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臭柏的虚拟生长建模及仿真研究

姜真杰  
【摘要】: 随着人类生存危机意识的不断增强,对改善生存环境的需求越来越迫切,但长期以来由破坏环境引发的后果是非常严重的,荒漠化正在侵蚀着我们的家园---地球。如何应对荒漠化的侵袭?如何尽快改善生存环境?如何保护好我们的地球?是我们必须刻不容缓需要解决的课题。本文正是在这样一个背景之下,对臭柏,一种被称为荒漠中的神奇植物,展开深入研究。 本研究以臭柏灌丛的虚拟生长研究为主线,以国家自然科学基金项目:干旱胁迫条件下臭柏灌丛的生理生态学适应机理研究为基础,深入探讨了臭柏植株个体的虚拟生长建模及其在干旱胁迫条件下的生长仿真。研究的主要内容和取得的一些创新性成果集中在以下几个方面: 针对虚拟植物的双尺度自动机模型方法在描述克隆生长机制方面的局限性,本文提出了一种基于可逆转宏状态的Semi-Markov链的改进方法,并结合改进模型对臭柏的生理生态特点及生长过程中的拓扑结构变化进行了深入探讨,给出了臭柏植株的拓扑结构模型。在研究过程中,对大量研究数据和结果进行了详细分析,对臭柏生长过程中发生的节间变化、分枝角度变化以及弯曲度变化进行了讨论,并根据参数的变化特点分别实现了量化。深入探讨了臭柏的克隆生长机制,提出结合坡度函数和节间数据综合判断不定根的产生方法,进而确定克隆生长的枝条,并实现了模型的改进。该虚拟模型能依据臭柏各个生长阶段的生长规律及分枝角度、弯曲度和节间长度等参数的变化模拟其生长发育过程,能更真实地反映匍匐枝克隆生长这一臭柏特有的生长环节。模型不仅能够真实地模拟臭柏植株个体的拓扑结构,同时,运用C++Builder实现了可视化效果。仿真结果忠实地展示了臭柏的拓扑结构,符合臭柏的生长规律,为臭柏灌丛的进一步深入研究提供了新的视角和途径,更有助于对臭柏抗旱、防风固沙等特性进行深入细致的研究。这对以往仅针对臭柏的生理生态特性进行研究的单一模式无疑是一种创新。 干旱是全世界面临的问题,其重要性勿庸质疑。针对目前大量的抗旱研究主要集中于臭柏灌丛的生理生态特点方面,忽视了其生长建模方面研究的局面,对大量实测数据和实验数据重新进行整合和分析,给出了臭柏在干旱胁迫环境中的生长概率,实现了臭柏在干旱胁迫环境中的仿真。其中,主要针对地下水位的显著影响进行了深入讨论,通过分析和计算中心树高、群落半径等生态指标的年生长率得到地下水位与臭柏生长之间的关系,指出干旱胁迫环境中臭柏的生长与地下水位呈线性变化关系,地下水位越低生长越困难,并将这一量化结果用于臭柏模型中,实现了干旱胁迫环境中臭柏的虚拟生长模型仿真。该模型对于近年来的大量抗旱研究成果而言,可以从更直观和科学的角度加以说明和论证。仿真系统可以通过设置坡度斜率计算不定根的产生位置,控制并实现克隆生长;仿真系统还可以通过设置地下水位的变化控制并实现臭柏的虚拟生长过程。如果进一步考虑与生理生态模型相结合有望模拟真实臭柏在不同地下水位的生长状况和发育过程。 在植物的仿真过程中,三维绘制和渲染效果通常能更有效地说明模型与真实对象之间的相似度,但器官绘制和渲染是非常重要的环节,其速度及难度都不容忽视,尤其叶片的绘制通常十分复杂。针对植物器官绘制过程的复杂度,通过实地观察和具体分析,深入了解了臭柏植株器官的形状特点,本文提出了采用圆柱和圆锥体分别对枝条和叶片进行绘制的方法,避开了繁琐的计算过程,使绘制速度和过程大大加快,同时渲染效果自然、美观。本文不仅实现了通过设置生长周期段仿真不同生长周期中臭柏的生长状态,而且实现了通过设置地下水位仿真不同生长环境中臭柏的生长状态。使以往臭柏的抗旱研究缺乏可视化效果支持的局面得到了彻底的改观。 长期以来,针对复杂系统的建模一直存在一个“瓶颈”,这就是模型有效性的验证方法问题。科学合理的模型有效性验证方法是模型得以推广与应用的重要前提。植物的生长过程研究属一类复杂系统,同样无法忽视对模型的验证。针对目前虚拟植物生长模型的评价缺少通用的、可量化的有效手段,本文根据臭柏的实际生长情况,提出了一种基于生态指标的综合评价方法。一方面将臭柏的三维仿真结果进行局部放大,并使之与放大的真实臭柏的枝条局部进行对比,从外观效果验证虚拟模型的有效性。另一方面,根据臭柏高度的年平均生长幅度,将虚拟模型中臭柏植株各个阶段的高度数据进行虚拟测量,以比较和验证仿真结果的真实性。最后,再将虚拟模型中各个不同生长阶段产生的节间数目进行统计,通过分布函数进一步说明虚拟模型的正确性。综合以上几个方面的测试,验证了臭柏虚拟生长模型的有效性。同时通过与IFS、L系统的虚拟建模方法的对比分析,探讨了本文提出的改进模型具有参数简洁直观、生物学意义明确等优越性。 臭柏的虚拟生长模型及仿真研究为长期以来单纯的生理生态特性研究开辟了新的研究途径;植物的拓扑结构与其生长机理密不可分,此举也为探索臭柏的生理生态模型提供了一个有效而又便捷的途径;本文将臭柏的生长分解为一系列状态,并将各状态之间的关系用图表加以描述,直观而且易于理解;文中给出了对臭柏的枝条分布,节间伸长和弯曲度变化等参数的量化,为今后该模型的改进和完善提供了必要的基础;通过臭柏的抗旱仿真研究,使以往的一些研究成果得以进一步证实,通过三维仿真和交互控制,使臭柏的抗旱特性研究更直观、可靠和真实;对模型有效性的研究,不仅从外观效果上进行了对比,同时采用正常情况下臭柏的生长高度与干旱胁迫下的生长高度进行对比,结合实际测量数据进行验证,进一步说明了模型的有效性,使仿真结果更有说服力。 总之,臭柏的仿真研究为人们研究臭柏提供了更多的方法和手段:臭柏拓扑结构模型的建立为进一步研究生理生态模型奠定了基础;臭柏克隆生长机制的模拟为克隆生长植物的仿真提供了一种新的解决途径;臭柏的抗旱仿真对有效缓解我国日益严重的荒漠化有十分重要的作用,对进一步应用臭柏改善人类生存环境具有重要的理论意义和现实意义。


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