基于DLA的虛擬植物彌散性生長形態(tài)研究.pdf

1、植物是自然界的重要組成部分,因其種類繁多、結(jié)構復雜、形態(tài)萬千,以計算機技術為中心,建立在植物學、計算機圖形學、數(shù)理統(tǒng)計、可視化技術基礎上的虛擬植物(Virtual Plants)研究成為目前眾多學者研究的熱點,虛擬植物的建模方法也屢見不鮮.虛擬植物的研究是以植物個體或群體的形態(tài)結(jié)構為研究對象,量化生物學特征并以可視化方法在計算機上再現(xiàn)植物生長過程的研究,屬于多學科交叉研究的范疇.
　　虛擬植物的研究目前在農(nóng)學、林學、植物分類學、植

2、物生態(tài)學、系統(tǒng)生物學、園林設計等諸多領域都得到了廣泛的應用.因此,細化自然植物的形態(tài)分類,擴充虛擬植物的建模方法,結(jié)合植物的生理生態(tài)模型更高效的模擬其外觀形態(tài)具有重大而深遠的意義.本文從植物生長的典型自相似性和隨機性角度提出植物的彌散性生長定義,進而對動態(tài)生長的典型模型------基本DLA模型進行研究、歸納、改進,探索改進的DLA模型在植物彌散性生長形態(tài)領域的應用.該研究提出了植物形態(tài)分類的新方法,豐富了分類機制;同時,以植物生長的動

3、態(tài)演化過程為出發(fā)點,建立DLA的植物彌散性生長模型,是對植物形態(tài)建模的有益補充.
　　本文的研究首先從目前虛擬植物建模常用的方法入手,進行了較深入的研究和探討,通過對各種方法的分析和比較,提出植物的生長形態(tài)具有彌散性的特征并給出彌散性生長的定義,同時,給出自然界中的典型案例.為更好地表達植物生長的彌散性特征,引入了植物建模中的動態(tài)生長模型,即DLA(Diffusion Limited Aggregation)模型.在以上研究的基礎

4、上,提出對基本DLA模型的改進方法,并以草本植物須根系的彌散性形態(tài)為代表進行了模擬.最后,以須根系彌散性形態(tài)為主,對具有彌散性特征的相關植物形態(tài)進行了模擬,開發(fā)了簡單的仿真實驗環(huán)境進行效果展示,以方便用戶觀察和比較.按照實際的研究和實施過程,本文的主要工作包括以下五個方面:
　　1.常用植物建模方法的分析和比較
　　歸納目前常用的植物建模方法,分析各模型的優(yōu)勢應用領域和仍然存在的缺陷,并對所提到方法的優(yōu)劣勢進行了簡單的比較.

5、
　　2.提出植物彌散性生長的定義并結(jié)合典型實例總結(jié)其結(jié)構特征
　　植物形態(tài)萬千,不同的依據(jù)分類方法不一,本文總結(jié)了自然界植物和計算機植物的分類方法,并從植物生長的典型自相似性和隨機性角度提出植物的彌散性生長形態(tài),結(jié)合草本植物的須根系、木本植物的年輪和木材縱剖面的紋理等典型植物彌散性生長形態(tài)進行其結(jié)構特征的研究和總結(jié).
　　3.基本DLA模型在植物建模領域的應用研究
　　引入了動態(tài)生長模型DLA模型模擬植物的彌散

6、性生長特征.在研究基本DLA模型的數(shù)學原理和生長過程的基礎上,不斷用VC++程序進行DLA生長規(guī)律的計算機模擬實踐,提取影響最終形態(tài)生成的參數(shù)進行可控性分析和研究,盡量結(jié)合植物的生理生態(tài)特征進行模擬,繼而得出此方法在植物建模領域的優(yōu)勢.
　　4.改進的DLA模型模擬植物的彌散性生長形態(tài)
　　提出對基本DLA模型的改進方法,在彌散性植物形態(tài)的模擬上,以草本植物須根系的向水性生長形態(tài)和水勢均勻時的生長形態(tài)為代表進行了模擬,并對以

7、上兩種形態(tài)進行了效果圖的分析和比較.同時,還對其他具有彌散性特征的相關植物形態(tài)進行了簡單模擬.改進的DLA模型豐富了植物的生理生態(tài)和其形態(tài)相結(jié)合的建模領域.
　　5.仿真實驗環(huán)境的開發(fā)
　　最后,設計適當?shù)臄?shù)據(jù)結(jié)構,以須根系彌散性形態(tài)為主,利用數(shù)據(jù)庫技術將具有彌散性特征的相關植物形態(tài)統(tǒng)一在一個系統(tǒng)中,開發(fā)出一個簡單的仿真實驗環(huán)境進行彌散性效果的展示,實現(xiàn)了對典型的植物彌散性形態(tài)的管理與維護,方便用戶觀察和比較.
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