虚拟植物生长模型

该文提出了一个“基于状态空间的虚拟植物结构生长模型”。较之L-系统,该模型既能够反映植物并行生长,也能够连续、动态地模拟这一过程;不仅可以调节与控制,而且易于理解;拓展了状态空间理论的应用领域,为虚拟农林提供了具有实际应用价值的研究方法。     

基于信息融合的植物生长数字化构建研究*

植物生长数字化是利用虚拟植物技术实现植物生长动态模拟的重要基础。通过实验观测提取特征信息,对植物生长信息与环境信息进行有机融合。依据植株拓扑变化规则及器官形态变化,建立植物形态发生模型。在植物生长信息重构基础上,提出植物生长数字化构建技术,即通过模型变换并基于信息融合将植物生长信息转换为直观的数字化信息。通过实例验证,表明该方法能有效地模拟植物在不同外部环境作用下的动态生长。     

人工植物的动态结构模型研究

首先回顾了人工植物形态结构模型中两种主要方法———L-系统与分形,并对其人工生命特征进行了分析。针对两种方法存在比较抽象,不易理解和使用等问题,该文提出了基于状态空间的人工植物结构模型。理论分析和仿真结果说明,该模型综合了L-系统并行生长与分形自相似特征,具有人工生命特征;能够连续、动态反映植物结构的生成,便捷易行;适合应用于诸如虚拟农业、虚拟植物科研与教学等领域。     

基于碳动力学模型的虚拟拟南芥植物生长模拟

具有植物生理特征的花卉植物功能结构模拟是目前虚拟植物的研究热点。基于反映植物生长机理的碳动力学模型和L-systems的形态结构表达,提出了一种功能结构相统一的高度真实的虚拟植物生长模拟算法。利用L-systems的形态构造方法对拟南芥植物组织器官的动态生长规则进行了表达;植物生长基元（茎节间、叶、花）的分枝生长考虑了碳汇生物量在基元的传输和分配,并定义生长曲线函数描述叶片和节间在不同生长发育阶段的动态生长演替过程。实例证明该算法能较准确地模拟拟南芥的动态生长过程,模拟生长曲线跟实际生长曲线相吻合,验证了算法有效性。     

虚拟植物生长的双尺度自动机模型

用来构造植物形态的计算机模型很多,但大部分模型用于自然景物的模拟,所研究的内容主要集中在计算机图形学方面。该文从植物学的角度出发,提出了微状态和宏状态的双尺度概念,建立了虚拟植物生长的双尺度自动机模型,该模型考虑了植物的生长机理,参数物理意义明确,结构简洁条理,形象直观,易于理解和编程实现,并且应用了符合植物顶芽和腋芽发育过程的概率模型,更适合模拟真实植物的生长过程,通过与“L系统”和“参考轴技术”这两种著名的植物生长模型的比较,以及给出了用该模型模拟植物学家提出的构造模型的例子,证明了该模型实用有效。     

基于多模块方法的拟南芥功能结构模拟研究

花卉植物生长模拟中,构建反映植物形态和生理特征的功能结构模型是目前虚拟植物的研究热点。对植物形态结构的表达方法和碳汇生物量在植物组织器官间的分配方法进行了研究,基于多模块方法实现了功能结构相统一的虚拟花卉植物生长模拟。利用自定义的光反应曲线模拟碳汇生物量,基于源汇理论实现了碳生物量在器官间分配,利用L+C 多模块方法实现了植物叶片和节间的动态生长。通过对拟南芥植物的生长模拟,证明了方法的实用性和有效性。     

基于DLA的虚拟植物根系模拟方法研究

传统的根系研究模型注重于根系外观形态的模拟,而将根系的生理生态结合起来的模拟方法则较少。对于农业信息技术而言,根系生理生态的研究模型能更好地服务于农林业领域。文中在研究了DLA模型的特点及其应用的基础上,分析了基本DLA模型的不足并提出了一种改进的DLA模型,用于植物须根系的向水性模拟。该模型结合参数可控方法体现了植物须根系向水性的动态生长过程,一定程度上符合实际植物的生长机理,并在VC＋＋6.0上给出了模拟效果图。模拟结果显示,改进的模型能够逼真、细腻地模拟须根系的向水性生长形态。最后指出了改进DLA算法关于根系建模进一步的研究方向。     

基于构筑模型的植物动态生长研究

植物学家提出的23种结构定义了植物形态发生的方式和最终生长的形态,能够形象而准确地对植物形态发生进行归纳和分类,但缺乏对植物形态可视化表达的有效手段和方法。因此,本文为再现植物的动态生长过程,基于构筑模型,遵循双尺度自动机的基本原理,应用微分L-系统构建植物连续生长过程的动态模型,并在计算机进行了三维可视化实现。提出的方法拓展了构筑模型的应用,仿真结果表明该方法在植物形态的建模上确实行之有效。     

基于生长机的芦苇形态模型可视化研究

兼顾植物生理功能的形态发生模型,是在计算机上实现模拟植物生长发育的理论依据。通过观察芦苇生长过程中发生的形态及生理变化,分析了形态结构与生理因子之间的内在关系,并提出一种基于生长机的芦苇形态建模方法。根据生成的形态模型有效组织芦苇生长时产生的大量数据,并建立其可视化流程。通过模拟实验,结果表明该模型能有效地模拟芦苇的生长发育过程。     

基于Open-L系统的植物结构功能模型研究

为了真实地模拟植物生长发育过程,引入了Open-L系统建模理论.在植物形态发生模型的基础上,根据植物生长时其形态与生理特性及环境之间的相互作用,构建了综合考虑植物结构与功能的虚拟植物模型,再根据该模型有效组织了植物生长过程中的数据信息,并建立植物生长的可视化流程.最后,开发一个原型系统验证了该模型的可行性和有效性.     

黄瓜生长可视化系统的设计与实现

利用计算机更好地模拟植物的生理过程、形态结构及生态变化的关键是确定虚拟植物模型。文中采用双尺度自动机模型模拟植物生长,对作物器官进行三维几何建模,以黄瓜为例设计并实现了作物生长可视化系统。该系统易于交互、真实感强、计算速度快并具有可扩展性,可以较好地模拟显示黄瓜整体植株与群体植株、群体漫游及黄瓜植株和黄瓜器官三维动态生长过程等。     

基于迭代函数系统IFS的动态树木模拟

植物作为自然景物中最常见的现象之一,模拟的方法是应用数学和图形学领域的一个重要课题。迭代函数系统IFS是分形理论的重要分支,由于植物结构的自相似性,利用IFS(Iterated Function System)可以逼真地模拟各植物形态,简述几种模拟植物的方法,主要研究迭代函数系统IFS模型,并在VC++6.0环境下基于IFS模型构造出静态蕨叶和树木,详细讨论利用带参量的IFS随机系统实现动画的过程,并利用双缓冲技术,形象逼真地模拟随风摇摆的蕨叶和生长树木的动画效果。实验结果表明,带参数的IFS可使图像发生预期的变化,如果让参数在适当的范围保持连续变化,则动画效果良好。     

基于视频特征提取的虚拟植物动态仿真研究*

植物生长信息的提取与重构是在计算机上实现植物生长动态仿真的基础和关键。以树的生长为对象,将包含植物生长信息的视频图像转换为若干关键帧数据,提取反映植株拓扑结构与器官形态变化的特征信息,采用枝条拼接算法对植株拓扑变化过程进行重构。通过3DMAX开发平台对植株生长过程进行重建,结果表明该方法既能有效构建植株生长的数字化模型,又能较好地虚拟植物生长和形态演变过程。     

交互式植物建模系统

植物建模是研究植物的形态结构及其生长发生过程的重要手段,也是计算机图形学的研究热点之一.文中设计出一套满足用户需要的、可以生成各种不同的植物形态结构的交互式植物建模系统.根据植物枝干的形态特征,在建模过程中首先采用迭代的方法生成若干不同的分枝,然后根据全局算法将不同的分枝组合成植物的整体分枝结构.用户可以通过系统提供的交互式界面调整参数,控制每一步的生成结果;在叶片建模过程中,结合植物形态学知识可提供大量的叶片模型以及叶序排列模式,用户选择相应的叶片模型或根据需要添加新的叶片模型.实验结果表明,该系统操作简单方便,生成的植物真实感较强.     

Competition and evolution in virtual plant communities: a new modeling approach

This article presents studies on plants and their communities through experiments with a multi-agent platform of generic virtual plants. Based on Artificial Life concepts, the model has been designed for long-term simulations spanning a large number of generations while emphasizing the most important morphological and physiological aspects of a single plant. The virtual plants combine a physiological transport-resistance model with a morphological model using the L-system formalism and grow in a simplified 3D artificial ecosystem. Experiments at three different scales are carried out and compared to observations on real plant species. At the individual level, single virtual plants are grown in order to examine their responses to environmental constraints. A number of emerging characteristics concerning individual plant growth can be observed. Unifying field observation, mathematical theory and computer simulation, population level experiments on intraspecific and interspecific competition for resources are related to corresponding aggregate models of population dynamics. The latter provide a more general understanding of the experiments with respect to long-term trends and equilibrium conditions. Studies at the evolutionary level aim at morphogenesis and the influence of competition on plant morphology. Among other results, it is shown how the struggle for resources induces an arms race that leads to the evolution of elongated growth in contrast to rather ample forms at ground-level when the plants evolve in isolation.     

基于Open L系统的植物结构功能模型研究*

为了真实地模拟植物生长发育过程,引入了OpenL系统建模理论。在植物形态发生模型的基础上,根据植物生长时其形态与生理特性及环境之间的相互作用,构建了综合考虑植物结构与功能的虚拟植物模型,再根据该模型有效组织了植物生长过程中的数据信息,并建立植物生长的可视化流程。最后,开发一个原型系统验证了该模型的可行性和有效性。     

Description and visualization of graminaceous plants with an organ-based 3D architectural model,exemplified for spring barley (<Emphasis Type="Italic">Hordeum vulgare</Emphasis> L.)

Within the framework of functional-structural plant models (FSPMs) this paper presents a structural (architectural) plant model that describes the morphology of spring barley (Hordeum vulgare L.) plants. A set of equations is introduced and implemented in self-written Matlab&reg; computer programs to calculate the surface shape of vegetative and generative plant organs. Organ surfaces are approximated as geometrical primitives, visualized as triangulated surface meshes. The output of the model is a set of triangles that can be associated with geometrical (e.g. area), topological (e.g. main stem) and physiological (e.g. chlorophyll content) attributes, depending on the measurement techniques applied. This information is a prerequisite for functional (process) models to compute, e.g., the radiation field or gas exchange of the respective canopy.     

Adaptive control of linear time-varying plants: a new modelreference controller structure

The problem of developing a control law which can force the output of a linear time-varying plant to track the output of a stable linear time-invariant reference model is discussed. It is shown that the standard model reference controller, used for linear time-invariant plants, cannot guarantee zero tracking error in general when the plant is time-varying. A new model reference controller is proposed which guarantees stability and zero tracking error for a general class of linear time-varying plants with known parameters. When the time-varying plant parameters are unknown but vary slowly with time, it is shown that the new controller can be combined with a suitable adaptive law so that all the signals in the closed loop remain bounded for any bounded initial conditions and the tracking error is small in the mean. The assumption of slow parameter variations in the adaptive case can be relaxed if some information about the frequency or the form of the fast varying parameters is available a priori. Such information can be incorporated in an appropriately designed adaptive law so that stability and improved tracking performance is guaranteed for a class of plants with fast varying parameters