基于動態(tài)生長模型的植物根系模擬研究.pdf

1、本論文主要圍繞忠實于植物動態(tài)生長模型的植物根系模擬技術(shù)展開研究與討論，在對相關(guān)理論進行分析的基礎(chǔ)上，提出了利用改進的L系統(tǒng)結(jié)合動態(tài)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)生成植物根系拓撲結(jié)構(gòu)，并引入管道模型計算根系研究所必需的參數(shù)，實現(xiàn)了植物生長發(fā)育模型和形態(tài)發(fā)生模型的有機結(jié)合。 首先，對虛擬植物的現(xiàn)有理論和方法做了較深入的研究分析和對比。在計算機上實現(xiàn)虛擬植物的生長必須有植物的生長模型，按照模型完成的功能和模擬的過程，可以將植物生長模型分為生長機(growt

2、hmechanistic)模型和可視化(visualization)模型，生長機模型是根據(jù)已知的植物體初始信息及環(huán)境因素計算出植物生長過程的各種參數(shù)或數(shù)據(jù)。該模型可以理解為是由生態(tài)生理(eco-physiological)與形態(tài)發(fā)生(morphogenetic)兩個模型組成。生態(tài)生理模型包括許多具體的生長機理模型，形態(tài)發(fā)生模型提供植物的形態(tài)信息。在形態(tài)發(fā)生模型方面，目前比較常用的方法包括：分形(fractal)方法，如IFS方法、粒子系

3、統(tǒng)和L系統(tǒng)，以及隨機過程方法如雙尺度自動機等。形態(tài)發(fā)生模型和生態(tài)生理模型的交互作用，組成生長機模型，能計算出植物在各個生長階段的生長發(fā)育狀況?？梢暬Ｐ屠糜嬎銠C圖形學(xué)技術(shù)，用二維或三維圖形形象地顯示植物的生長過程。 第二，對植物根系的生理生態(tài)特性作了一些研究，特別深入分析了是冬小麥根系的動態(tài)生長模型。準確可靠的作物生長模型是應(yīng)用于農(nóng)林業(yè)的虛擬植物技術(shù)的基礎(chǔ)，作物生長模型是借助系統(tǒng)科學(xué)利計算機技術(shù)，根據(jù)作物生理學(xué)和生態(tài)學(xué)原理，通

4、過對作物生長發(fā)育過程獲得的實驗數(shù)據(jù)加以理論概括和數(shù)據(jù)抽象，作物動態(tài)生長模型能夠動態(tài)模擬作物的生長發(fā)育和產(chǎn)量的形成過程，較準確地表達作物生長與環(huán)境因子變化之間的關(guān)系，還可以通過可控因子來調(diào)節(jié)作物的生長發(fā)育進程，預(yù)測特定環(huán)境因子下的作物產(chǎn)量等。對植物根系來說，其生長發(fā)育除受基因型的影響外，還受與其有密切關(guān)系的環(huán)境因子的影響，如溫度，光，土壤機械阻力，通氣狀態(tài)，土壤水分，土壤養(yǎng)分等。 選用冬小麥根系作為研究對象，以土壤含水量穩(wěn)定條件下

5、的動態(tài)生長模型作為基礎(chǔ)，結(jié)合根系形態(tài)發(fā)生模型實現(xiàn)根系的模擬。小麥的根系為須根系，由初生根系(primaryrootsystem)和次生根系(secondaryrootsystem)組成。土壤含水量對小麥根系在土壤中的分布有明顯的影響，所取參數(shù)分別為初生根和次生根的主根數(shù)量、最大扎根深度、側(cè)根分枝系數(shù)以及側(cè)根長度等。主根根軸的直徑及根系研究的基本要素如根重，根長，根體積等的基本發(fā)育參數(shù)由“管道模型”求出。 第三，針對傳統(tǒng)L系統(tǒng)難以

6、理解和使用及對生成的植物包括根系外觀可控性差的缺點，提出了一種利用改進的L系統(tǒng)結(jié)合動態(tài)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的植物根系模擬方法并予以實現(xiàn)。小麥的根系是樹形分枝結(jié)構(gòu)，主要由初生根、次生根、初生根一次側(cè)根、次生根一次側(cè)根組成。因為根系具有的自相似性，所以能使用L系統(tǒng)來生成植物根系。但為了結(jié)合根系動態(tài)生長模型，實現(xiàn)根系的可控生長，每次重寫要受到當(dāng)前根系生長節(jié)點所攜帶的生長參數(shù)信息所控制，依據(jù)當(dāng)前的生長條件，決定根系下一步的生長情況。這種方法保留了傳統(tǒng)的L系

7、統(tǒng)對植物根系拓撲關(guān)系表達能力強的優(yōu)點，利用動態(tài)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)存儲根系的生長參數(shù)信息，在模擬根系生長過程中，根據(jù)生長模型實時計算各參數(shù)，動態(tài)生成植物根系形態(tài)，實現(xiàn)了將根系的動態(tài)生長模型與根系的形態(tài)發(fā)生模型較好地結(jié)合，忠實地描述了冬小麥根系在不同土壤含水量條件下的生長發(fā)育規(guī)律。 第四，引入了植物根系的“管道模型”，使系統(tǒng)在模擬根系生長的同時，通過遍歷各個生長節(jié)點完成對根系各參數(shù)的計算，最后能生成根系形狀并計算出根系研究所需要的根長，根重，