基于人工生命的小麦根系模型构建与可视化

摘要

虚拟植物是利用虚拟现实技术在计算机上模拟植物在三维空间中的生长发育过程，具有可视化的功能。虚拟植物根系研究是虚拟植物研究的重要组成部分，人们已经做了大量的工作，建立了各种模型，提出了多种模拟算法，并在很多方面得到了具体的应用。然而，这些植物根系生长模型往往只停留在计算机图形学层面的模拟实现，而把植物根系生长和发育过程考虑进去的比较少。由于根系的生长发育过程受多种因素的影响，要想在计算机上真实的模拟植物根系生长过程还是非常复杂和困难的。因此，如何构建植物根系模型，并将其形态结构模型和生理生态模型相结合是现在根系模型研究的重点。 本文首先，深入分析了当前虚拟植物研究的国内外现状，并对与虚拟植物根系生长模拟相关的计算机图形学理论、人工生命理论和分形理论进行了介绍。其次，分析和研究了双尺度自动机和L系统等重要的虚拟植物建模方法，并对双尺度自动机模型进行了部分改进。再次，采用改进后的双尺度自动机和L系统相结合的方法，构建了小麦根系的形态结构模型。最后，基于人工生命的方法分析研究了小麦根系生长的生理功能，考虑了土壤含水量和根系向地性等对根系生长有影响的因素，构建了根系的生长约束模型，并将其与根系的形态结构模型相结合，从而更好地实现了小麦根系生长的模拟。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1问题的提出及研究意义

1.1.1问题的提出

1.1.2研究的理论意义

1.1.3研究的应用价值

1.2国内外研究现状

1.2.1国外研究现状

1.2.2国内研究现状

1.3本文的主要研究内容

第二章相关理论基础

2.1计算机图形学理论

2.2人工生命理论

2.3分形理论

第三章人工植物的重要建模方法

3.1植物相关概念

3.2基本的建模方法

3.2.1迭代函数系统

3.2.2粒子系统

3.2.3双尺度自动机

3.2.4 L系统

第四章小麦根系形态结构模型的构建

4.1结合双尺度自动机和L系统方法构建根系模型

4.1.1对双尺度自动机模型和L系统模型分析

4.1.2根系的双尺度自动机模型

4.1.3对双尺度自动机模型的改进

4.1.4将双尺度自动机模犁转化为L系统

4.2小麦根系生长特征及建模

4.2.1小麦根系生长特征

4.2.2小麦根系的双尺度自动机模型

4.2.3小麦根系的双尺度自动机模型转化为L系统

4.2.4 L系统对小麦根系作图的原理

4.2.5小麦根系的三维模型

第五章小麦根系的生长约束模型研究

5.1小麦根系生长约束模型

5.1.1小麦根系生长的土壤含水量约束模型

5.1.2小麦根系生长方向的约束模型

5.2小麦根系的形态结构模型和生长约束模型的结合

第六章 小麦根系动态生长模拟的实现

6.1开发工具

6.2模型算法及编码实现

6.2.1模型实现算法

6.2.2模型采用的数据结构

6.2.3模型构建代码

6.3实验结果

第七章 总结与展望

7.1与其它虚拟植物根系模型之优势比较

7.2论文的主要研究工作总结

7.3进一步的工作

参考文献

致 谢

在学期间公开发表论文及著作情况