計(jì)算機(jī)科學(xué)與生命科學(xué)第三講

1、計(jì)算機(jī)科學(xué)與生命科學(xué)（3）計(jì)算機(jī)與植物學(xué)2014年秋季學(xué)期通選課程上課時(shí)間：周一 19:00點(diǎn) 上課地點(diǎn)：軟件園4區(qū)402d主講人：魏天迪講義網(wǎng)址：http://www.mbtech.sdu.edu.cn/biocomp/,我國(guó)植物學(xué)的發(fā)展歷史,醫(yī)圣李時(shí)珍在小的時(shí)候就聽(tīng)爺爺說(shuō)在武當(dāng)山天柱峰上有一種神奇的花，名為曼陀羅，是“醫(yī)藥和毒藥共用之物，人神魔三界共愛(ài)之花” 。人們一見(jiàn)到它就會(huì)情不自禁的又唱又跳。但可惜的是爺爺一生也未

2、找到。后來(lái)李時(shí)珍歷經(jīng)千辛萬(wàn)苦找到了曼陀羅，并親自服用以驗(yàn)性能。在《本草綱目》中記下了“割瘡灸火，宜先服此，則不覺(jué)苦也”。 后來(lái)，曼陀羅被古人用于制做“麻醉散”、“蒙汗藥”、“吐真劑”、“春藥”。李時(shí)珍之前，根據(jù)民間的經(jīng)驗(yàn)曼陀羅毒可通過(guò)服用大豆來(lái)解。然而，李時(shí)珍當(dāng)時(shí)通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明，曼陀羅毒僅僅用大豆來(lái)解效果不明顯，大豆和甘草同時(shí)服用更有效。,金庸《神雕俠侶》中描寫(xiě)的絕情谷中的情花即是曼陀羅。化解情花毒有兩種方法：其一，服用“

3、絕情丹”；其二，服用“斷腸草”。 由于曼陀羅花獨(dú)特的外形，佛教視之為整個(gè)宇宙的萎縮模型，代表了宣傳平等的宗教思想。,我國(guó)植物學(xué)的發(fā)展歷史,曼陀羅花,植物學(xué)的分支,植物形態(tài)學(xué)：研究植物從細(xì)胞到器官的形體和結(jié)構(gòu)，又細(xì)分為植物細(xì)胞學(xué)、解剖學(xué)、組織學(xué)、胚胎學(xué)等。植物生理學(xué)：研究植物各部分或整體的功能和行為，其中一個(gè)重要組成學(xué)科為植物化學(xué)，研究植物生命過(guò)程中化學(xué)組成、變化、代謝的化學(xué)產(chǎn)品。植物遺傳學(xué)：研究植物的種質(zhì)和遺傳、變異等

4、現(xiàn)象，與植物的進(jìn)化密切相關(guān)。植物生態(tài)學(xué)：研究植物與環(huán)境的關(guān)系，與上述的植物生理學(xué)密切相關(guān)，還包括植物地理學(xué)、植物和地表關(guān)系學(xué)、植物社會(huì)學(xué)（植物群落學(xué)）。植物分類學(xué)：研究植物的分類和命名，和它們的系統(tǒng)演化。,計(jì)算機(jī)在植物學(xué)中的應(yīng)用：植物形態(tài)模擬（虛擬植物）、植物功能模擬、植物分類學(xué)應(yīng)用、植物學(xué)實(shí)驗(yàn)中數(shù)據(jù)處理。,計(jì)算機(jī)模擬植物形態(tài),虛擬植物是利用計(jì)算機(jī)制作出來(lái)的栩栩如生的仿真樹(shù)木、花草等。虛擬植物的研究始于20世紀(jì)80年代。虛擬植物的特

5、征主要有以下幾點(diǎn)：,主要面向植物的形態(tài)結(jié)構(gòu)。形態(tài)結(jié)構(gòu)指的是植物地上部分和根系在三維空間中的占據(jù)方式，包括器官在植物個(gè)體上的排列方式、幾何形態(tài)、空間伸展方式。目前，也有少部分將植物形態(tài)與功能項(xiàng)目聯(lián)系起來(lái)的研究，但重點(diǎn)還是在形態(tài)上。研究對(duì)象是個(gè)體而非群體。 以植物的器官為最基本的尺度來(lái)模擬植物個(gè)體的生長(zhǎng)發(fā)育規(guī)律，并基于植株個(gè)體之間的相互作用來(lái)推測(cè)植物群體的生長(zhǎng)。建立的模型是三維的。一些動(dòng)畫(huà)片、廣告中的三維植物動(dòng)畫(huà)雖然視覺(jué)上很逼真，但不是

6、從植物形態(tài)結(jié)構(gòu)的定量描述的基礎(chǔ)上建立的。虛擬植物要求反映植物生長(zhǎng)的客觀規(guī)律，而不僅僅是視覺(jué)上的相似。,虛擬植物的研究方法：對(duì)不同生長(zhǎng)條件、不同生育階段的植物進(jìn)行定性觀察，判別其生長(zhǎng)模式，確定描述其形態(tài)結(jié)構(gòu)的總體框架。定量化測(cè)定植物的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、幾何特征、機(jī)械性質(zhì)等。將測(cè)定數(shù)據(jù)輸入數(shù)據(jù)庫(kù)，通過(guò)數(shù)理統(tǒng)計(jì)、模式識(shí)別等方法，提取植物形態(tài)結(jié)構(gòu)規(guī)則。模型依據(jù)植物生長(zhǎng)規(guī)則模擬植物生長(zhǎng)，應(yīng)用可視化技術(shù)在計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)虛擬植物。,計(jì)算機(jī)模擬植物形態(tài),

7、虛擬植物研究的意義： 植物的形態(tài)結(jié)構(gòu)很大程度上決定著植物的競(jìng)爭(zhēng)力和資源獲取強(qiáng)度。虛擬可實(shí)現(xiàn)植物形態(tài)結(jié)構(gòu)的定量化，可以非常直觀的對(duì)農(nóng)田、公園、森林等生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)研究方法和技術(shù)手段難以觀察到的規(guī)律。虛擬實(shí)驗(yàn)可部分替代現(xiàn)實(shí)世界中難以進(jìn)行或費(fèi)時(shí)費(fèi)力、昂貴的實(shí)驗(yàn)。如在公園、住宅區(qū)內(nèi)栽種花草樹(shù)木前，可應(yīng)用虛擬模型預(yù)測(cè)所栽植物數(shù)年后的生長(zhǎng)狀況，從而確定所采用的栽種密度、品種搭配是否理想。而在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，可以虛擬育種、虛擬施肥

8、、虛擬剪枝等，還可以通過(guò)調(diào)控環(huán)境狀況以促進(jìn)作物生長(zhǎng)，達(dá)到高產(chǎn)高效目的的。新西蘭的Hort研究所利用虛擬作物技術(shù)對(duì)獼猴桃品種進(jìn)行了改良，開(kāi)發(fā)了虛擬獼猴桃樹(shù)的系統(tǒng)，使人們可以在計(jì)算機(jī)顯示器上觀看獼猴桃樹(shù)發(fā)芽、生長(zhǎng)、抽枝、展葉、開(kāi)花、結(jié)果和果實(shí)成長(zhǎng)。獼猴桃一年的生長(zhǎng)周期被按比例縮至不到一分鐘的時(shí)間。 虛擬植物還具有更廣泛的應(yīng)用價(jià)值。虛擬農(nóng)場(chǎng)可以讓學(xué)生或農(nóng)民在計(jì)算機(jī)上學(xué)習(xí)作物生長(zhǎng)過(guò)程和農(nóng)田管理知識(shí)，或進(jìn)行娛樂(lè)，這樣可以取得傳統(tǒng)方法

9、無(wú)法達(dá)到的效果。對(duì)農(nóng)業(yè)科技成果的推廣而言，使農(nóng)民更容易理解和掌握先進(jìn)的農(nóng)田管理技術(shù)。,計(jì)算機(jī)模擬植物形態(tài),植物的分枝的類型 植物體的生長(zhǎng)有伸長(zhǎng)、加粗和分枝三種基本方式。植物莖的分枝具有一定的規(guī)律性，一般來(lái)說(shuō)有4種基本類型：1. 二叉分枝,計(jì)算機(jī)模擬植物形態(tài),植物的分枝的類型 植物體的生長(zhǎng)有伸長(zhǎng)、加粗和分枝三種基本方式。植物莖的分枝具有一定的規(guī)律性，一般來(lái)說(shuō)有4種基本類型：2. 單軸分枝,計(jì)算機(jī)模擬植物形態(tài)

10、,植物的分枝的類型 植物體的生長(zhǎng)有伸長(zhǎng)、加粗和分枝三種基本方式。植物莖的分枝具有一定的規(guī)律性，一般來(lái)說(shuō)有4種基本類型：3. 合軸分枝,計(jì)算機(jī)模擬植物形態(tài),植物的分枝的類型 植物體的生長(zhǎng)有伸長(zhǎng)、加粗和分枝三種基本方式。植物莖的分枝具有一定的規(guī)律性，一般來(lái)說(shuō)有4種基本類型：4. 假二叉分枝,計(jì)算機(jī)模擬植物形態(tài),虛擬植物模型可以分為兩類：（一）靜態(tài)模型 應(yīng)用三維數(shù)字化方法測(cè)定植株空間結(jié)構(gòu)的三維坐

11、標(biāo)，進(jìn)行處理以后建立靜態(tài)模型。實(shí)際上就是對(duì)植物的三維再現(xiàn)。這種模型對(duì)實(shí)際植物冠層的屬性分析具有很大的優(yōu)勢(shì)，可以模擬植物冠層中的光的分布，還可以做植物形態(tài)結(jié)構(gòu)與遙感影像的比較研究。 但靜態(tài)模型不能反映植物生長(zhǎng)過(guò)程，而且建模時(shí)需要大量的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)支持。,計(jì)算機(jī)模擬植物形態(tài),虛擬植物模型可以分為兩類：（二）動(dòng)態(tài)模型 在進(jìn)行了大量野外監(jiān)測(cè)和數(shù)據(jù)收集之后，對(duì)植物的結(jié)構(gòu)形成的動(dòng)態(tài)規(guī)律就有了一定的了解。虛擬植物的動(dòng)態(tài)模型，

12、就是基于對(duì)植物生長(zhǎng)過(guò)程中拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)演變和幾何形態(tài)變化規(guī)律的研究，提取植物的生長(zhǎng)規(guī)則而建立的，模型用以反映植物生長(zhǎng)過(guò)程中的規(guī)律，是虛擬植物模型的主要發(fā)展方向。 目前，植物拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中常的模型可以分成幾大類，在這些模型的建立中，計(jì)算機(jī)起著不可替代的作用。L系統(tǒng)、迭代函數(shù)系統(tǒng)、隨機(jī)過(guò)程系統(tǒng)。,L系統(tǒng) L系統(tǒng)是植物生長(zhǎng)建模的主要方法之一。1968年由Lindenmayer提出。其本質(zhì)是一個(gè)字符串生產(chǎn)系統(tǒng)。用L系統(tǒng)模擬植物

13、是一個(gè)信息膨脹的過(guò)程。,計(jì)算機(jī)模擬植物形態(tài),例1：某種植物有兩種不同的細(xì)胞組成，X型細(xì)胞和Y型細(xì)胞。在實(shí)驗(yàn)中觀測(cè)到該植物的繁殖過(guò)程是：從一個(gè)X型單細(xì)胞開(kāi)始，X型細(xì)胞生長(zhǎng)到一定時(shí)期總會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)閅型，Y型繼續(xù)生長(zhǎng)，一段時(shí)期后總會(huì)分裂成X和Y兩個(gè)細(xì)胞。L系統(tǒng)規(guī)則： ω表示起始值，p表示重寫(xiě)規(guī)則。ω : Xp1: X -> Yp2: Y -> XY,計(jì)算機(jī)模擬植物形態(tài),L系統(tǒng)規(guī)則：ω : Xp1: X -> Yp2

14、: Y -> XY,遞歸式編程偽碼（pseudocode）:h(a,n):=if(n<=0) { print “完成！”; } elseif(n=1) { if(a=“X”) { print “Y”; }

15、 else { print “XY”; } } else { if(a=“X”) { h(“Y”,n-1); } else

16、 { h(“X”,n-1).h(“Y”,n-1); } },計(jì)算機(jī)模擬植物形態(tài),例2：某種植物體由芽（X）和枝（Y）組成。在實(shí)驗(yàn)中觀測(cè)到該植物的繁殖過(guò)程是：每個(gè)芽要長(zhǎng)成2節(jié)枝和3個(gè)芽，每節(jié)枝要長(zhǎng)成2節(jié)枝。L系統(tǒng)規(guī)則： ω表示起始值，p表示重寫(xiě)規(guī)則，[ ]表示分枝，+表示向左分枝，-表示向右分枝。ω : Xp1: X -> Y[+X][

17、-X]YXp2: Y -> YY,起始 第一次 第二次,計(jì)算機(jī)模擬植物形態(tài),例3：在例2的基礎(chǔ)上，芽（X）在分叉時(shí)出現(xiàn)三種情況：一，左右兩個(gè)芽都成活；二，左邊的芽成活；三右邊的芽成活。這三種情況出現(xiàn)的概率是一樣的，即各為1/3。L系統(tǒng)規(guī)則： ω表示起始值，p表示重寫(xiě)規(guī)則，[ ]表示分枝，+表示向左分枝，-表示向右分枝。ω : Xp1: X

18、 -> Y[+X][-X]YX: 1/3p2: X -> Y[+X]YX: 1/3p3: X -> Y[-X]YX: 1/3p4: Y -> YY參數(shù)L系統(tǒng)：例1中提到的X、Y兩種細(xì)胞可視作一個(gè)細(xì)胞的幼年期和成熟期兩個(gè)階段，那么例1中的L系統(tǒng)規(guī)則可以理解為幼年長(zhǎng)成成體，成體分裂為一個(gè)幼體和一個(gè)成體。針對(duì)這個(gè)問(wèn)題，可以引入一個(gè)參數(shù)來(lái)進(jìn)行描述，例如用t表示細(xì)胞所處的不同生理年齡。,例1中的L系統(tǒng)規(guī)則：ω

19、: Xp1: X -> Yp2: Y -> XY,新規(guī)則：ω : A(0)p1: A(t): t=0 -> A(t+1)p2: A(t): t=1 -> A(t-1)A(t),計(jì)算機(jī)模擬植物形態(tài),L系統(tǒng)的可視化工具：可以實(shí)現(xiàn)L規(guī)則的編輯，可以運(yùn)行L規(guī)則（按規(guī)則不斷的重寫(xiě)字符串），可以生成相應(yīng)的三維造型（具有一個(gè)造型庫(kù)）。L-Studio:,計(jì)算機(jī)模擬植物形態(tài),L-Studio:,主頁(yè)：http://a

20、lgorithmicbotany.org/lstudio/應(yīng)用舉例：《計(jì)算機(jī)與現(xiàn)代化》2010年第十期第78頁(yè),計(jì)算機(jī)模擬植物形態(tài),隨機(jī)過(guò)程系統(tǒng)（AMAP）: 20世紀(jì)70年代法國(guó)植物學(xué)家Halle等人通過(guò)對(duì)植物結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)期觀察研究提出，世界上所有植物都可以用23種基本結(jié)構(gòu)來(lái)描述，并且用23為著名的植物學(xué)家命名了這些結(jié)構(gòu)（沒(méi)有中國(guó)人）。對(duì)于某一種植物， AMAP模型對(duì)其進(jìn)行定性分析，可確定描述其結(jié)構(gòu)的基本模型，在此基礎(chǔ)上對(duì)植物結(jié)構(gòu)進(jìn)行定

21、量化。同時(shí)，植物的生長(zhǎng)具有一定的隨機(jī)性，如某個(gè)位置的側(cè)芽是否產(chǎn)生分枝、分枝的類型與出現(xiàn)的時(shí)間等， AMAP模型應(yīng)用概率分布和隨機(jī)過(guò)程理論描述其規(guī)律。該系統(tǒng)依靠功能強(qiáng)大的田間數(shù)據(jù)采集與分析模塊，將測(cè)定的植物各類數(shù)據(jù)輸入數(shù)據(jù)庫(kù)，應(yīng)用馬爾可夫過(guò)程分析植物拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)演化規(guī)律，通過(guò)模式識(shí)別方法提取生長(zhǎng)規(guī)則。,Massart模型：雪松,計(jì)算機(jī)模擬植物形態(tài),植物間相互作用的模擬：,計(jì)算機(jī)模擬植物形態(tài),植物形態(tài)、生長(zhǎng)過(guò)程、受損過(guò)程、植物間相互作用、植物與