基于構(gòu)筑模型的植物表型動(dòng)態(tài)建模方法研究.pdf

1、虛擬植物研究是一種針對(duì)植物個(gè)體或種群，集植物學(xué)、系統(tǒng)生物學(xué)、應(yīng)用數(shù)學(xué)、信息科學(xué)和計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、可視化技術(shù)等為一體的交叉學(xué)科研究，是目前大家廣為關(guān)注的熱點(diǎn)研究之一。
　　虛擬植物模型的構(gòu)建，是進(jìn)行虛擬植物研究的基礎(chǔ)和關(guān)鍵。植物實(shí)際的生長(zhǎng)發(fā)育是一個(gè)復(fù)雜多變的過(guò)程，形態(tài)模型構(gòu)建的有效性就顯得尤為重要。因此，在虛擬植物形態(tài)發(fā)生模型的研究上，克服模型存在的單一性、局限性，符合植物自身的生長(zhǎng)機(jī)理，滿(mǎn)足更多的植物建模需求就成為本文重要的研究?jī)?nèi)容

2、。
　　虛擬植物模型的研究中，以生物實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)的植物表型靜態(tài)描述性模型，需要大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集、統(tǒng)計(jì)和分析，建模過(guò)程困難，且不容易進(jìn)行計(jì)算機(jī)可視化實(shí)現(xiàn)。因此，本文從構(gòu)筑模型出發(fā)，符合植物的生長(zhǎng)過(guò)程機(jī)理，為能夠表達(dá)更多的植物形態(tài)發(fā)生細(xì)節(jié)，融合 L-系統(tǒng)方法和自動(dòng)機(jī)模型，提出一種虛擬植物建模的解釋性模型。作為構(gòu)建植物表型的動(dòng)態(tài)建模方法，能夠大大提高虛擬植物模型構(gòu)建的有效性和適用性。本文研究主要從以下四方面展開(kāi)：
　　1.在

3、對(duì)目前虛擬植物模型研究綜述的基礎(chǔ)上，提出基于構(gòu)筑原理構(gòu)建虛擬植物形態(tài)發(fā)生的靜態(tài)描述性模型，并對(duì)構(gòu)筑模型進(jìn)行了深入探究。
　　模型的有效性、適用性是進(jìn)行虛擬植物建模必須要考慮的首要問(wèn)題。目前，虛擬植物形態(tài)發(fā)生模型的研究是多層面的，針對(duì)性較強(qiáng)。靜態(tài)描述性模型是建立在對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析基礎(chǔ)之上的，能夠精確定義植物形態(tài)發(fā)生過(guò)程動(dòng)態(tài)特征。描述性模型形式多樣、功能各異，構(gòu)筑模型是其中最具代表性的。作為植物的一種內(nèi)在生長(zhǎng)規(guī)律，構(gòu)筑模型規(guī)定了植

4、物形態(tài)發(fā)生的方式以及植物生長(zhǎng)的最終結(jié)構(gòu)，表達(dá)了植物種類(lèi)結(jié)構(gòu)特征及植物體內(nèi)存在的形態(tài)發(fā)生進(jìn)程的行為次序，符合建立植物完整結(jié)構(gòu)的基本規(guī)則。
　　2.通過(guò)對(duì)植物形態(tài)發(fā)生過(guò)程的多層次分析，基于L-系統(tǒng)方法，構(gòu)建虛擬植物的描述性模型，并利于計(jì)算機(jī)進(jìn)行可視化實(shí)現(xiàn)和仿真。
　　構(gòu)筑模型雖然能夠形象而準(zhǔn)確地對(duì)植物形態(tài)發(fā)生進(jìn)行歸納和分類(lèi)，但缺乏對(duì)植物形態(tài)可視化表達(dá)的有效手段和方法。本文根據(jù)植物構(gòu)筑模型定義的植物形態(tài)發(fā)生模式，從宏觀和微觀兩個(gè)不

5、同層面分別應(yīng)用 L-系統(tǒng)給出表型描述性模型。L-系統(tǒng)為描述植物模型提供了一種程序語(yǔ)言，并且為之后進(jìn)一步構(gòu)建動(dòng)態(tài)模型及三維可視化實(shí)現(xiàn)提供了一個(gè)簡(jiǎn)便方法。
　　3.符合植物自身的生長(zhǎng)機(jī)理，在構(gòu)建虛擬植物描述性模型的基礎(chǔ)上，基于自動(dòng)機(jī)模型，深入研究植物生長(zhǎng)的動(dòng)態(tài)解釋性模型相關(guān)的關(guān)鍵機(jī)制。
　　(1)本文目標(biāo)是對(duì)植物表型進(jìn)行動(dòng)態(tài)建模，而植物表型是與其生物學(xué)性狀相關(guān)內(nèi)容緊密相關(guān)的，因此成功建立植物表型動(dòng)態(tài)模型的關(guān)鍵，是必須將植物性狀產(chǎn)

6、生的機(jī)理作為整個(gè)建模創(chuàng)建的出發(fā)點(diǎn)和基礎(chǔ)。
　　(2)結(jié)合雙尺度自動(dòng)機(jī)相關(guān)原理，從宏觀和微觀兩個(gè)不同尺度再現(xiàn)植物動(dòng)態(tài)生長(zhǎng)過(guò)程。微觀層面，在L-系統(tǒng)中引入“S”型玻爾茲曼函數(shù)的微分形式及彈性桿件模型實(shí)現(xiàn)節(jié)間及其上器官的形態(tài)隨時(shí)間行進(jìn)而變化；宏觀層面，植物整體拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)遵循植物生長(zhǎng)規(guī)律不斷完善。
　　4.按照虛擬植物結(jié)構(gòu)-功能建模的原理和方法，融合更多的生物學(xué)因素，提出一種基于構(gòu)筑原理的虛擬植物表型動(dòng)態(tài)建模方法。
　　基于雙尺