虚拟植物小麦根系生长建模与研究.pdfVIP

圈 重豳豳圈 2014年第 13卷第2O期 虚拟植物小麦根系生长建模与研究 口姚 芳 曹 扬 王文永 【内容摘要】本文首先介绍了双尺度 自动机和L系统两种重要的虚拟植物建模方法，然后根据小麦根系生长特征，采用双尺度 自动机和 L系统相结合的方法构建了小麦根 系的生长模型，实现了小麦根 系动态生长模拟。 【关键词】虚拟植物；小麦根系；双尺度 自动机；L系统；生长模型 【基金项目】本文为吉林省教育厅 “十二五”科学技术研究项 目(编号：吉教科合字[2014]第420号)成果。 【作者简介】姚芳(1980一)，女，吉林工程技术师范学院硕士；研究方向：人工智能与计算机图形学 曹扬，吉林工程技术师范学院；王文永，东北师范大学理想信息技术研究院 一 、 引言 模的好处在于能够将植物拓扑结构方便地转换成计算机能够 随着计算机图形学的发展，人们一直探讨在计算机上对 识别的语言，因此，同时采用这两种方法，可以大大提高效率。 自然景物进行模拟。尤其是近年来，自然景物的计算机模拟 三、小麦根系模型的构建 一 直是计算机图形学中极具挑战性的问题之一 。植物生 (一)小麦根系结构单元划分。采用类似于植物地上部 长分为地上生长部分和地下根系生长部分。由于根系隐藏 基本生长单元划分的概念 ’，把根元作为根系的最小结构 于地下，测量技术和理论方法的局限性；另外根系没有植物 生长单元。根元上带有根尖分生组织与侧生原基，它们将来 地上部那样明显的生长标志，不容易划分根系生长的基本单 都有可能形成新的根元。以单位有效积温T0表征一个根元 元，从而难以对根系结构生长建模 。虽然研究人员已开发 生长所需的时间，称为根元生长周期。用根元的生理年龄表 了很多关于根系结构的模型 4|J，但根系的研究还是远远滞 征根系中包含的各种根个体的类型。 后于植物地上部分。 (二)小麦根系的微状态。采用双尺度 自动机模型的微 二、重要的建模方法 状态来描述根元。根元微状态的描述，采用与描述植物地上 国内外对虚拟植物的研究已经取得了一些成就，建立 了 部的叶元的微状态相对应。根元 的微状态采用带图案的矩 许多建模方法，如迭代函数，粒子系统，双尺度 自动机和 L系 形表示根元，带图案的圆表示侧根原基，如图1所示。 统等。其中两种比较重要的方法：双尺度 自动机和L系统。 ／ 侧根原基 、 (一)双尺度 自动机。双尺度 自动机是采用 “微状态”和 、 “宏状态”两种尺度的自动机模型。在模拟植物的生长过程 时，一般以一定的时间间隔和一定的单位尺度模拟 J。由于 根元 叶元是植物的分生单位 ，因此在双尺度 自动机模型中，用微 圈1 地下部根元的微状态 状态代表叶元 ，作为模拟的最小单位。用宏状态代表生长单 元，由于生长单元 由叶元组成，因此宏状态由微状态组成。 双尺度 自动机模型通过这两种状态的组合和循环模拟植物 的生长过程 ，生成植物的拓扑结构。 (二)L系统。L系统理论是美国生物学家 Lindenmay- erL6于 1968年提出的，其实质上是一个并行重写系统。通过 对植物对象生长过程经验式概括和抽象，构造公理 (初始状 态)与产生式集 (描述规则)，对字符串进行有限次迭代，能生 成复杂图形。为建立完整有效植物模型，L系统不断扩展功 图2 裹示包含两个微状态的宏状态 能。早期L系统简称为确定型L系统，利用 “乌龟行走式解 植物地下部的自动机模型描述中，规定微状态的生理年 释算法”模拟简单规则分形几何图形。随后出现的随机L系