试析基于动态生长模型的植物根系模拟研究

《试析基于动态生长模型的植物根系模拟研究》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在学术论文-天天文库。

1、西南大学硕士学位论文基于动态生长模型的植物根系模拟研究姓名：吕伟申请学位级别：硕士专业：农业机械化工程指导教师：袁可20060501捅要虚拟植物(virtualplant)就是利用虚拟现实技术在计算机上模拟植物在三维空间中的生睦发育过程，它是以植物个体为对象，具有可视化的功能。生成的植物可以反映现实植物的形态结构、具有真实感的植物个体或群体。今天，虚拟植物技术主要有两个研究方向。第一是单纯的植物外观形态模拟，注重形态的逼真性，不考虑植物的生态生理模型，主要用于商业，娱乐。第二是真实植物生长过程的模拟，强调注重植物学理论的真实性。其虚拟植物模型建立在植物的生态生理原理之上，并同时

2、力求视觉效果的真实性，主要用于农林业的科学研究和教育工作。但是现在的虚拟植物研究中，大多集中在以真实的视觉效果为目的的技术上，而将植物形态发生模型与生长模型有机结合的成果并不多，尤其是虚拟植物根系的研究则更少。现有的根系模拟技术大多只能依靠基于简单规则的形态发生模型生成与植物根系相似的形状，未能结合根系生长模型而体现真实根系的生长发育规律。而且大多仅仅实现了根系的可视化，未能根据根系的生长模型提供根系研究所需要的数据。因此远远不能满足农林业科学研究的需要。本论文主要围绕忠实于植物动态生长模型的植物根系模拟技术展开研究与讨论，在对相关理论进行分析的基础上，提出了利用改进的L系统结

3、合动态数据结构生成植物根系拓扑结构，并引入管道模型计算根系研究所必需的参数，实现了植物生长发育模型和形态发生模型的有机结合。首先，对虚拟植物的现有理论和方法做了较深入的研究分析和对比。在计算机上实现虚拟植物的生长必须有植物的生长模型，按照模型完成的功能和模拟的过程，可以将植物生长模型分为生长机(growthmechanistic)模型和可视化(visualization)模型，生长机模型是根据已知的植物体初始信息及环境因素计算出植物生长过程的各种参数或数据。该模型可以理解为是由生态生理(eCO*physiological)与形态发生(morphogenetie)两个模型组成。生

4、态生理模型包括许多具体的生长机理模型，形态发生模型提供植物的形态信息。在形态发生模型方面，目前比较常用的方法包括：分形(fractal)方法，如IFS方法、粒子系统和L系统，以及随机过程方法如双尺度自动机等。形态发生模型和生态生理模型的交互作用，组成生长机模型，能计算出植物在各个生长阶段的生长发育状况。可视化模型利用计算机图形学技术，用二维或三维图形形象地显示植物的生长过程。第二，对植物根系的生理生：蠡特性作了一些研究，特别深入分析了是冬小麦根系的动态生长模型。准确可靠的作物生长模型是应用于农林业的虚拟植物技术的基础，作物生长模型是借助系统科学和计算机技术，根据作物生理学和生态

5、学原理，通过对作物生长发育过程获得的实验数据加以理论概括和数据抽象，作物动态生长模型能够动态模拟作物的生眭发育和产量的形成过程，较准确地表达作物生长与环境因子变化之间的关系，还可以通过可控因子来调节作物的生长发育进程，预测特定环境冈子F的佧物产量等。对植物根系来说，其生长喾育除受基因型的影响外，还受与其有密切关系的环境因子的影响，如温度，光，土壤机械阻力，通气状态，土壤水分，土壤养分等。本文选用冬小麦根系作为研究对象，以土壤含水量稳定条件下的动态生长模型作为基础，结合根系形态发生模型实现根系的模拟。小麦的根系为须根系，由初生根系(D“maryrootsystem)和次生根系(s

6、econdaryrootsystem)组成。土壤含水量对小麦根系在土壤中的分布有明显的影响，所取参数分别为初生根和次生根的主根数量、最大扎根深度、侧根分枝系数以及侧根长度等。主根根轴的直径及根系研究的基本要素如根重，根长，根体积等的基本发育参数由“管道模型”求出。第三t针对传统L系统难以理解和使用及对生成的植物包括根系外观可控性差的缺点，提出了一种利用改进的L系统结合动态数据结构的植物根系模拟方法并予以实现。小麦的根系是栩形分枝结构，主要由初生根、次生根、初生根一次侧根、次生根一次侧根组成。因为根系具有的自相似性，所以能使用L系统来生成植物根系。但为了结合根系动态生长模型，实现

7、根系的可控生长，每次重写要受到当前根系生长节点所携带的生长参数信息所控制，依据当前的生长条件，决定根系F一步的生长情况。这种方法保留了传统的L系统对植物根系拓扑关系表达能力强的优点，利用动态数据结构存储根系的生蚝参数信息，在模拟根系生长过程中，根据生长模型实时计算各参数，动态生成植物根系形态，实现了将根系的动态生长模型与根系的形态发生模型较好地结合，忠实地描述了冬小麦根系在不同土壤含水量条件下的生长发育规律。第四，引入了植物根系的“管道模型”，使系统在模拟根系生长的同时，通过遍历各个生长节点