虛擬植物智能生理引擎及關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、虛擬植物是數(shù)字農(nóng)業(yè)的重要研究內(nèi)容之一，是農(nóng)業(yè)信息化研究的重要組成部分，具有重大的理論意義與實用價值。具有多學(xué)科交叉背景的虛擬植物研究由于其本身的復(fù)雜性使得目前的研究工作與實際應(yīng)用之間還存在著一定的差距，如植物生長規(guī)則難以提取、系統(tǒng)參數(shù)繁多難以配置、基于迭代的L系統(tǒng)難以適應(yīng)器官功能結(jié)構(gòu)的復(fù)雜化、集成于結(jié)構(gòu)模型中的物質(zhì)運輸和分配過于粗糙、虛擬植物建模方式過于老舊無法滿足植物智能行為的模擬等等。
　　 針對現(xiàn)有系統(tǒng)和模型的局限和不足，

2、本文圍繞虛擬植物建模方式及關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了深入研究。論文工作的特殊貢獻(xiàn)在于將人工生命、機器學(xué)習(xí)、智能計算、仿真技術(shù)、植物學(xué)、植物生理學(xué)、系統(tǒng)生物學(xué)等理論、方法與技術(shù)整合到虛擬植物智能生理引擎中，能夠在專家數(shù)據(jù)支持有限的情況下自動地學(xué)習(xí)、發(fā)現(xiàn)植物生長的規(guī)律，用相對簡單的生理過程和規(guī)則產(chǎn)生植物生長發(fā)育的復(fù)雜智能行為，為虛擬植物提出了新的研究方法和建模方式。具體的研究成果如下：
　　 論文采用基于多視角圖像采集、輪廓識別和三維骨架恢復(fù)等

3、方法自動測量植物生長單元和葉元的形態(tài)、拓?fù)渑c空間位置關(guān)系，利用隱馬爾可夫樹模型按照植物生長發(fā)育的時序進(jìn)行分析，取得植物各項端分生組織和側(cè)生分生組織在不同生長階段的隱含狀態(tài)，并將隱含狀態(tài)及其轉(zhuǎn)移關(guān)系通過構(gòu)建二維層次自動機的方式轉(zhuǎn)換為植物的生長規(guī)則。
　　 論文采用基于智能Agent的建模技術(shù)，構(gòu)建了葉元虛擬器官的功能結(jié)構(gòu)模型，模擬了其生理狀態(tài)、生理過程、狀態(tài)-形變關(guān)系、行為推理，使虛擬器官其能夠根據(jù)其生長階段和生理狀態(tài)自動執(zhí)行預(yù)定

4、義的生理過程，并且能夠在同化物的生產(chǎn)、存儲、消耗與傳輸上取得動態(tài)的平衡與最優(yōu)化，還可以為新生虛擬器官選擇最優(yōu)的位置以便獲得更多的光照，實現(xiàn)植物的向光性模擬。
　　 論文在離散化維管束模型上建立了基于圖自動機的并行離散壓力流模型，同時考慮了水、礦物質(zhì)和同化物的傳輸，模擬了木質(zhì)部和韌皮部之間由于水勢差而導(dǎo)致的橫向滲透，實驗結(jié)果表明離散壓力流模型符合植物生理學(xué)研究結(jié)果。
　　 論文分析了植物模塊化的結(jié)構(gòu)特點、用相對簡單的生理過

5、程和相互作用造成植物基于表型可塑性的智能特征，采用了基于復(fù)雜適應(yīng)系統(tǒng)的方式模擬植物生長過程中由簡單生理規(guī)則涌現(xiàn)的系統(tǒng)復(fù)雜性。將植物離散化為基于智能Agent的葉元，能自主地執(zhí)行生理過程、響應(yīng)外界環(huán)境刺激、并且能和周邊葉元進(jìn)行通信、物質(zhì)交換。仿真實驗結(jié)果呈現(xiàn)了與復(fù)雜適應(yīng)系統(tǒng)相容的涌現(xiàn)行為。
　　 論文實現(xiàn)了虛擬植物智能生理引擎，它是由用戶接口、虛擬環(huán)境、動態(tài)分枝網(wǎng)絡(luò)、物質(zhì)傳輸引擎、分枝控制器和智能器官庫等組件以基于消息的松散耦合方

6、式搭建起來的虛擬植物仿真平臺，能將虛擬器官通過提取的生長規(guī)則整合起來，形成植物的空間結(jié)構(gòu)，并且能夠和虛擬環(huán)境交互，動態(tài)地調(diào)整其生理狀態(tài)和生長發(fā)育，并能將虛擬器官的生理數(shù)據(jù)輸出到圖形引擎進(jìn)行三維渲染。最后進(jìn)行了以虛擬植物智能生理引擎為仿真平臺，以茄子為目標(biāo)植物的仿真實驗，分別展現(xiàn)了茄子在正常、弱光、低溫、缺水、缺氮等不同環(huán)境下的生長過程和三維形態(tài)，并且將仿真的圖形效果、生理狀態(tài)數(shù)據(jù)與真實環(huán)境茄子生長的采集圖像和數(shù)據(jù)進(jìn)行了對比，結(jié)果表明本文