基于植物间相互作用的生长模型及可视化研究

摘要

随着计算机图形学的发展，对植物建立模型并动态地模拟植物生长、死亡等生命活动已经成为虚拟现实领域的研究热点。由于植物的生长发育是一个非常复杂的过程，不仅受到物种自身的生理特性的控制，比如植物的光合作用响应特性、耐阴性、根系吸水特性等，而且受到各种自然环境条件以及周围其他植物种内和种间竞争的影响，比如水分和营养物质、光照条件、其他植物的遮荫等。 为了更加准确地模拟共享环境资源时植物间的相互作用及其生长规律，本文通过对基于FON（field—of—neighbourhood）模型的功能型植物生长仿真建模方法进行分析研究，分别针对FON模型的地上部分和地下部分提出了相应的改进方法。通过深入分析植物共享资源时的相互作用规律，本文提出了对地上资源和地下资源的分配策略，以及植物地上竞争因子、地下竞争因子和总竞争因子的提取方法，并建立了基于上述方法的地上竞争、地下竞争以及总资源竞争的植物生长模型。为了验证本文提出方法的有效性，本文实现了植物间共享资源的生长模拟系统，其仿真结果能够较好地反映植物间相互作用时的生长规律。本文的主要研究内容包括以下几个方面： 1、在传统FON模型的植物生长建模方法的分析研究基础上，本文通过引入植物学中的遮荫率、地理学中的纬度值等参数对地上FON模型进行改进，并根据植物根系的特征提出了地下FON模型的改进方法。 2、本文在改进的地上FON模型的植物表达基础上，引入了植物学中的光—光合作用模型作为共享光照资源下植物生长建模的生物学依据。根据植物不同的竞争地位提出了基于计算植物地上FON模型间重叠区域面积的地上资源分配策略，以及地上竞争因子的提取方法，并以此为依据建立植物共享地上资源的生长模型。 3、本文在改进的地下FON模型的植物表达基础上，引入了植物学中的根系吸水模型作为共享土壤资源下的植物生长建模的生物学依据。根据植物共享地下资源时的特征，提出了基于计算植物地下FON模型间重叠区域体积的地下资源分配策略，以及地下竞争因子的提取方法，建立了植物共享地下资源的生长模型。 4、根据植物在共享总的环境资源时的生长规律，本文提出了由地上竞争因子和地下竞争因子两部分构成的总资源竞争因子的提取方法，并建立植物共享环境中总资源的生长模型。 5、本文最后介绍了所开发的植物间共享资源的生长模拟系统。通过对基于地上竞争、地下竞争、总资源竞争影响下的植物生长过程进行模拟，以验证本文提出方法的有效性。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章 绪论

1.1 论文题目的来源

1.2本文的研究意义

1.3虚拟植物生长的发展趋势及国内外研究现状

1.3.1发展趋势

1.3.2国内外研究现状

1.4本文的研究目标、内容和章节组织

1.4.1研究目标

1.4.2研究内容

1.4.3本文的章节组织

第2章虚拟仿真植物生长的方法介绍

2.1 虚拟植物生长的常用方法介绍

2.1.1 L系统

2.1.2粒子系统

2.1.3扩散有限凝聚模型(DLA)

2.1.4特征提取方法

2.1.5参考轴技术与GreenLab

2.1.6 FON模型系统

2.2 FON模型及其在虚拟植物生长中的应用

2.2.1 FON模型

2.2.2 Alsweis的竞争分析

2.2.3 Alswies的植物生长模型

2.3各种仿真方法间的比较

2.4本章小结

第3章植物问的资源竞争分析

3.1 概述

3.2植物的地上FON影响圈及地上竞争

3.3植物的地下FON影响圈及地下竞争

3.4基于FON模型的资源总竞争

3.5本章小结

第4章植物共享地上资源的生长模型

4.1 概述

4.2地上FON模型的改进

4.2.1地上FON模型在形状上的改进

4.2.2 FON模型从阴影深浅程度上的改进

4.3植物对光照资源的响应

4.3.1植物的光-光合作用响应模型

4.3.2具有光敏感性响应的植物生长模型

4.3.3仿真植物生长情况

4.4基于改进的FON光照模型的地上资源分配策略

4.4.1 FON椭圆影响圈的有效半径

4.4.2地上资源分配策略

4.4.3仿真植物生长情况

4.5本章小结

第5章植物共享地下资源的生长模型

5.1地下FON模型的改进

5.2基于FON圆柱模型的地下资源竞争

5.2.1不相关植物

5.2.2相关植物

5.3吸水强度因子

5.4基于地下竞争的植物生长模型

5.4.1加入吸水强度的地下竞争因子

5.4.2植物生长模型

5.4.3仿真植物生长情况

5.5总竞争因子影响下植物生长模型及仿真

5.6本章小结

第6章原型系统的实现

6.1 设计目标

6.2系统流程及功能

6.2.1 数据初始化模块和植物数据库

6.2.2生长模拟模块

6.2.3植物形态建模

6.2.4植物及环境场景渲染模块

6.3系统开发

6.3.1 开发环境

6.3.2程序界面及仿真过程

6.4本章小节

第7章总结与展望

7.1 总结

7.2展望

参考文献

致谢

攻读学位期间参加的科研项目和成果