玉米獲得高產提供了優越的光環境。因此研究人員對玉米冠層結構的研究大多集中在群體結構的描述和光分布上。
隨著數據采集手段的不斷提高和計算機軟硬件的飛速發展，該團隊決定利用計算機可視化技術，實現玉米植株個體與群體結構的三維重建，從而可以在任意角度觀察玉米群體，分析其空間結構特征，為農業生態系統研究提供新的手段。
重建玉米三維形態
評估農作物的潛在產量，首先要看能量轉化、物質轉化和獲取，即考慮光合作用轉化為同化產物的情況。考慮光合作用就要基于形態、結構進行計算。
“過去計算時把群體結構簡化成一維結構，比如只用葉面指數或干物質生產量代表群體。”郭新宇說，“但群體在空間分布是有差異的，一部分的分布不能代表群體的情況。”
在國家自然科學基金的資助下，郭新宇團隊開展了作物—環境—技術關系的數字化研究，提出了玉米數字化種植管理系統的設計思想和框架。該團隊開發了數字化玉米種植管理系統，實現了玉米逐日生長模擬、產量與品質的動態預測、氮肥污染控制、玉米生長模擬模型和玉米管理知識模型的耦合、玉米生長模擬模型的集成應用和跨平臺的玉米模擬模型遠程共享。
在此基礎上，他們提出玉米模擬三維動態可視化的思想，開發了玉米可視化設計工具，實現了玉米模擬三維可視化及其網絡應用。
“我們做玉米三維可視化的目的，是將其三維形態重建出來，并基于這種形態進行計算，為某些生理或某一農藝性狀評價提供依據。”郭新宇說，“從產量形成來看，有光、水、肥、營養等多種相關因素。我們先考慮一種因素，比如光合作用，以后再整合其他因素，逐步把生理、生態信息疊加到幾何信息上，這樣就會越來越逼近真實的自然生態條件。”
玉米三維可視化具有綜合農學、計算機科學、地理信息系統和模擬模型等技術進行多學科交叉研究的鮮明特色，為玉米生產系統動態預測、管理決策、調控、設計和分析評價提供了數字化工具。
“我們首先實現地上部分的三維可視化，下一步是做根系、根冠，進而從作物生長和產量形成全過程進行模擬。最終為農學家和育種學家進行玉米個體、群體的分析評價提供可視化計算平臺，提高玉米的產量和品質。”郭新宇說。
