（农业机械化工程专业论文）基于动态生长模型的植物根系模拟研究.pdf

捅要 虚拟植物( v i r t u a lp l a n t ) 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( g r o w t h m e c h a n i s t i c ) 模型和可视化( v i s u a l i z a t i o n ) 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( e c o * p h y s i o l o g i c a l ) 与形态发生( m o r p h o g e n e t i e ) 两个模型组成。生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( f r a c t a l ) 方法，如i f s 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 “m a r yr o o t s y s t e m ) 和次生根系( s e c o n d a r yr o o ts y s t e m ) 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 长节点完成对根系各参数的计算，最后能生成根系形状并计算出根系研究所需要的根长，根 重，根体积等重要参数。 本论文提出的将根系动态生长模型与改进的根系形态发生模型相结合的方法模拟植物根 系，生成的虚拟植物根系忠实于根系在植物学上的生长发育规律，而且在形成根系拓扑形状 的同时能计算出根系研究所必需的重要参数，能够较好地应用于植物根系的研究，教学工作。 最后文章还探讨了今后有待于进一步研究的问题，包括植物根系生长发育模型的更加完 善，将更多环境因素引入虚拟植物模型中，以及植物根冠耦合的研究等。 关键词：根系动态生长模型模拟l 系统动态数据结构 i i 西南大学硕士学位论文 a b s t r a t a b s t r a c t v i r t u a lp l a n ti sc o m p u t e rs i m u l a t i o no f t h es t r u c t u r a ld e v e l o p m e n ta n dg r o w t ho f p l a n t si n3 - d s p a c e sb yv i r t u a lr e a l i t yt e c h n i q u e t h i st e c h n i q u ed e f i n e st h ep l a n tu n i ta st h eo b j e c t i v ea n dh a st h e f u n c t i o no f v i s u a l i z a t i o n t o d a y v i r t u a l p l a n t t e c h n i q u e sa r ed i v i d e d i n t o t w o t y p e s t h e f i r s t i g n o r e s e c o p h y s i o l o g i c a lm o d e l so f p l a n t st os i m u l a t ea p p e a r a n c e so f p l a n t sf o rb u s i n e s sa n da m u s e m e n t t h es e c o n do n es i m u l a t e sr e a lg r o w t hp r o c e s s e so f p l a n t s ，e m p h a s i z e st h e i rr e a l i t yo f b o t a n yt h e o r y a n da p p l i e sm o s t l yt or e s e a r c ha n de d u c a t i o nt e r r i t o r yo f a g r o n o m ya n df o r e s t r y h o w e v e r , c u r r e n t s t u d i e so f v i r t u a lp l a n tt e c h n i q u e sa r et o om u c hf o c u s e do nr e a l i s t i cp l a n ti m a g es y n t h e s i st oe a r nt h e b e s tv i s u a le f f e c t s ，w h i l es t u d i e sw h i c hi n t e g r a t ee c o p h y s i o l o g i c a lm o d e lw i t hm o r p h o g e n e t i em o d e l r r ef e wa n ds t u d i e so nr o o ts y s t e m so f v i r t u a lp l a n t sa r el e s se s p e c i a l l y a sar e s u l t ，m o s tr o o ts y s t e m s i m u l a t i o nt e c h n i q u e sc a no n l yc r e a t er o o ts y s t e mf i g u r e sb ys o m es i m p l em o r p h o g e n e t i cm o d e l s ， b u tt h e yc a n n o tu t i l i z ee e o - p h y s i o l o g i e a lm o d e l so f r o o ts y s t e m st od e s c r i b er e a lg r o w t hr u l e so f r o o t s y s t e m sa n dp r o v i d en e c e s s a r yd a t af o rr o o ts y s t e ms t u d i e se l s e s ot h e ya r en o tf i tf o rt h ea g r o n o m y a n df o r e s t r ys t u d i e s i nt h i sp a p e r , s o m er e s e a r c h e sa n dd i s c u s s i o n sf o c u so nt h ed y n a m i cg r o w t hm o d e lo f p l a n t s r o o ts y s t e ms i m u l a t i o nt e c h n i q u e s o nt h eb a s i so f t h ec o r r e l a t i v et h e o r yr e s e a r c h ，an e wm e a n si s p u tf o r w a r dt h a tc o m b i n et h ei m p r o v e dl - s y s t e ma n dt h ed y n a m i cd a t as t r u c t u r et ob u i l dt o p o l o g i c a l s t r u c t u r e so f r o o ts y s t e m sa n di tc a l lc o m p u t en e c e s s a r yd a t af o rr o o ts y s t e ms t u d i e sb yt h ep i p e m o d e l f i n a l l y ，ap e r f e c tc o m b i n m i o no f p l a n tg r o w t hm o d e la n dm o r p h o g e n e t i cm o d e li sf u l f i l l e d f i r s t l y ，v a r i o u st h e o r i e sa n dm e a n sa b o u tv i r t u a lp l a n t sa r es t u d i e da n dc o m p a r e d b a s e do n p l a n tg r o w t hm o d e l s , v i r t u a lp l a n tg r o w t hc b er e a l i z e db ym e a n so f c o m p u t e r a c c o r d i n gt ot h e f u n c t i o na n ds i m u l a t i o nc o u r s e so f v i r t u a lp l a n t s ，t h e r ea r et w os o r t so fp l a n tg r o w t hm o d e l s ，o n ei s g r o w t h m e c h a n i s t i cm o d e la n da n o t h e ri sv i s u a l i z a t i o nm o d e l g r o w t h m e c h a n i s t i em o d e lc a n c o m p u t ea l ld a t aa c c o r d i n gt oa us o r t so f i n i t i a li n f o r m a t i o na n de n v i r o n m e n t a lf a c t o r so f ap l a n t i t i sc o m p o s e do f t h ee c o - p h y s i o l o g i c a lm o d e la n dt h em o r p h o g e n e t i cm o d e l t h ef i r s ti n c l u d em a n y g r o w t hm e c h a n i s mm o d e l s t h es e c o n do n ec a np r o v i d em o r p h o l o g i c a li n f o r m a t i o no f p l a n t s i t i n c l u d e sm o s t l yf f a c t a ls u c ha si f s ，p a r t i a ls y s t e m ，l - s y s t e ma n ds t o c h a s t i cp r o c e s ss u c ha s d u a l s c a l ea u t o m a t o ne t c ，g r o w t h m e c h a n i s t i cm o d e la n dv i s u a l i z a t i o nm o d e li n t e r a c tt of o r m g r o w t h m e c h a n i s t i cm o d e lt h a tc a nc o m p u t eg r o w t hs t a t u so f ap l a n ti ne v e r yg r o w t hp h a s e ， v i s u a l i z a t i o nm o d e lu t i l i z e s2 - do r3 - di m a g e st os h o wt h eg r o w t hc o u r s eo f ap l a n tb ym e a n so f c o m p u t e rg r a p h i c s s e c o n d l y ，c c o p h y s i o l o g i c a lc h a r a c t e r so f p l a n tr o o ts y s t e m sa r es t u d i e da n dt h ed y n a m i c g r o w t hm o d e lo f w i n t e rw h e a ti sa n a l y z e dc a r e f o l l yi nt h ep a p e r t h er o o ts y s t e mg r o w t ho f ap l a n t i i i 西南大学硕士学位论文 a b 5 t r a t i sa f f e c t e db yi t sg e n ea n de n v i r o n m e n t a lf a c t o r ss u c ha st e m p e r a t u r e ，l i g h t ，s o i lm o i s t u r ee t c i nt h i s p a p e r ，w i n t e rw h e a tm o ts y s t e mi ss i m u l a t e db yi n t e g r a t i n gi t sc c o - p h y s i o l o g i c a lm o d e lt h a ti n c l u d e s o m ep a r a m e t e r ss u c h p r i m a r yr o o tn u m b e r s e c o n d a r yr o o tn u m b e r , r o o t l e n g t ha n db r a n c ho f r o o tc o e f f i c i e n tw i t hm o r p h o g e n e t i cm o d e l i na d d i t i o n ，r a d i u s e so f r o o t sa n ds o m e i m p o r t a n td a t a s u c ha sr o o ts y s t e mw e i g h t , r o o ts y s t e mf e n g t ha n dr o o ts y s t e mv o l u m ec a nb ec o m p u t e db ym e a n s o f t h ep i p em o d e l t h i r d l y ，an e w m e a n si sp u tf o r w a r da n df u l f i l l e dt h a tc o m b i n et h ei m p r o v e dl - s y s t e ma n dt h e d y n a m i cd a t as t r u c t u r et ob u i l dt o p o l o g i c a ls t r u c t u r eo f r o o ts y s t e mi nt h ep a p e r t h en e wm e a n s r e s e r v ev i r t u e so f t r a d i t i o n a ll - s y s t e ma n dc a nc r e a t er o o ts y s t e mm o d a l i t yd y n a m i c a l l yo nt h eb a s i s o f i t sg r o w t hp a r a m e t e r st h a tc o m p u t e da n ds a v e db yt h ed y n a m i cd a t as 廿u c n l r e f o u r t h l y ，p i p em o d e li su t i l i z e dt oc o m p u t es o m ei m p o r t a n td a t as u c ha sr o o ts y s t e mw e i g h t r o o ts y s t e ml e n g t ha n dr o o ts y s t e mv o l u m ei nt h ep a p e r f i n a l l y ，s o m ei s s u e sa r ed i s c u s s e ds u c ha st of i n dm o r ep e r f e c tr o o ts y s t e mg r o w t hm o d e l s ，t o p u tm o r ee n v i r o n m e n t a lf a c t o r si n t ov i r t u a lp l a n tm o d e l sa n dt oc o m b i n ec a n o p yg r o w t ha n dr o o t s y s t e mg r o w t ho f v i r t u a lp l a n t se r e k e y w o r d ：r o o ts y s t e md y n a m i cg r o w t hm o d e ls i m u l a t i o n l s y s t e md y n a m i c d a t as t r u c t u r e 独创性声明 学位论文题目：基王塾查生量燕型曲擅堑握丕搓垫硒塞 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为 获得西南大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明 并表示谢意。 学位论文作者：签字日期：“娜年i f - 月7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解西南大学有关保留、使用学位论文的规 定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允 许论文被查阅和借阅。本人授权西南大学研究生院可以将学位论文的 全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书，本论文：留不保密， 口保密期限至年月止) 。 学位论文作者签名：昌熊 签字日期：删年手月、f 日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位 通讯地址 导师签名：彰呵 签字日期：劢师易年厂月r 7 日 电话：i! 邮编： 西南大学琐士学位论文 第t 章文献综述 第l 章文献综述 1 1 虚拟植物技术 随着计算机软、硬件技术的飞速发展，人们已不能满足于文本数据的记录和管理，信息的 可视化成为新的应用发展方向，在这种背景下，虚拟现实( 又称“灵境”技术，v i r t u a lr e a l i t y ， 简称v r ) 技术应运而生了。 这种技术的特点在于，由计算机产生一种人为虚拟的环境，这种虚拟的环境是通过计算机 图形构成的三维空间，或是把其它现实环境编制到计算机中去产生逼真的“虚拟环境”，用 户借助必要的设备( 如特制的服装、头盔、手套和鞋) 以自然的方式与虚拟环境中的实体对象 进行交互作用、相互影响，从而使用户在视觉上产生亲临真实环境的感受和体会，从根本上 改变了人机之问生硬被动的交互方式。 目前，虚拟现实技术在农业领域中的应用显得越来越重要，形成了虚拟现实的一个重要分 支一“虚拟农业”，虚拟现实技术在虚拟动物、虚拟植物、农机产品虚拟设计开发、虚拟仪 器、农业试验仿真研究等方面的应用不断改变着农业相关领域的面貌。虚拟植物技术的研 究，是虚拟农业研究的核心内容之一，是农业信息化不可缺少的部分，具有广泛的实用意义。 植物是自然界最常见的景物，因为艺术设计、动画制作、虚拟场景造型以及科学研究等的 需要，必须采用计算机生成逼真的植物图形。所以，植物的计算机模拟成了计算机图形学的 一个重要的应用研究领域。虚拟植物( v i r t u a lp l a n t s ) 就是利用虚拟现实( v i r t u a lr e a l i t y ) 技术在 计算机上模拟植物在三维空间中的生长发育过程，它是以植物个体为对象，具有三维效果和 可视化的功能。生成的植物是可以反映现实植物的形态结构、具有真实感的三维植物个体或 群体。 多年以来，许多计算机科学家、植物学家以及数学家等加入了虚拟植物生长研究领域， 提出了许多模拟植物的方法和模型，按照模型完成的功能和模拟的过程，可以将植物生长模 型分为两大类；生长机( g r o w t h m e c h a n i s t i c ) 模型和可视化( v i s u a l i z a t i o n ) 模型，如图卜l 所示， 所谓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( e c o - p h y s i o l o g i c a l ) 与形态发生( m o r p h o g e n e t i c ) 两个模 型组成。 生态生理模型包括许多具体的生长机理模型，如植物土壤、水肥、光合作用、养分生成 与分配、呼吸蒸腾作用等，此时这种作物模型常用数学模型来表示作物系统行为。 形态发生模型提供植物的形态信息。形态发生模型可以进一步分解为拓 l ( t o p o l o g i c a l ) 结 构模型和几何( g e o m e t r i c a l ) 结构模型。拓扑结构模型是植物建模中的最基本模型，代表了植物 不同器官和组织之间的物理连接，主要用于摇述植物离散结构单元之间的连接关系和分布状 况，并可以通过抽象的数学语言反映出植物的生长阶段。儿何结构模型指对植物整体或部分 器官组成结构的三维信息描述，即对植物各器官的尺寸、形状和角度等进行描述。在形态发 西南大学硕士学位论文 第1 章文献综述 生模型方面，目前比较常用的方法主要有分形方法和随机过程等。 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。 生长机模型 雕 十+ 生理生态模型 l 圈卜1 植物生长模型与可视化 f i g 1 1p i a n t g r o 呲hm o d e ia n dv is u a iz a t i o r 植物的可视化模型是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，包括几何、光照、纹理等一些子模型。该儿何子模型的主要功能是根据生长机模型计 算得到的几何数据，将一些图形符号变换尺寸后，表示植物的各器官。 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。其目的是自然景观的真实再现， 只涉及植物可视化模型，可以不考虑植物的生态生理模型，主要应用于商业、娱乐等领域。 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，并同时致力于视觉效果的真实性。应用这种虚拟植物模型，可以非 常直观地对农田、森林等复杂的生态系统进行研究，发现传统研究方法和技术手段难以观察 到的规律，主要用于农林业的科学研究和教育工作。 生态环境保护与建设是人类社会可持续发展的前提和基础，进行虚拟植物技术研究将能 探索出植物生命的奥秘和生长过程的规律，改善人类生存环境质量。对于中国这样的一个农业 大国，开展虚拟植物技术的研究有着特别重要的意义。 1 2 国内外虚拟植物研究的概况 虚拟植物是在计算机上建立植物生长模型，让植物的生长过程在计算机上再现。从2 0 世 纪6 0 年代起，研究人员就开始了植物生长的模拟研究，最早是用细胞的自动生长模型，来描 述植物的分支状况。这个模型第一次提出了用计算机来进行虚拟植物建模的思想。随后，以 著名的l 系统的提出为标志，虚拟植物技术得到了快速的发展，植物生长模拟吸引了许多的计 算机科学家、数学家、生物学家及植物学家的兴趣，他们提出了多种生成植物图形的建模方 2 西南大学硕士学位论文 第1 章文献综述 法和形态发生模型，并开发了许多植物模拟软件。 1 9 6 8 年，美国生物学家a l i n d e n m a y e r ( 1 9 2 5 1 9 8 9 ) 在生物杂志上发表了题目为 “m a t h e m a t i c a lm o d e l sf o r c e l l a ri n t e r a c t i o n si nd e v e l o p m e n t ”的论文，第一次提出了形式化的 表达植物分枝状况的系统一“字符串重写系统( s 仃i n gr e w r i t i n gs y s t e m ) ”，习惯称为l 系统 ( l - s y s t e m ) ”1 。l 系统从本质上讲是用形式语言描述的字符串重写系统，它是对植物生长过程 的经验式概括和抽象，是对正规文法的扩展，是对植物生理模型进行形式化的表达方法。该 系统开始只着重于植物的拓扑结构，即植物的各个器官之间的相邻关系，后来把字符串系统 的各个符号用几何图形加以表示，能生成更逼真的植物图形，成为了植物形态结构模拟的一 般框架。l 系统表明了一个深刻道理：在复杂自然现象的背后，存在着简单的规律”1 。 l 系统在最初的定义里是一种上下文无关的形式语言一d o l 系统( d o 表示确定性与上f 文 无关) ，d o l 系统的图形一般用“龟图”( t u r t l ei n t e r p r e t a t i o n ) 模拟表示，在具体生成分形图彤 的过程中，要同时结合使用“重写规则”和“龟图”两种方法，“龟图”由s z i l a r d 和q u i n t o n 发明，后来p r u s i n k i e w i e a 和h a r m a n 对l 系统进行了扩展。“乌龟”的爬行轨迹即表示该l 系统 所产生的图形。乌龟状态由乌龟在笛卡尔坐标系的位置和方向构成。 在d o l 系统的基础上，为了能够反映植物的各个器官之间密切相关的生理特性。又产生了 “上下文相关( c o n t e x t - s e n s i t i v e ) l 系统”，称为1 l 系统。1 l 系统除了具各d o l 系统的全部表达 能力外，当采用左相关时，可以模拟植物器宫生长的先后顺序，也可以模拟植物在生长过程 中从下往上( 即从根到茎、叶等) 的信息传送。 为了克服上一r 文无关l 系统只能生成规则分形图形的局限，提出了“随机l 系统”，在保 留主要特征的前提下，出现一些细节的变化，以求得生动逼真的图形，因此它可以构造出随 机的基本符合植物生长规律的植物拓扑结构。后来，为了能够模拟植物生长过程中的时延信 息又提出了“参数化l 系统”。 l 系统也在不断扩展其功能以建立完整有效的植物模型，l 系统一直被公认为是封闭的系 统，既不能模拟植物模型之间的交互，也不能够模拟植物与周围环境的交互。因此，加拿大 学者m e s h 和p r u s i n k i e w i c z 进- - 步的扩展了l 系统，提出了能与周围环境交互的“开放式l 系统 ( o p e nl - s y s t e m ) ”，该l 系统在形式化公理和产生式中引入了一个“交流模块”( c o m m u n i c a t i o n m o d u l e s ) ，用于植物与环境两方交流信息，实现植物与周围环境的并发过程。开放式l 系统可 以模拟土壤、水肥、阳光、大气等环境对作物生长的影响，对农业科学研究有很重要的意义。 之后，p r u s i n k i e w i c z 等又提出了时变( t i m e d ) l 系统，能够生成植物生长过程的计算机动画。后 来，为了能够迸一步描述植物生长连续的过程，p r u s i n k i e w i c z 又把微分方程引入到了l 系统， 从而提出了微分l 系统( d i f f e r e n t i a ll s y s t e m ) 。该系统能够模拟植物的叶序、美丽的花朵，弯曲 的枝条，以及植物在生长过程中生疑竞争等相互影响的情况。p r u s i n k i e w i e z 等人1 9 9 4 年还以l 系统为植物形态结构的描述框架，开发了v l a b 虚拟植物系统，该系统能够实现不同类型植物 的模似。 3 西南大学硕士学位论文 第1 章义献综述 美国学者r e e v e s 在1 9 8 3 年提出了“粒子系统( p a n i c l e ss y s t e m ) ”的建模方法粒子系统是 一种为“模糊”对象( 比如火焰、云、水等) 进行建模的方法。该方法采用了一套完全不同于 以往造型、绘制系统的方法来构造和绘肯q 景物，景物被定义为由大量随机分布的粒子集台组 成，由诸多粒子的集合而不是个别粒子形成了景物的整体形态和特征以及动态变化”。粒子系 统方法的基本思想是将许多简单形状的微小粒子作为基本元素聚集起来，形成一个不规则的 模糊物体，从而构成一个封闭的系统一粒子系统，在一定时间内，每个粒子都会经历产生、 移动、变化和死亡过程。其最终模型是能够移动、变形的动态模型。为使粒子系统所表示的 景物其有良好的随机性，与粒子有关的每一个参数均将受到一个随机过程的控制。粒子系统 方法的这一特征使它充分体现了不规则模糊物体的动态性和随机性，很好地模拟了火、云、 水、森林和原野等自然景物。 r e e v e s 还提出了一种结构化的粒子系统，用该方法成功的描述了树木、草地等复杂的景物。 粒子系统的粒子不再独立，系统更加结构化，在生成对象的时候，不但绘制粒子本身，粒子 运动的轨迹也要描述，所以可以描述树叶等模型，但是树的主干及较大的分支采用传统的几 何造型。该方法不适合描述植物的生理形态结构，但可以用于描述数量较多的场景，比如森 林、草地等。 g r e e n e 提出了一种基于体元素空间( v o x e ls p a c e ) 的方法。所谓体元素空间是把一块三维空 间区域细分为若干小立方体( c u b e ) ，每一个小立方体是一个体元素。植物模型根据它们在元素 空间中相交、相邻、碰撞等关系在体元素空间中“生长”。能实现植物与障碍物之间的碰撞 检测，将植物的各个枝条在空间中所经过路径和周围环境都用体元素近似表示并编号标记出 来。根据体元素的编号，可以检测植物与周围的环境是否占用了相同的空间，实现了植物与 障碍物的碰撞检测，可以模拟蔓生植物沿着墙壁生长等现象。 d e r e f f y e 等提出了“参考轴技术”的植物形态发生建模方法，该方法基于“有限自动机 ( f i n i t ea u t o m a t i o n ) ”来描述植物形态，用随机过程的马尔可夫链理论以及“状态转换图( s t a t e t r a n s i t i o ng r a p h ) ”方式来描述植物的生长模型。该模型有两个方而的特点，第一个特点是该模 型能够很真实反映植物的生长模型，该模型包含了植株架构的生理知识：比如植物如何向空 中延伸叶、花朵和果实如何分布等生长状态。第二个特点是该模型能够可视化地表现植物 生长的各个阶段。g o d i n 等在此基础上提出多尺度意义下的植物拓扑结构模型( m t g ) ，这种模 型能够以不同时间尺度描述植物的拓扑结构。 1 9 9 5 年在计算机图形年会上美国学者j a s o n w e b e r 提出了一种只重视树木外观的几何形状 的建模方法，该模型定义了约二十多个参数，利用这参数能构造出与样本十分类似的几何图 形。如对植物的每个枝条设定两个偏转角度，枝条的前半段和后半段分别以不同的偏转角度 向下和向上偏转，这样能模拟s 型枝条弯曲形状。为了模拟枝条弯曲的随机性，还可以对每一 段加入随机偏转量，利川这些参数和该模型给出的多分辨率模拟算法的一种简化算法，大片 森林背景可以得到实时的绘制。这种建模方法注重视觉效果的真实感，并不严格遵循树木的 4 生理结构，可以被一般的用户采用，除了一定的基本几何知识外，不需要太多数学和生物学 的基础。 迭代函数系统( i f s ) 是分形绘制的典型方法，通过若干仿射变换，将整体形态变换到局部。 早期b a r n s l e y 与d e m k o 应用i f s 方法生成了自相似性极强的蕨类植物叶片，之后b a m s l e y 等发展 了“再现迭代函数系统( ( r e c u r r e n t i f s ) ”方法。该法在自相似性生成方面更为灵活，可以体现 植物体局部之间的不同自相似性。 1 9 9 1 年，p r u s l n k i e w i c z 与h a m m e l 发展了一种称为“语言约束式迭代函数系统 ( l a n g u a g e - r e s t r i c t e di f s ) ”方法，该方法通过加入变换顺序的约束条件，可以通用地概括各类 不同的i f s 方法。 b l o o m e n t h a l 定义了一些可绘制真实感较强植物图形的参数，如枝条的弯曲参数，树皮纹 理的生成等。在绘制较粗的树木枝干时，为了形象逼真，通常把真实植物的一段枝干的纹理 处理成数字图片，通过纹理映射的方法，绘制树皮纹理。 v i e n n o t 提出了模拟植物结构的分枝矩阵模型 ( r a m i f i c a t i o nm a t r i x ) 。用矩阵来描述植物分枝节点的个数 和彼此之间的关系，加上自定义的一些几何结构参数并通 过迭代产生植物的分形结构。 l i n t e r m a n n 等提出了基于功能图符的交互式植物构造 模型，并应用于x f r o g 软件，该模型以整个枝条单位构造 植物，虽然不符合植物的实际生长特点，但作为一个纯图 形学意义l 的植物构造模型，参数输入方法，容易操作。 图1 - 2 是i 扫x f r o g 软件生成的植物图。 其它植物构造模型和方法还有如s 。i l h 提出的正规文 f e 旧1 - 1 2 2 厍t jh x 。f = 尝尊：嚣2 銎 法方法，该方法基于形式语言的并行重写算法，类似于l 系统。以及w i n f r i e d 和b r a n i s l a v 提出的基于规则的形式化语言，随机敏感生长字符( s t o c h a s t i c s e n s i t i v eg r o w t hg r a m m a r s ) 。该方法用来描述正在变化的森林植物形态。考虑了植物在生长过 程中内部和外部的因素的影响，以系统的方式去产生树结构的三维模拟，利用功能参数以及 字符的格式可对结构模型进行详细地描述”1 。 另外应用三维数字化方法等测定植物的形态结构数据后。直接应用这些数据建立虚拟植 物静态模型，模型可用来研究与植物空间结构相关的性质，女f l s i m i t h 等人依据测量数据，实现 了猕猴桃形态结构的三维重建。i v a n o v 等依据采集的数据，建立了玉米冠层模型。依据该模型 研究人员可以从任意角度来观察玉米冠层，分析其结构特征。 虚拟植物技术在国内起步较晚，研究的机构较少，其主要的研究机构有：中国科学院自 动化技术研究所与法国c i r a d 公司的a m a p 实验室联合合作研发机构，以及中国农业火学等。 前者侧重于可视化技术研究，后者侧重于植物模型研究。 西南大学硕士学位论文 第l 章文献综述 中科院自动化所中法实验室从1 9 9 7 年开始进行了虚拟植物生长的合作研究。其研究基础 主要是基于a m a p 公司的虚拟植物生长方法，系统采用了参考轴技术和双尺度自动机模型。 a m a p 用于模拟植物生长软件主要有两部分核心的技术。第一部分是如何表达植物各个器官的 拓扑结构，植物器官在空间中定位的几何信息被储存起来，它包含了植物生长原理、外界环 境对植物生长的影响、植物之间竞争和互利机制对植物群落生长的影响等方面。第二部分是 植物的各个器官的建模( 比如根、茎、叶、花瓣和果实等) ，它是进行虚拟植物生长建模的 最小单元，它是进行第一部分的基础。中国科学与技术大学赵星博士在其博士论文研究期间， 提出了一个植物形态发展模型，包括： ( 1 ) 提出了一种植物形态发生模型一“双尺度自动机 模型”。( 2 ) 提出了忠实于植物实际生长状况的植物生长模型一概率模型。( 3 ) 对虚拟农 作物生长的方法和过程进行了探讨。( 4 ) 基于双尺度自动机模型的植物枝条弯曲算法”“。 随着计算机硬件水平的迅速发展和各种植物建模理论的成熟，世界各国科研人员研制出 了许多优秀的植物建模软件，根据应用背景不同，也可以归结为两大类： ( 1 ) 应用于农林业研究的软件 这类软件的共同特点是需要对植物的生长发育进行长期、大量的测量。根据所测得的数 据拟合表现出植物各种生k 参数的变化规律，建立植物生长发育计算机模型，并结合其它植 物的生态生理模型，定量地模拟植物的生长发育过程。2 0 世纪7 0 年代初，美国农学家建立了 初步的棉花生长模拟系统，并于8 0 年代发展了著名的g os s y m ( g o s s y p i u ms m u l a t i o nm o d e l ) 模型，这是一个以生态生理模型为基础的应用软件。它包括了棉花地上部分的生长发育和产 量形成，光合作用的积累和分配，棉花根系生长以及氦素、水分的吸收和利用等一系列机理 性模拟。之后，该软件与c o m a x 相结合，增加了棉花管理操作方面的内容，如种子播期、 种植密度、施肥灌溉等。c o r o n p l u s 是在g os s y mc o m a x 软件的基础上发展的新的棉花管 理系统。它可实时地计算并显示出单株棉花的生长发育、形态发生和产量形成，以及土壤剖 面水分、氮素、氨和有机质等的变化。以上这些软件在实际应用中已经取得了可观的经济效 益。 v i r t u a lp l a n t s 是澳大利亚研究者开发的应用软件，主要用于模拟棉花、大豆等农作物的生 长过程和病虫害对植物生长的影响，研究棉花和虫子之间交互作用。但目前该软件只能定性 地模拟，应用于农林业生产还有相当的距离。 我国潘学标等于1 9 9 6 年开发的c o t g r o w 棉花生产管理系统是融气象、土壤等环境条件 和栽培管理措施为一体的棉花生长