（农业生物环境与能源工程专业论文）芦苇茎叶生长模型及其可视化研究.pdf

江苏大学硕士学位论文 摘要 虚拟植物是应用计算机模拟植物在三维空间中的生长发育状况，是虚拟现实 技术在农业领域的应用。生长模型和可视化技术是它的核心内容，生长模型反映 植物形态结构的动态变化，可视化技术反映现实植物的形态结构。本文主要以北 固山湿地优势植物芦苇作为对象，在大量试验观测基础上研究并建立芦苇茎叶的 生长模拟模型，设计开发出芦苇茎叶形态变化可视化系统，对芦苇茎叶在不同参 数条件下的生长进行了模拟，从而通过直观的可视化方式为湿地芦苇植物生长发 育状况的分析和预测提供理论依据。 本文的主要工作包括以下内容： ( 1 ) 建立植株茎叶形态发生模型 在分析芦苇植株器官形态结构特征基础上，基于试验观测数据建立茎的生长 模型及叶的形态模型。茎的模型主要是通过对实验数据的曲线拟合获得；叶的形 态模型包括叶脉曲线数学模型和叶片轮廓模型，基于物理学理论，通过一些反映 芦苇生物学意义的参数而建立的。 ( 2 ) 建立植株拓扑结构模型 基于双尺度自动机原理建空芦苇的拓扑结构模型。结合芦苇的形态发生模型 和动态生长模型，计算不同生理年龄植株的器官个数，并利用双尺度自动机理论 得到模拟植株不同位置各器官形态变化以植株的生长发育过程。 ( 3 ) 可视化系统设计与实现 基于面向对象的程序设计方法，采用模块化编程，对芦苇生长进行了可视化 实现。通过相关生长参数参数控制芦苇形态结构变化，对不同生理年龄植株生长 进行了可视化模拟。 关键词：虚拟植物，芦苇，生长模型，双尺度自动机，可视化 江苏大学硕士学位论文 v u m a lp l a n ti sas i m u l a t i o no f p l a n tg r o w t ha n dd e v e l o p m e n ti nt h e3 - ds p a c e sb y ac o m p u t e r , i ti st h ea p p l i c a t i o no fv i r t u a lr e a l i t yt e c h n o l o g yi nt h ef i e l do fa g r i c u l t u r e i t m a i n l yc o n t a i n st h eg r o w t hm o d e la n dv i s u a l i z a t i o nm o d e l ，t h ep l a n tg r o w t hr e f l e c t st h e d y n a m i cc h a n g e sa n dv i s u a l i z a t i o nm o d e lr e f l e c t sp l a n tm o r p h o l o g yi nt h er e a l i t i e s t h e d i s s e r t a t i o nd e v e l o p e dt h eg r o w t hs i m u l a t i o nm o d e lo fd o m i n a n tp l a n tr e e di nb e i g u m o u n t a i na f t e rd o i n gl o t so fe x p e r i m e n t s ，a n dt h ec o r r e s p o n d i n gv i r t u a lp l a n ts i m u l a t i o n m o d e la sw e l la si t sv i s u a lm o d e la l ea l s of o u n d e d , d e s i g nd e v e l o p e dr e e dl e a f m o r p h o l o g yv i s u a l i z a t i o ns y s t e m ，r e e ds h o o t so fd i f f e r e n tp a r a m e t e r si nc o n d i t i o n so f t h eg r o w t ho ft h es i m u l a t i o n , s ot h r o u g hi n t u i t i v ev i s u a la p p r o a c ht ow e t l a n d sr e e dp l a n t g r o w t ha n dd e v e l o p m e n ts i t u a t i o no ft h ea n a l y s i sa n dp r e d i c t i o nt h e o r y t h em a i nr e s e a r c hw o r ki nt h e p a p e ra r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) c o 船帆l d i n gt h em o r p h o g e n e s i sd e v e l o p m e n t a lm o d e lo fr e e d f i r s tt h i sp a p e rs t u d i e sm o r p h o l o g ys t r u c t u r eo ft h er e e do r g a n s ，t h e nt os e tu pt h e s t e mg r o w t hm o d e l ，t h el e a fs h a p em o d e l t h es t e mm o d e li sm a i n l yg a i n e df r o mt h e c m v ef i t t i n go ft h e e x p e r i m e n t a ld a t a ；t h el e a fs h a p em o d e li n c l u d e sv e n a t i o n m a t h 删m o d e l sa n db l a d ep r o f i l eo l i v em o d e l ，w h i c hi sf r o mt h ep e r s p e c t i v eo f p h y s i c s ，a p p l i e s t h er e l e v a n tp h y s i c s , u s i n gas m a l la m o u n to ft h e b i o l o g i c a l s i g n i f i c a n c eo fh a v i n gd e a lp a r a m e t e r se s t a b l i s h e d ( 2 ) c o n s t r u c t i n gt h et o p o l o g ys t r u c t u r em o d e lo ft h er e e d t h et o p o l o g i c a ls t a u c t u r e s h a p e sb a s e do nt h ep r i n c i p l eo ft h ed u a l 一8 c l l e a u t o m a t i o n , t h e ni tc o n n e c t st h es h a p ea n dd y n a m i cg r o w t hm o d e l t w om o d e l s c o m b i n e d , i ti sp o s s i b l et oc a l c u l a t et h ed i f f e r e n ts t a g e so fp l a n tp h y s i o l o g i c a la g eo ft h e p l a n to r g a n sn u m b e ra n du s e t h ed u a l - s c a l ea u t o m a t i o n t h e o r yl o c a t i o n sp l a n t m o r p h o l o g i c a lc h a n g e st 0s i m u l a t et h ee n t i r ep l a n tg r o w t h ( 3 ) d e s i g na n dd e v e l o p m e n to ft h ev i s u a l i z a t i o ns y s t e m o b j e c t - o r i e n t e dp r o g r a md e s i g na n dm o d u l a rp r o g r a m m i n g , t h eg r o w t ho fr e e d v i s u a lr e a l i z a t i o ni sa c h i e v e d t h r o u g ht h er e l e v a n tg r o w t hp a r a m e t e r st 0c o n t r o lr e e d m o r p h o l o g ys t r u c t u r ec h a n g e ，i ts i m u l a t e st h ed i f f e r e n tp h y s i o l o g i c a la g eo fp l a n tv i s u a l g r o w t h k e y w o r d s ：v i r t u a l # a n t , r e e d , g r o w t hm o d e l ，d u a l - s c a l ea u t o m a t i o n , v 蛐t i o n 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权江苏大学可以将本学位论文的全部 内容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 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 保密口，在年解密后适用本授权书。 不保密口。 学位论文作者签名：窿梅烫 7 研年6 月f ；日 iy， 石1 么赵蛔 签 占 j y 1 1 一 狲 侔 尉 岬 乜日p 榭 矽 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究工作所取得的成果。除文中已注明引用的内容以外，本论 文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文 的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本 人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：雀梅荧 日期：刃0 7 年月1 3 日 江苏大学硕士学位论文 1 1 研究背景 第一章绪论 湿地与森林、海洋一起并称为全球三大生态系统。其中，湿地是自然界最富 生物多样性【1 】和具有最高生态功能【2 l 的生态系统，因此被誉为“地球之肾”。由于 对湿地的破坏和不合理的开发利用，导致湿地面积日益减少、生物多样性丧失、 功能和效益衰退，严重危及湿地生物的生存，制约人类社会经济的发展。湿地植 被是湿地生态系统的基本组成部分，又是湿地结构功能的核心。湿地植被的结构、 功能和生态特征能综合反映湿地生态环境的基本特点和功能特性【3 】。湿地植被既是 湿地化过程中形成的湿地生态系统的一部分，反过来又作用于环境，对环境产生 一定影响。因此，研究湿地植物及其生长规律对于湿地恢复和重建至关重要。 芦苇是湿地常见的优势作物，在全世界分布广泛，由于它们本身具有有性繁 殖和无性繁殖能力，对环境适应能力特别强，一旦入侵，便可迅速的占领形成群 落。芦苇是多年生根茎植物，具有发达的根状茎，扩张能力和适应性都很强，对 土壤要求不严。在较短时间内能发展成为优势群落，是固江河堤坝、固沙、防止水 土流失、防汛的重要植物材料；芦苇素有“第二森林”之美称，芦苇的蒸腾系数 为6 3 7 8 6 2 ，也就是生产1 0 0 0 k g 芦苇需要通过茎叶向大气散发7 0 0 , 0 0 0 k g 左右的 水分，对改善环境，调节小气候有着很大的作用1 4 】；芦苇对工农业污水中的有毒有 害物质有较强的吸收和吸附能力，江行玉等人研究表明，在镉含量为3 m o l l 的污 水中，芦苇幼苗没有表现出明显受害症状，芦苇对处理镉含量较高的污水具有很 大的应用价值翻，芦苇对n 、p 和c o d 的处理率也很高，并且芦苇也是人工湿地 处理污水首选的一种植物。 因此，本文结合国家8 6 3 重大专项“生态堤滨江带湿地系统修复和污染控制 技术与示范”，以镇江北固山湿地的优势作物芦苇为研究对象，通过大量试验观测， 对芦苇的生长发育进行研究，并根据虚拟植物理论，建立芦苇茎叶形态发生模拟 模型及可视化模型，在计算机上实现芦苇生长过程的动态模拟，为湿地生态修复 和保护、维护湿地生物多样性等方面提供理论指导和技术基础。 江苏大学硕士学位论文 1 2 虚拟植物及其研究意义 “虚拟植物”是指采用“虚拟现实”技术实现植物生长发育过程的计算机再 现，通过形象直观的方式反映现实植物形态结构变化。虚拟植物对于研究生物工 程、农作物育种栽培、环境调控和病虫害管理等领域具有重要意义旧。 虚拟植物主要包括虚拟植物模型的构建和可视化的实现两个方面。从虚拟植物 在各相关领域的应用来看，虚拟植物模型大致分为静态模型和动态模型两大类p 朋。 静态模型是在分析植物形态结构基础上，研究与植物结构有关的生理生过程，该类 模型从计算机图形学的角度上真实地模拟植物的外观形态；动态模型是基于对植物 生长过程中拓扑结构演变和几何形态变化规律的研究，用以反映植物生长发育过程 中的规律，它着重于从反映植物生长机理的角度来真实地对植物生长过程进行模拟。 动态模型的构建以植物学理论为基础，反映与植物生长相关的特性或规律。 虚拟植物可视化是将植物模拟模型运算产生的大量数据信息以图形或图像的 方式显示给应用者，是科学计算可视化的应用与实现。对于虚拟植物可视化的实 现，首先要解决的问题是数据的处理及算法的设计，这也是设计、实现可视化的 关键。植物生长是一个复杂的过程，它受到气候、环境、管理措施和自身遗传特 征等多种因素的影响川。按照发育的过程可分为多个阶段，按照形态又可分为根、 茎、叶、果实等多个部分。虚拟植物模型正是根据这些综合因素，应用模拟技术 对作物生长过程进行抽象和简化，应用计算机软件对作物的整个生长周期进行模 拟计算，最终得出模拟结果。虚拟植物模型运行会产生大量数据结果，这些数据 般以表格和图形的形式输出给用户，结果不够直观，其长势只能通过数据分析 得到，而虚拟植物可视化的实现将把模拟的全过程以图像的方式输出，植物生长 情况和环境变化情况清晰地显示在屏幕上。虚拟植物可视化为植物生长研究提供 了一种直观、迅捷的科学研究方法。它可以帮助研究者通过图形方式来更有效地 观察与解释植物生长中的结构、功能、生长发育、进化、分布等各种规律，增强 对问题的洞察与见解能力，并加快模型验证工作。 虚拟植物在计算机动画、电影制作、建筑设计、虚拟现实技术实、计算机辅 助教学、农林业和植物生态等方面都有重要的应用。例如：在人工生命领域，生物 学家希望借助虚拟植物更方便地研究植物的生长规律；在建筑环境的整体规划、 园林的景物布局设计、虚拟环境中的自然景物生成以及艺术造型等领域也有重要 2 江苏大学硕士学位论文 的应用。特别是将虚拟植物( 农作物) 技术应用于农业研究更具有重要意义。 通常虚拟植物生长研究的应用大致可以分为以下三类 s l ，具体如下： ( 1 ) 农林业方面的应用：虚拟植物技术加速了精确农业的发展。在虚拟植物 模型中，应用计算机图形学方法模拟光线在植物冠层内的传输，反射和透射等， 就能精确计算每个叶片的光截获值，而其可视化特征，使得我们可以非常直观地 对农田、森林等复杂的生态系统进行研究。除此之外，虚拟植物不只局限于模拟 植物表面假设过程，它还可以具体表现任何受植物结构影响的实测或者假设过程， 如水分、养分、光照、昆虫在植物表面运动及其对植物体造成的影响。此外，应 用虚拟植物可以在不破坏真实植物的情况下进行研究，通过调控周围环境状况来 促进作物生长，达到高产的目的。在教学和农业科技推广领域，可以使学生和农 民在计算机上种植虚拟作物和虚拟农田管理，从任意角度甚至在作物冠层内漫游， 观察作物生长状况和动态过程，并可改变环境条件和栽培措施，直观观察作物生长 状况的改变和最终结果。这样可取得传统方式无法达到的效果，特别对农民而言， 使他们更易掌握先进的农田管理技术。 ( 2 ) 图形图像方面的应用：虚拟植物的形态结构可以以植物不同部分的数据、 位置、大小、表面积、附着角度、年龄和相互的拓扑连接关系等形式输出，也可 以被概述为直观、真实的或示意性的图像或模拟时间序列摄影的动画。这些图形 图像可以被应用于计算机教学、商业( 网络花卉、盆栽植物销售、美术设计等) 、 计算机辅助园林和景观设计、计算机动画、游戏、影视和虚拟现实等领域。 ( 3 ) 荒山改造、美化环境等方面也得到了一定的应用：近年来，由于人类对 树木、森林、植被的破坏，导致气候日益恶劣，沙漠化程度日益加剧。因此，我 们可以通过遥感图像分析、荒山土质分析、植物品种分析；虚拟模型预测所栽植 物数年后的生长状况，从而确定所采用的栽种密度、品种搭配。以此进行荒山改 造，环境美化。 1 3 国内外研究现状 1 3 1 国外研究状况 在计算机上模拟植物的生长起源于二十世纪六十年代。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 3 江苏大学硕士学位论文 植物建模的思想【9 】。 1 9 6 8 年，美国生物学家l i n d e n m a y e r 提出了l 系统。作为植物形态建模的一 般框架。从此，植物生长模拟吸引了许多计算机科学家、植物学家以及数学家，他 们提出了许多生成植物图形的方法和模型。自此，l 系统便成为植物生长建模的方 法之一【埘。 为了建立完整有效的植物模型，科学家们发展和完善了l 系统，使其功能不 断扩展。现在已从开始的只能模拟理想条件下植物生长的d o l 系统、随机l 系统、 参数化l 系统、d i l 系统发展到能模拟处在复杂环境条件影响下的植物生长的开 放式l 系统、时变l 系统、微分l 系统，采用动画技术还可以实现植物生长的动 画模拟【n 】，图1 1 为l 系统生成的植物，它表示不同的环境下生成的植物形态。 后来研究学者又提出迭代函数系统 i t e r a t e df u n c t i o ns y s t e m ) ，它比较适合模拟植 物的形态，不适合模拟植物的生长【1 2 1 。 图1 1l 系统生成的植物 a o n o 等提出了构造植物形态的a 系统【1 3 1 ，该模型针对早期l 系统不能生成复 杂三维枝条结构的缺点，提出g m t l g m t 4 等四种几何结构模型。通过设置分 枝角度以及植物分枝结构的一些特征( 如轴分枝结构、合轴分枝结构等) ，能形象 地模拟多种植物形态结构，但是不能产生与时间相关的生长序列，反映不了植物 潜在形态。 r e e v e s 在1 9 8 3 年提出了一种随机模型，称之为粒子系统方法【悼1 6 1 ，用以模拟 一类模糊动态物体，基本思想是把模糊物体看成众多粒子组成的粒子团。各粒子 均有自己的属性，如颜色、形状、大小、生存期、速度等。粒子随时间移动而改 变形态，粒子的位置、属性和动态性则通过随机过程来模拟，从而实现“粒子系 统”。这种方法主要用于模拟自然环境中远处的树群和草地、花丛、烟云。它擅长 描述随时间变化的物体对象，不适合表现个体植物的形态结构，所绘制的树木看 4 、瞄 v 毫似 江苏大学硕士学位论文 起来有比较明显的人造痕迹，如图1 2 所示。 图1 2r e e v e s 生成的草地 随后d er e f f y e 等研究人员提出了自动机模型( 又称为参考轴技术) 【1 7 埘，是一 种模拟植物生长的典型随机过程方法。它使用马尔可夫链理论和状态转换 ( s t a t e t r a n s i t i o ng r a p h ) 来描述植物生长发育及死亡等过程。该模型能很好地模拟植物轴 上分生组织的活动，已经成功地应用于植物生长模拟系列软件a m a p 中。g o d i n 等在此基础上提出了多尺度意义下的植物拓扑结构模型( m i g ) ，这种模型能够以不 同时间尺度描述植物的拓扑结构。这种建模方法物理意义明确、数据输入简单、 过程分析直观。 随着各种植物建模理论的成熟，计算机硬件的飞速发展和数据采集能力的提 高，虚拟植物的可视化也有了快速的发展，许多国家涌现出优秀的建模软件。o n x y 公司利用其开发的t r e ec l a s s i c 和1 r i 唧巳p r o l 啊强i m q a l 软件生成了具有一百 多种常见植物的三维植物图形库。u s d a 研究机构基于棉花生理生态的建模方法 开发出了棉花生长过程管理专家系统。澳大利亚的研究机构c e n t r ef o rp l a n t a r c h i t e c t u r ei n f o r m a t i c s 基于l 系统建模方法开发了v i r t u a lp l a n t s 软件，模拟棉花、 大豆、玉米等农作物以及植物根系的生长，病虫害对植物生长的影响。加拿大 c a l g a r y 大学基于l 系统建模方法和利用少量植物学的知识开发出了c p e g 软件， 它能再现灭绝的树种，并成功的应用于辅助景观设计和植物学教学【切。法国c i r a d 开发的a m a p 系列软件在植物生长机理模型与可视化模型方面取得了显著的进 展。该软件包括了若干个子系统软件，每个子系统软件完成不同的功能，并对数 据库中的数据进行提取，以表格的方式显示出来，从而可与描述植物概率模型产 生的植物生长参数曲线进行比较、验证和调整模型阻2 1 1 。如图1 3 所示是模拟得 到植株在第5 年、1 5 年、2 0 年、4 0 年后植物的生长发育情况。 5 江苏大学硕士学位论文 图1 3 植物在5 年、1 5 年、2 0 年、4 0 年后生长发育情况 1 3 2 国内研究现状 虚拟植物生长的可视化研究在国内起步较晚，研究的机构较少，根据我们所 得到的信息，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，以及中国农业大学等研究机构，前者侧 重于可视化技术研究，后者侧重于植物模型研究圈。 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。伍怡等人以p c 机为平台，利用v c 十+ 开发了可产生通用器官的二维图形符号，并能用0 p e n 6 l 进行三位可视化的软件 ( a m a p o r g n n ) s , 2 a - 2 4 1 。中国科技大学的赵星博士在其博士论文研究期间，提出了 一个忠实于植物学的“双尺度自动机模型”。该方法基于植物的生长机理，根据植 物的生理年龄来组合植物的生长参数，以更为简便、通用的图形方式来表达各种 植物的构造模型。该模型包含微状态和宏状态两种尺度的状态，其中以微状态对 应植物的叶元，宏状态对应植物的生长单元。以生理年龄归类植物各状态的属性， 并利用自动机理论，组织各状态之间的运转关系。该模型根据植物芽的生长特点， 提出了模拟植物生长的概率模型，能够产生出比较符合植物实际生长状况的随机 结构瞄j 。耿瑞平等基于状态空间理论，将植物的生长视为状态空间中状态矢量的 运动过程，提出了一种新的枝条生长与形态生成模型，为模拟植物生长提供了一 种新的解决方法闭。一些学者用三维数字化方法来建立虚拟植物模型方面也进行 6 江苏大学硕士学位论文 了一些研究工作。郭炎等人应用三维数字仪对不同生长时期的玉米冠层形态结构 进行了精确测量以后，建立了虚拟玉米的静态模型，由此分析了玉米冠层的三维 结构特征，进行了玉米群体光传输的虚拟实验 z 7 - 2 s l 。赵春江等( 2 0 0 4 ) 利用三维数 字化仪采集的数据点为基点，提出了基于形态特征参数的玉米叶片三维形态数学 模型，为相关的植物建模提供了新的思路和方法嗍。 综上所述，现有的虚拟植物模型不能很好地模拟植物外在结构与内在功能、 植物与周围环境、形态结构与生理生态之间的相互关系及相互影响。因此，在植 物与外部环境相互作用基础上，将形态发生与生态生理模型进行有机结合是虚拟 植物研究领域的热点。 1 4 本文的研究目标 本文主要以北固山湿地优势植物芦苇作为研究对象，在大量试验观测基础上， 对植株生长过程中发生的形态结构变化进行研究，并构建出芦苇的形态发生模型。 通过分析植株的拓扑组成及形态结构变化规律，建立植株拓扑结构模型。最后， 将植株生长的相关数据转换为图形信息，并基于图形技术实现植物生长信息的可 视化。 1 5 本文的主要研究内容 本文在前人的研究基础上，主要做以下几方面的研究工作： ( 1 ) 建立芦苇茎叶形态发生模拟模型。 针对芦苇节问的形态特征和生长发育特点，在大量实验观测基础上，建立节 间的形态发生模拟模型，确定模型的相关参数，并进行验证分析。基于物理学理 论建立叶片的形态发生模型。 ( 2 ) 基于双尺度自动机原理建立植株拓扑结构模型。 通过大量试验观测数据建立节间数动态变化模型。基于双尺度自动机原理， 引入生理年龄，结合植株各器官的形态结构特点构建虚拟芦苇形态模型。 ( 3 ) 基于图形技术建立芦苇茎叶可视化模型。 以v c 什为平台，结合o p e n g l 图形库，将植物生长相关信息转换为直观的图形 信息，并基于双尺度自动机原理对芦苇植株动态生长过程进行可视化模拟。 7 江苏大学硕士学位论文 第二章植物建模的相关理论基础 目前，多数学者针对植物形态采用不同方法进行建模，如模拟植株拓扑形态 时一些学者采用双尺度自动机模型、迭代函数、粒子系统和l 系统等植物建模方 法，而针对不同植物形态其建模方法有所差异。为此，本章主要概述常见的几种 植物形态建模方法及原理，为湿地芦苇形态建模及其可视化模拟奠定基础。 2 1植物建模常用方法概述 2 i 1l 系统 自从美国生物学家l i n d e n m a y c r 于1 9 6 8 年提出l 系统后1 3 0 1 ，l 系统不断完善。 l 系统起源于分形思想，它为定义植物的构型提供了新的途径，也产生了一种重要 的分形图形生成方法。1 9 8 4 年a r s m i t h 等人将l 系统引入计算机图形学，在计 算机上模拟生成各种形态的植物，显示了计算机模拟植物方而的能力，为在计算 机上实现虚拟植物的生长提供了理论和实际依据。 l 系统的构图原理较简单，l 系统通过产生一系列字符串来构造图形与曲线， 主要用来描述植物的形态和细节。通过对l 系统进行有限次迭代，产生字符串集， 然后对字符串集进行图形解释，即可生成图形。其流程如图2 i 所示，在对植物 图2 i 由l 系统生成图形的流程图 8 江苏大学硕士学位论文 进行建模时，通常植物的一个器官( 茎、叶等) 对应于l 系统的一个字符，字符串 发展过程对应植物的生长过程。目前，在对l 系统的发展应用方面，有两类常见 的l 系统扩展形式，第一类是可以和外界交互的开放式l 系统( o p e nl s y s t e m ) ； 另一类是可以表示植物器官的生长发育变化的微分l 系统( d i f f e r e n c el s y s t e m ) 。 植物同周围环境进行交互是影响植物生长的重要因素。m e s h 等人提出了开放 l 系统，采用一种框架模型模拟植物同其周围环境交互。植物同周围环境的交互 如图2 2 所示，植物与周围环境的交互在概念模型上可以认为是植物和其周围环 境彼此交互的过程，其过程包括植物内部处理和环境处理两个方面，植物内部处 理过程如下： 1 ) 感知植物器官所接受到的环境信息。通常环境信息以参数或者向量形式传 递给植物； 2 ) 植物内部处理接收到的环境信息； 3 ) 植物对接收到的信息作出反应( 例如：产生新的分支) 和向环境输出信息。 与上述植物内部处理过程相似，环境处理过程如下所示： 1 ) 检测植物的反作用； 2 ) 模拟环境内部处理过程( 例如：环境内部的物质扩散过程和光线发散过程) ； 3 ) 修改环境模块参数，并且把修改后的环境参数以植物可以感知的方式发送 给植物模块。 植物 环境 图2 2 植物同周围环境的交互 通过对植物和环境的概念模型分析，基于可以与周围环境相互交互的系统架 构，必须满足如下的要求： 1 ) 植物和环境需两个独立的但可以相互通讯的程序。这样可以和概念模型一 致，也符合结构化程序的需要，同时也可以满足分布式计算需要； 9 江苏大学硕士学位论文 2 ) 用户可以控制植物模块和环境模块之间的信息流动数量，以满足足够( 不 可多也不能太少) 的信息在两个应用程序中传递： 3 ) 植物模型应该是基于l 系统的，并且这种l 系统必须满足双向信息的传送。 开放的l 系统扩展了可以与环境感知的l 系统的基本功能，采用一个保留字 符来表示植物与其周围的环境之间的信息交互，也就是这个保留符可以有若干个 参数，参数可以被环境赋值，然后传递给植物模块，也可以被植物模块设置值传 递给环境模块。这样，环境模块也变成了一个活动过程，能够处理由植物发出的 反应。 植物模块和环境模块之间消息的确定格式需要定义在“消息描述文件”中， 这个文件是植物模块和环境模块共享的。在消息传送完毕后，应该发送个传送 结束的标记，当环境模块收到这个传送结束的标记以后，才开始进行下一步的环 境模块内部的处理操作。 植物模块向环境模块发送消息的传送机制依赖于操作系统。如在w i n d o w s 操 作系统中，可以采用管道、共享内存和信号量同步等，环境模块收到植物模块的 消息后，经过内部处理，返回给植物模块消息，消息内容包括： 1 ) 目标交流符号的地址； 2 ) 向传送模块传递参数的值。 植物进程接收到消息后，设定系统状态，由于消息中有地址，所以能够发送 到指定的交流模块，植物模块收到消息后对消息进行处理，其过程在“消息描述 文件中”定义。当植物接收到所有消息后，也就是收到了消息结束标记后，开始 显示图像，再进行下一次的迭代。 p r u s i n k i e w i c z d 等人提出了微分l 系统【3 1 】，用来模拟植物生长过程中离散或连 续的情况，微分l 系统集成了传统l 系统产生式和微分方程两种方法。其基本思 想是引入了一种数学模型，这种模型可以对植物生长过程中的平滑动画进行模拟， 把植物生长过程中离散或连续行为用统一的形式来表达，l 系统用来表达植物生长 过程中质方面的变化( 比如植物产生新分支) ，而用微分方程来表达植物生长过程 的连续性( 如植物的茎逐渐伸长) 。 微分l 系统是在参数化l 系统的基础上，通过引入连续时间流的信息来取代 一系列离散变换过程。比如，模块a ( d 只要参数w 的取值范围在定义域d 中，这 江苏大学硕士学位论文 个模块就会连续变化，若过w 的值到达了以的边界。- ，则就会触发一个产生式， 植物就会产生离散变化，此时a ( 叻就会被子孙模块替换。如果a 【叻对应的产生式 有多条，利用某条产生式要根据参数w 到达的边界l m 是属于哪一段来决定。 微分l 系统通过把微分方程引入到上下文相关的l 系统中，用来描述植物生 长过程中的器官的连续性变化的性质，是对l 系统进行植物建模的扩展，如图2 3 为用微分l 系统的图像结果，微分l 系统可以描述植物生长过程中连续变化性质。 图2 3l 系统所描述的植物连续生长过程 2 1 2 粒子系统 粒子系统方法是由w t r c c v c s 在1 9 8 3 年提出的，最早用于模拟火焰、烟雾等， 逐渐被用于生成真实感的自然景物，1 9 8 5 年b 1 a u 发展了粒子系统，用来模拟随风 飘动的花草树叶，国内学者宋万寿等人成功实现了基于粒子系统方法的火焰及树 木模拟 3 2 , , 3 3 , 4 7 1 。粒子系统是被认为迄今为止模拟不规则物体最为成功的一种图形 生成算法。其基本思想是用大量的具有一定生命的粒子图元( 例如点、小立方体、 小球等) 作为基本元素来描述自然界不规则的模糊景物粒子的创建、消失和运动轨 迹由所造型的物体的特性控制，从而形成景物的动态变化。每个粒子在任意时刻 都具有随机的形状、大小、颜色、透明度、运动方向和运动速度等属性，并随时 间推移发生位置、形态的变化。每个粒子的属性及动力学性质均由一组预先定义 的随机过程来说明。粒子在系统内都要经过“产生”、“活动”和“死亡”这三个 具有随机性的阶段，在某一时刻所有存活粒子的集合就构成了粒子系统的模型圈。 粒子系统是一个复杂的动态系统。随着时间的变化，系统中的粒子不断变化 其形状、不断运动、不断有新的粒子产生和旧的粒子死亡( 或消失) ，从而模拟动 态变化的自然景物。粒子系统采用许多形状简单的微小粒子作为基本元素来模拟 不规则模糊物体。这些微粒形状可以是椭球、小球、立方体或者其他形状。每个 粒子都有一定的生命周期，都要经过出生、成长、衰老和死亡的过程。使用粒子 1 1 江苏大学硕士学位论文 系统模拟植物的算法步骤为： 生成新的个体粒子；为新个体粒子定义初始的属性；删掉那些己经“死亡” 的粒子；根据粒子的动态属性对其进行移动和变换；绘制和显示剩余的粒予所组 成的图像。 粒子的产生数量以及每个粒子的颜色、大小、形状、透明度、运动方向及生 存期等属性均采用随机过程来控制。粒子系统的这种随机性使其在模拟动态景物 时显得十分方便和自然。第t i 帧新生成的粒子数目n u m p a r t i c l e ( x i ) 为： n u m p a r t i c l c ( t i ) = a v g p a r t i c l e ( t i ) 十r a n d 0xv a r p a r t i c l e 0 i ) ( 2 - 1 ) n u m p a r t i c l e ( t i ) 和a v g p a r t i c l e ( t i ) 分别是第t i 帧新生成粒子数目的平均值和方差。 r a n d0 是 - 1 ，1 上均匀分布的随机函数。 为了避免在屏幕上很小的投影面积内聚集大量粒子，提高算法的绘制效率， 还可以根据单位屏幕上所具有的平均粒子数s n u m p a r t i c l e 、方差v a r p a r t i c l e 及 粒子的大小s i z e 来确定进入系统的粒子数n u m p a r t i c l e ，即： n u m p a r t i c l e = ( s n u m p a r t i c l e + r a n d ( ) x v a r p a r t i c l e ) x u n i t a r e a s i z ( 2 2 ) 式中o n i t a r e a 为当前模拟景物在屏幕上的投影面积。这种方法可以有效控制粒子 的层次细节，提高粒子系统算法的运行效率。 新生成粒子的初始位置、初始速度、初始运动方向、初始颜色、形状和生存 期等初始属性都需要赋值，如粒子初始位置p o s i t i o n ( t o ) 由粒子出现的区域确定， 粒子的初始速度、初始颜色、初始透明度、生存期等属性均可以用一个通式表示： p r o p e r t y = a v g p r o p e r t y + r a n d o x v a r p r o p e r t y ( 2 - 3 ) 式中，p r o p e r t y ( t o ) 为粒子的初始速度、初始颜色、初始透明度、生存期的统称， a v g p r o p e r t y 和v a r p r o p e r t y 分别为与p r o p e r l y ( t o ) 对应的各种属性的平均值和方差。 如已知粒子在t i - 1 帧的属性值，则下一帧t i = l ，2 ，n ) 的属性值可以用下列 式子计算： p o s i t i o n ( t i ) = p o s i t i o n ( t i - 1 ) + v c l o c i t y ( t i - 1 ) xf n 一3 3 - 1 ) ( 2 - 4 ) v e l o c i t y ( n 一1 ) = v e l o c i t y ( t i - 1 ) + a v e l o c i t y x ( t i t i - 1 ) ( 2 - 5 ) c o l o r ( t i - 1 ) = c o l o r ( i - 1 ) + a c o l o r x ( t i t i - 1 ) ( 2 - 6 ) t r a n s p a r e n c y ( 3 3 ) = t r a n s p a r e n c y ( r i - l 卜a a l - a n s p a r e n c y x ( 巧t i - 1 ) ( 2 - 7 ) lifetm)=life(tf)-1(2-研 江苏大擘硕士学位论文 式中，p o s i t i o n 表示位置；a v e l o c i t y 、a c o l o r 、a t r a n s p a r e n c y 分别为粒子的加速 度、颜色变化率和透明度变化率，一般设为常数。随着时间的推移，当l i f e ( t i ) x 是完备空间( x ，d ) 上的一个映射。如果存在一个正常数e 1 0 c 的有效积温在 5 0 0 0 6 5 0 0 之间变动，且四季分明。年最大降雨量1 8 0 1 1 m m ，月最大降雨量 2 6 2 5 m m ( 1 9 7 2 7 3 ) ，年平均降雨量1 0 7 4 0 m m ，雨季集中在7 、8 、9 三个月，降 雨量总和占全年的2 0 5 0 ，年最大蒸发量1 7 5 5 9 r a m ，最小蒸发量8 4 7 m m ，平 均蒸发量1 2 7 6 7 m m ，年最大积雪深度1 4 c m ，最大冻结深度9 c m 。全年无霜期2 4 0 2 6 0 天。雨熟同季，适宜多种作物和牧草的生长，芦苇为该湿地的优势植物。 江苏大学硕士学位论文 根据镇江市水文资料的观测结果显示，该区域丰水期一般出现在7 、8 、9 月 份，水位可能达到6 7 m ，平水期一般出现在4 、5 、1 0 、1 1 月份，水位可能达到 4 5 m ，枯水期一般出现在1 、2 、3 、1 2 月份，水位在4 m 以下，潮汐性质属非正 规半日浅海潮，滩面月涨落差可达8 0 c m 。 3 2 2 采样与数据观测 对芦苇进行实验观测，先后于2 0 0 5 年3 月5 日、2 0 0 6 年3 月5 日在镇江市北 固山湿地随机选择4 株芦苇作为长期观测的样本，对样本的株长、茎高、叶长的 生长动态进行测定。根据芦苇种群的生长特性，从3 月初开始，每隔3 天，进行 一次野外观测，在6 月份之后，由于湿地涨潮，每隔一个月对芦苇进行取样，至 1 1 月份结束。主要观察生长初期、迅速生长期、成熟期等几个阶段生长状况。观 测数据为植株、茎杆和叶片等器官的形态指标。同时测量的还有叶片着生高度， 每个叶片随机选取相应的分点，并测量各个分点处的叶宽和长度，测量三个数值 取平均值。2 0 0 5 年采集的试验数据为模型建立提供数据，2 0 0 6 年的数据为模型检 验提供数据。 对于样本数据，芦苇高度用卷尺测量；各个节问直径用游标卡尺测量；叶片 的不同点的宽度及所对应的长度用直尺测量、方位角用手持量角器进行测量；温 度取自当地气象观测站。 ( 1 ) 节问观测值包括：节问序号、节问直径、节间长度、节问生长天数。由测 得的数据确定茎的形态结构，建立茎的生长天数与节问直径、节问长度之问的函 数关系。 ( 叶观测值包括：叶片序号、叶片不同点处的宽度与所对应的长度、叶片的长 度、叶片最大宽度、叶片弓高和弦长、叶片方位角、叶片的着生7 岛度；通过长度、宽 度、弓高和弦长用于描述叶片的形状；方位角和着生高度确定叶片的拓扑结构。 3 3 数据分析 3 3 1 茎生长统计结果 3 3 1 1 节间长度数据分析 根据实测数据，对茎的形态指标进行分析，由于篇幅有限，只列出有代表性 的部分数据对节问长度变化动态迸行分析，如数据表3 1 ，不同节间位置的节间长 2 n 江苏大学硕士学位论文 度生长拟合曲线如图3 2 所示。 表3 1 节间长度变化动态数据表 时间天数节间长度( a 旧 目，月( d ) 节阐1 节闻3 节问5 节间7 节问9 节问1 1 节问1 3 节问”节问1 7 节问1 9 节问2 1 表3 1 中的节问序号为从根部到顶端的节问位置编号。为了进一步分析植株 不同位置处的节间生长状况，可通过计算机曲线拟合来分析节问的生长变化规律， 从图3 2 中可以看出节间位置不同，节间的生长规律也发生了一定的变化，植株 中部的节问生长速度较快，节间长度较大；两端的节间生长较为缓慢，节问长度 相对较小。从整体来看，植株的生长符合s 生长曲线，节问的最终长度随节闻位 置的变化符合二次曲线变化趋势。为了更直观分析节间长度的生长趋势，选取几 个有代表性的节闯生长过程进行曲线拟合分析，如生长初期的节问1 、生长旺期的 江苏大学硕士学位论文 节间7 、生长成熟期的节间1 3 和生长停止期的节间1 7 。分析结果如图3 2 所示。 节间l 2 0加柏锄 生长天数 ( 8 ) 节涠7 1 0卸 柏 生长天数旧 ( b ) 节同1 3 5 0 i a如 生长天数旧 ( d ) 2 2 4 0 冒uv捌卓匣舡 莒蕈堕妲 g一趔$哩弘 江苏大学硕