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《重庆大学》 2009年
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虚拟植物智能生理引擎及关键技术研究

屈洪春  
【摘要】:虚拟植物是数字农业的重要研究内容之一,是农业信息化研究的重要组成部分,具有重大的理论意义与实用价值。具有多学科交叉背景的虚拟植物研究由于其本身的复杂性使得目前的研究工作与实际应用之间还存在着一定的差距,如植物生长规则难以提取、系统参数繁多难以配置、基于迭代的L系统难以适应器官功能结构的复杂化、集成于结构模型中的物质运输和分配过于粗糙、虚拟植物建模方式过于老旧无法满足植物智能行为的模拟等等。 针对现有系统和模型的局限和不足,本文围绕虚拟植物建模方式及关键技术进行了深入研究。论文工作的特殊贡献在于将人工生命、机器学习、智能计算、仿真技术、植物学、植物生理学、系统生物学等理论、方法与技术整合到虚拟植物智能生理引擎中,能够在专家数据支持有限的情况下自动地学习、发现植物生长的规律,用相对简单的生理过程和规则产生植物生长发育的复杂智能行为,为虚拟植物提出了新的研究方法和建模方式。具体的研究成果如下: 论文采用基于多视角图像采集、轮廓识别和三维骨架恢复等方法自动测量植物生长单元和叶元的形态、拓扑与空间位置关系,利用隐马尔可夫树模型按照植物生长发育的时序进行分析,取得植物各顶端分生组织和侧生分生组织在不同生长阶段的隐含状态,并将隐含状态及其转移关系通过构建二维层次自动机的方式转换为植物的生长规则。 论文采用基于智能Agent的建模技术,构建了叶元虚拟器官的功能结构模型,模拟了其生理状态、生理过程、状态-形变关系、行为推理,使虚拟器官其能够根据其生长阶段和生理状态自动执行预定义的生理过程,并且能够在同化物的生产、存储、消耗与传输上取得动态的平衡与最优化,还可以为新生虚拟器官选择最优的位置以便获得更多的光照,实现植物的向光性模拟。 论文在离散化维管束模型上建立了基于图自动机的并行离散压力流模型,同时考虑了水、矿物质和同化物的传输,模拟了木质部和韧皮部之间由于水势差而导致的横向渗透,实验结果表明离散压力流模型符合植物生理学研究结果。论文分析了植物模块化的结构特点、用相对简单的生理过程和相互作用造成植物基于显型可塑性的智能特征,采用了基于复杂适应系统的方式模拟植物生长过程中由简单生理规则涌现的系统复杂性。将植物离散化为基于智能Agent的叶元,能自主地执行生理过程、响应外界环境刺激、并且能和周边叶元进行通信、物质交换。仿真实验结果呈现了与复杂适应系统相容的涌现行为。 论文实现了虚拟植物智能生理引擎,它是由用户接口、虚拟环境、动态分枝网络、物质传输引擎、分枝控制器和智能器官库等组件以基于消息的松散耦合方式搭建起来的虚拟植物仿真平台,能将虚拟器官通过提取的生长规则整合起来,形成植物的空间结构,并且能够和虚拟环境交互,动态地调整其生理状态和生长发育,并能将虚拟器官的生理数据输出到图形引擎进行三维渲染。最后进行了以虚拟植物智能生理引擎为仿真平台,以茄子为目标植物的仿真实验,分别展现了茄子在正常、弱光、低温、缺水、缺氮等不同环境下的生长过程和三维形态,并且将仿真的图形效果、生理状态数据与真实环境茄子生长的采集图像和数据进行了对比,结果表明本文提出的虚拟植物智能生理引擎能够有效、真实地模拟植物的生长和发育规律及形态变化、初步实现了对植物智能特征和行为的模拟。
【学位授予单位】:重庆大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2009
【分类号】:TP399-C4

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【引证文献】
中国博士学位论文全文数据库 前2条
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2 贺磊盈;面向振动采收的果树枝干三维重建方法及其动力学特性研究[D];浙江理工大学;2014年
中国硕士学位论文全文数据库 前2条
1 何新乐;光影响下的植物生长模拟方法与可视化建模[D];重庆大学;2011年
2 黄伟;基于植物生长过程仿真的虚拟植物建模研究[D];重庆大学;2011年
【参考文献】
中国期刊全文数据库 前4条
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【共引文献】
中国期刊全文数据库 前10条
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10 李卫国;;水稻遥感估产的机理性模式研究[A];粮食安全与现代农业气象业务发展——2008年全国农业气象学术年会论文集[C];2008年
中国博士学位论文全文数据库 前10条
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7 陈洁;水稻籽粒淀粉和蛋白质积累模拟模型研究[D];南京农业大学;2011年
8 李炎;水肥调控措施对冬小麦光合产物分配的模拟研究[D];沈阳农业大学;2011年
9 席恩华;速生杨木质部细胞的分化成熟过程[D];北京林业大学;2012年
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中国硕士学位论文全文数据库 前10条
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3 汪安国;基于结构光的鞋底信息提取与机器人喷胶轨迹生成方法的研究[D];浙江理工大学;2010年
4 冯慧慧;基于作物模型和GIS的县域水稻产量动态预测技术研究[D];安徽农业大学;2010年
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7 周新跃;超级杂交稻苗情动态模拟研究[D];湖南农业大学;2010年
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【同被引文献】
中国期刊全文数据库 前10条
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7 郁道银,黄家祥,陈晓冬,孙正,谢洪波;基于B样条的冠状动脉树骨架三维重建方法[J];工程图学学报;2005年02期
8 夏玉凤;夏桂雪;汪翠琴;耿晓娜;;生长素与植物顶端优势[J];河北师范大学学报(自然科学版);2008年04期
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中国博士学位论文全文数据库 前7条
1 宋有洪;玉米生长的生理生态功能与形态结构并行模拟模型[D];中国农业大学;2003年
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4 王剑;果树枝干三维重建关键技术研究[D];中国农业科学院;2009年
5 刘骥;植物生长模拟与可视化研究[D];重庆大学;2009年
6 高珊;环境温度对美国红松活立木及原木声波传播及力学特性的影响[D];东北林业大学;2012年
7 李志鹏;蓝莓采摘机采摘策略及轨迹规划研究[D];东北林业大学;2011年
中国硕士学位论文全文数据库 前2条
1 许允催;基于器官变形的植物生长建模研究[D];重庆大学;2010年
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【二级引证文献】
中国期刊全文数据库 前1条
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中国硕士学位论文全文数据库 前2条
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【相似文献】
中国期刊全文数据库 前10条
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2 林森;虚拟植物[J];河南林业;2002年06期
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8 张喆;王爱新;李春友;;基于L-系统的虚拟植物生长模型设计[J];农机化研究;2008年10期
9 刘兴龙;张立国;刘永福;;虚拟植物模型及可视化的研究[J];农机化研究;2008年10期
10 胡林;周国民;丘耘;樊景超;王剑;;虚拟植物研究进展[J];安徽农业科学;2008年25期
中国重要会议论文全文数据库 前5条
1 张青蓉;王文永;付宏杰;梁瑛;;虚拟植物的构建及在生物学科教学中的应用[A];中国系统仿真学会第五次全国会员代表大会暨2006年全国学术年会论文集[C];2006年
2 杨珺;;基于虚拟植物生长模型的分布式农业专家系统研究[A];2006年全国开放式分布与并行计算机学术会议论文集(三)[C];2006年
3 吴伟斌;洪添胜;肖磊;代芬;张立俊;冯瑞珏;黄涵;;基于三维运动跟踪仪的虚拟植物实时绘图软件设计[A];中国农业工程学会2011年学术年会论文集[C];2011年
4 戴小鹏;喻飞;黄璜;官春云;沈岳;;虚拟实验中虚拟植物的建模[A];2005年全国理论计算机科学学术年会论文集[C];2005年
5 艾乐强;孙红敏;唐新忠;张鑫;;大豆生长模型参数确立方法的研究[A];黑龙江省计算机学会2007年学术交流年会论文集[C];2007年
中国博士学位论文全文数据库 前3条
1 唐卫东;基于生长模型的虚拟植物技术研究[D];江苏大学;2007年
2 屈洪春;虚拟植物智能生理引擎及关键技术研究[D];重庆大学;2009年
3 李云峰;叶图像提取研究及虚拟植物可视化实现[D];重庆大学;2005年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 杨沅钊;应用作物生长动态模型的虚拟植物生长研究[D];西南农业大学;2005年
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4 孙永香;基于L-系统的虚拟植物生长研究[D];山东科技大学;2006年
5 王鲁瑞;基于生长函数的植物生长建模研究[D];重庆大学;2011年
6 李子巍;基于光作用的虚拟植物生长模拟研究[D];北京林业大学;2013年
7 李纪永;基于L-系统的虚拟植物形态建模方法研究[D];山东师范大学;2013年
8 敬松;虚拟植物三维生长过程模型构建的关键技术研究[D];湖南农业大学;2012年
9 张青蓉;虚拟植物根系的构建及其生长约束条件的研究[D];东北师范大学;2007年
10 黄伟;基于植物生长过程仿真的虚拟植物建模研究[D];重庆大学;2011年
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