臭柏的虛擬生長建模及仿真研究.pdf

1、隨著人類生存危機意識的不斷增強，對改善生存環(huán)境的需求越來越迫切，但長期以來由破壞環(huán)境引發(fā)的后果是非常嚴重的，荒漠化正在侵蝕著我們的家園-地球。如何應(yīng)對荒漠化的侵襲?如何盡快改善生存環(huán)境?如何保護好我們的地球?是我們必須刻不容緩需要解決的課題。本文正是在這樣一個背景之下，對臭柏，一種被稱為荒漠中的神奇植物，展開深入研究。
　　 本研究以臭柏灌叢的虛擬生長研究為主線，以國家自然科學(xué)基金項目：干旱脅迫條件下臭柏灌叢的生理生態(tài)學(xué)適應(yīng)機理

2、研究為基礎(chǔ)，深入探討了臭柏植株個體的虛擬生長建模及其在干旱脅迫條件下的生長仿真。研究的主要內(nèi)容和取得的一些創(chuàng)新性成果集中在以下幾個方面：
　　 針對虛擬植物的雙尺度自動機模型方法在描述克隆生長機制方面的局限性，本文提出了一種基于可逆轉(zhuǎn)宏狀態(tài)的Semi-Markov鏈的改進方法，并結(jié)合改進模型對臭柏的生理生態(tài)特點及生長過程中的拓撲結(jié)構(gòu)變化進行了深入探討，給出了臭柏植株的拓撲結(jié)構(gòu)模型。在研究過程中，對大量研究數(shù)據(jù)和結(jié)果進行了詳細分析

3、，對臭柏生長過程中發(fā)生的節(jié)間變化、分枝角度變化以及彎曲度變化進行了討論，并根據(jù)參數(shù)的變化特點分別實現(xiàn)了量化。深入探討了臭柏的克隆生長機制，提出結(jié)合坡度函數(shù)和節(jié)間數(shù)據(jù)綜合判斷不定根的產(chǎn)生方法，進而確定克隆生長的枝條，并實現(xiàn)了模型的改進。該虛擬模型能依據(jù)臭柏各個生長階段的生長規(guī)律及分枝角度、彎曲度和節(jié)間長度等參數(shù)的變化模擬其生長發(fā)育過程，能更真實地反映匍匐枝克隆生長這一臭柏特有的生長環(huán)節(jié)。模型不僅能夠真實地模擬臭柏植株個體的拓撲結(jié)構(gòu)，同時，

4、運用C++Builder實現(xiàn)了可視化效果。仿真結(jié)果忠實地展示了臭柏的拓撲結(jié)構(gòu)，符合臭柏的生長規(guī)律，為臭柏灌叢的進一步深入研究提供了新的視角和途徑，更有助于對臭柏抗旱、防風(fēng)固沙等特性進行深入細致的研究。這對以往僅針對臭柏的生理生態(tài)特性進行研究的單一模式無疑是一種創(chuàng)新。
　　 干旱是全世界面臨的問題，其重要性勿庸質(zhì)疑。針對目前大量的抗旱研究主要集中于臭柏灌叢的生理生態(tài)特點方面，忽視了其生長建模方面研究的局面，對大量實測數(shù)據(jù)和實驗數(shù)據(jù)

5、重新進行整合和分析，給出了臭柏在干旱脅迫環(huán)境中的生長概率，實現(xiàn)了臭柏在干旱脅迫環(huán)境中的仿真。其中，主要針對地下水位的顯著影響進行了深入討論，通過分析和計算中心樹高、群落半徑等生態(tài)指標的年生長率得到地下水位與臭柏生長之間的關(guān)系，指出干旱脅迫環(huán)境中臭柏的生長與地下水位呈線性變化關(guān)系，地下水位越低生長越困難，并將這一量化結(jié)果用于臭柏模型中，實現(xiàn)了干旱脅迫環(huán)境中臭柏的虛擬生長模型仿真。該模型對于近年來的大量抗旱研究成果而言，可以從更直觀和科學(xué)的

6、角度加以說明和論證。仿真系統(tǒng)可以通過設(shè)置坡度斜率計算不定根的產(chǎn)生位置，控制并實現(xiàn)克隆生長；仿真系統(tǒng)還可以通過設(shè)置地下水位的變化控制并實現(xiàn)臭柏的虛擬生長過程。如果進一步考慮與生理生態(tài)模型相結(jié)合有望模擬真實臭柏在不同地下水位的生長狀況和發(fā)育過程。
　　 在植物的仿真過程中，三維繪制和渲染效果通常能更有效地說明模型與真實對象之間的相似度，但器官繪制和渲染是非常重要的環(huán)節(jié)，其速度及難度都不容忽視，尤其葉片的繪制通常十分復(fù)雜。針對植物器官

7、繪制過程的復(fù)雜度，通過實地觀察和具體分析，深入了解了臭柏植株器官的形狀特點，本文提出了采用圓柱和圓錐體分別對枝條和葉片進行繪制的方法，避開了繁瑣的計算過程，使繪制速度和過程大大加快，同時渲染效果自然、美觀。本文不僅實現(xiàn)了通過設(shè)置生長周期段仿真不同生長周期中臭柏的生長狀態(tài)，而且實現(xiàn)了通過設(shè)置地下水位仿真不同生長環(huán)境中臭柏的生長狀態(tài)。使以往臭柏的抗旱研究缺乏可視化效果支持的局面得到了徹底的改觀。
　　 長期以來，針對復(fù)雜系統(tǒng)的建模一

8、直存在一個“瓶頸”，這就是模型有效性的驗證方法問題。科學(xué)合理的模型有效性驗證方法是模型得以推廣與應(yīng)用的重要前提。植物的生長過程研究屬一類復(fù)雜系統(tǒng)，同樣無法忽視對模型的驗證。針對目前虛擬植物生長模型的評價缺少通用的、可量化的有效手段，本文根據(jù)臭柏的實際生長情況，提出了一種基于生態(tài)指標的綜合評價方法。一方面將臭柏的三維仿真結(jié)果進行局部放大，并使之與放大的真實臭柏的枝條局部進行對比，從外觀效果驗證虛擬模型的有效性。另一方面，根據(jù)臭柏高度的年平

9、均生長幅度，將虛擬模型中臭柏植株各個階段的高度數(shù)據(jù)進行虛擬測量，以比較和驗證仿真結(jié)果的真實性。最后，再將虛擬模型中各個不同生長階段產(chǎn)生的節(jié)間數(shù)目進行統(tǒng)計，通過分布函數(shù)進一步說明虛擬模型的正確性。綜合以上幾個方面的測試，驗證了臭柏虛擬生長模型的有效性。同時通過與IFS、L系統(tǒng)的虛擬建模方法的對比分析，探討了本文提出的改進模型具有參數(shù)簡潔直觀、生物學(xué)意義明確等優(yōu)越性。
　　 臭柏的虛擬生長模型及仿真研究為長期以來單純的生理生態(tài)特性研

10、究開辟了新的研究途徑；植物的拓撲結(jié)構(gòu)與其生長機理密不可分，此舉也為探索臭柏的生理生態(tài)模型提供了一個有效而又便捷的途徑；本文將臭柏的生長分解為一系列狀態(tài)，并將各狀態(tài)之間的關(guān)系用圖表加以描述，直觀而且易于理解；文中給出了對臭柏的枝條分布，節(jié)間伸長和彎曲度變化等參數(shù)的量化，為今后該模型的改進和完善提供了必要的基礎(chǔ)；通過臭柏的抗旱仿真研究，使以往的一些研究成果得以進一步證實，通過三維仿真和交互控制，使臭柏的抗旱特性研究更直觀、可靠和真實；對模型

11、有效性的研究，不僅從外觀效果上進行了對比，同時采用正常情況下臭柏的生長高度與干旱脅迫下的生長高度進行對比，結(jié)合實際測量數(shù)據(jù)進行驗證，進一步說明了模型的有效性，使仿真結(jié)果更有說服力。
　　 總之，臭柏的仿真研究為人們研究臭柏提供了更多的方法和手段；臭柏拓撲結(jié)構(gòu)模型的建立為進一步研究生理生態(tài)模型奠定了基礎(chǔ)；臭柏克隆生長機制的模擬為克隆生長植物的仿真提供了一種新的解決途徑；臭柏的抗旱仿真對有效緩解我國日益嚴重的荒漠化有十分重要的作用，