虚拟植物生长的双尺度自动机模型

《虚拟植物生长的双尺度自动机模型》由会员分享，可在线阅读，更多相关《虚拟植物生长的双尺度自动机模型（10页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、中国可控环境农业科技网： WWWCHINACEASTCOM 可控环境农业实验室： WWWCEALCN 第 1 页本课题得到中科院自动化所中法联合实验室(LIAMA)项目资助. 赵星赵星,博士研究生,主要研究方向为虚拟植 物生长. Ph. de Reffye, 法国农业开发研究中心（CIRAD）高级研究员,中科院客座教授, 中法实验室法方主 任, 主要研究方向为虚拟植物生长. 熊范纶熊范纶,教授,博士生导师,主要研究方向为农业专家系统. 胡包钢胡包钢, 研究员, 博士生导师,中法实验室中方主任, 主要研究方向为智能系统, 模式识别和植物生长建模. 展志岗展志岗, 博士研 究生，主要研究方向为植物

2、建模. E-mail: 虚拟植物生长的双尺度自动机模型虚拟植物生长的双尺度自动机模型赵 星1), 6) Philippe de Reffye 2), 6) 熊范纶3) 胡包钢4), 6) 展志岗5), 6) 1) (中国科技大学计算机科学系合肥 230027)2) (Laboratoire de Modelisation des Plants, CIRAD, BP5035, 34032 Monpellier, France)3)(中国科学院合肥智能机械研究所 合肥 230031)4)(中国科学院自动化研究所模式识别国家重点实验室 北京 100080)5)(中国农业大学电子电力工程学院 北京 1

3、00083)6) (中国科学院自动化研究所中法联合实验室 北京 100080)摘摘 要要：用来构造植物形态的计算机模型很多，但大部分模型用于自然景物的模拟，所研究 的内容主要集中在计算机图形学方面。该文从植物学的角度出发，提出了微状态和宏状态 的双尺度概念，建立了虚拟植物生长的双尺度自动机模型。该模型考虑了植物的生长机理， 参数物理意义明确，结构简洁条理，形象直观，易于理解和编程实现，并且应用了符合植 物顶芽和腋芽发育过程的概率模型，更适合模拟真实植物的生长过程。通过与“L 系统” 和“参考轴技术”这两种著名的植物生长模型的比较，以及给出了用该模型模拟植物学家 提出的构造模型的例子，证明了该模

4、型实用有效。关键词关键词：虚拟植物，植物生长，模型，双尺度，自动机。DUAL-SCALE AUTOMATON MODEL FOR VIRTUAL PLANT DEVELOPMENT ZHAO Xing1), 6), Ph. de REFFYE2), 6), XIONG Fan-Lun3), HU Bao-Gang4), 6), ZHAN Zhi-Gang5), 6)1) (Department of Computer Science, USTC, Hefei 230027)2) (Laboratoire de Modelisation des Plants, CIRAD, BP5035, 34

5、032 Monpellier, France)3) (Hefei Institute of Intelligent Machines, CAS, Hefei 230031 )4) (National Laboratory of Pattern Recognition, Institute of Automation, CAS, Beijing 100080)5) (College of Electronic and Electric Power Engineering, CAU, Beijing 100083)6) (LIAMA, Institute of Automation, CAS, B

6、eijing 100080)Abstract: A variety of plant growth models for plant morphogenesis have been reported, but most of them are based on computer graphics to represent natural scenery. In this paper, a dual-scale automaton model for virtual plant development is presented, in which the concepts of microsta

7、te and macrostate are proposed from the viewpoints of botany. The parameters of this model have explicitly physical meaning for relating to the plant growth mechanisms, and they can be structured for input with diagram. All of these features make it easy to understand and implement in programming. A

8、nd a probability process, which accords with the growth of plants apical bud and axillary bud, is also used in this model. The model is demonstrated a simpler but effective method by comparison with L-system and reference axis technique. While the model has been tested for generating almost all plan

9、t architectural models defined by botanists, only one example is given in the paper to confirm the advantages of the model. Key words: virtual plant, plant growth, modeling, dual-scale, 中国可控环境农业科技网： WWWCHINACEASTCOM 可控环境农业实验室： WWWCEALCN 第 2 页automaton.1引言引言虚拟植物生长是指用计算机形象直观地再现植物的生长过程。 1968 年，美国的生物学 家

10、 A. Lindenmayer 提出了 L 系统，作为植物形态建模的一般框架1。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，提出了许多生成植物图形的方法和模型， 如各种改进的 L 系统2、IFS（函数迭代系统）3、参考轴技术(Reference axis technique）4 11、分形方法5、分枝矩阵6、基于几何可观察量的模型7、基于图符的交互式模型8以及用来模拟森林环境的粒子系统9等。 虚拟植物生长在建筑环境的整体规划，园林的景物布局设计，以及虚拟环境中的自然 景物生成等方面都取得了很大的进展，目前开始转向应用于农业的研究。 将虚拟植物（农作物）生长技术应用于农业研究

11、具有重要意义，一方面可以在虚拟农 田环境系统中进行虚拟试验，可部分地替代在现实世界中难以进行或费时、费力、昂贵的 试验，如虚拟育种、虚拟施肥、虚拟剪枝等。另一方面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学习作物生长过程和农田管理知识，观察虚拟作物生长状况和动 态过程，通过改变环境条件和栽培措施，直观了解作物生长状况的改变和获得优化结果， 这样可取得传统方式无法企及的效果10。 但上述模型中，除了 L 系统和参考轴技术外，其它模型都侧重于计算机图形学，主要 研究自然景物的模拟，即用尽量少的植物学知识，方便快捷地生成美丽的植物图形。由于 研究的目的不同，所以模型的功能也不同，这些模型

12、不适合模拟真实植物的整个生长过程。 而 L 系统和参考轴技术虽然能描述植物的生长过程，但都存在不易理解和使用的缺点。在 3.5 节中，将把双尺度自动机模型与 L 系统及参考轴技术作一些比较。 为了能有效客观地模拟真实植物的生长过程，将来应用于虚拟农业的研究，模型的选 择是一个根本的重要的问题。针对其他模型在描述真实植物生长过程方面的缺点，本文基 于植物的生长机理，建立了双尺度自动机模型。该模型形象直观，结构条理，能有效地模 拟真实植物的生长过程。2植物的轴结构植物的轴结构为了清楚地表述双尺度自动机模型， 先简要介绍一下植物轴的结构。 植物主体结构由轴（plant axis）组成， 植物的主干称

13、为主轴；分枝用不同级的轴 命名，如主干上的枝条称为 1 级侧轴。1 级 侧轴的分枝称为 2 级侧轴，依次类推。 如图 1 所示，轴上生叶的部位称为节， 节与节之间的那段轴称为节间（internode） 。 轴顶端的芽称为顶芽，叶腋处的芽称为腋 芽，侧枝由腋芽发育形成。节和节间，以 及节上的侧生器官（叶、腋芽、花或果实）的集合植物学上称为植物分生单位（metamer 或 phytomer） ， 本文简称为叶元。长一个新叶元的时间的英文名为 Syllepticshoot1112，本 文称之为节周期。图 1 轴的形态特征中国可控环境农业科技网： WWWCHINACEASTCOM 可控环境农业实验室：

14、 WWWCEALCN 第 3 页下面介绍几个本文所用到的植物学概念： 生长周期生长周期（Growth cycle）：植物生长是一个周期性的过程，每个周期称为一个生长周 期，其长短视具体的植物而定。例如，温带木本植物，随着季节变化，由生长至休眠，生 长周期通常为一年，而草本植物一般是一个生长季。 生长单元生长单元（Growth unit）：在一个生长周期内，植物在轴上所长出的新的叶元的总和。生理年龄生理年龄 (Physiological age)：植物的生长过程是一个单向的不可逆的演变过程，其中 经历了一些明显不同的生理阶段。用不同的生理年龄来表征不同的生理阶段。在同一生理 阶段中，也就是在相同

15、的生理年龄内，植物具有相似的生长特征。如果设最初长出的植物 器官的生理年龄为 1，以后长出的植物器官的生理年龄逐渐增大的话，则根据植物学，生 理年龄较大的植物器官只能从生理年龄与其相同或较小的植物器官处长出4。这就象植物 不可能先开花后发芽一样。因此，生理年龄数可以理解为生长次序。如生理年龄 1 理解为 生长次序 1，生理年龄 2 理解为生长次序 2，依次类推。 生长年龄生长年龄(Chronological age)：是植物经历的总生长周期数。 植物同时具有生长年龄和生理年龄两种年龄，如树枝顶端新长出的器官（如带有花朵 的小枝条） ，虽然其生长年龄很小，但其生理年龄已经比较老了。3双尺度自动机模型双尺度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。由于叶元 是植物的分生单位，因此在双尺度自动机模型中，用微状态代表叶元，作为模拟的最小单 位。 植物的生长过程是一个周期性过程。植物在相同的生理阶段的各个生长周期内长出的 生长单元，不仅具有相似的生长参数（如节间伸长速度，叶子的扩张规律等） ，而且植物的 一些生长特性（如植物的生长节奏（Growth rhyth