基于L-系統(tǒng)的植物形態(tài)進化方法研究.pdf

1、大自然中的植物種類多樣，千姿百態(tài)，它們是組成和諧大自然不可缺少的一部分。虛擬植物建模融合了計算機圖形學、應用數(shù)學、隨機化過程、物理學、植物學、農(nóng)學及可視化計算等多種學科，針對植物個體或群落，開展虛擬植物的相關(guān)研究已經(jīng)成為目前的研究熱點。
　　虛擬植物的形態(tài)建模是進行虛擬植物研究的關(guān)鍵，而植物在生長過程中所表現(xiàn)出來的形態(tài)多樣性、可塑性，為虛擬植物形態(tài)模型的構(gòu)建方法研究帶來了契機和挑戰(zhàn)。L-系統(tǒng)是目前進行虛擬植物形態(tài)表達和模型構(gòu)建的最

2、有效方法之一，能夠符合植物自身的生長機理且利于計算機可視化實現(xiàn)。因此，本文在深入研究不同的虛擬植物建模方法的基礎(chǔ)上，運用基因表達式編程思想（Gene Expression Programming，簡稱GEP），基于L-系統(tǒng)方法，對植物的形態(tài)進化策略和方法進行研究。
　　在利用 L-系統(tǒng)構(gòu)建植物形態(tài)描述性模型的基礎(chǔ)上，本文按照 GEP的編碼結(jié)構(gòu)原理，將L-系統(tǒng)的字符集和產(chǎn)生式映射為開放讀碼框架（Open Reading Frames

3、，簡稱ORFs）下的字符集和K-表達式，以獲取能夠滿足植物形態(tài)進化的初始編碼方案；之后，按照GEP原理，對植物個體形態(tài)進行遺傳和進化操作，提出了基于樹形相似度的適應度函數(shù)進行有效評價，獲得最優(yōu)解，最終得到在形態(tài)上符合植物生長機理的最佳植物個體或群落。本文的研究工作主要包括以下幾個方面：
　　1．深入研究和分析虛擬植物形態(tài)建模方法，滿足植物形態(tài)的多樣性和可塑性要求，探究適合于植物形態(tài)表達的有效途徑和方法。
　　植物形態(tài)建模的理

4、論和方法各有異同，而模型的可行性、有效性是進行虛擬植物模型研究的出發(fā)點。本文通過對目前虛擬植物建模方法的深入探討，考慮植物形態(tài)進化的要求，采用L-系統(tǒng)表達植物形態(tài)發(fā)生過程，并進行計算機可視化仿真。
　　L-系統(tǒng)是一種典型的并行字符發(fā)生系統(tǒng)，在植物形態(tài)發(fā)生的表達上具有得天獨厚的優(yōu)勢，是虛擬植物建模最有效的方法之一，目前在符合植物生長機理的研究上也得到長足的發(fā)展。本文對 L-系統(tǒng)的不同模型方法深入研究，為支持植物形態(tài)發(fā)生的進化過程奠定

5、了理論和方法上的基礎(chǔ)。
　　2．基于植物形態(tài)發(fā)生的有效表達，滿足植物形態(tài)進化要求，對基因表達式編程思想的關(guān)鍵技術(shù)進行深入研究。
　　以植物形態(tài)發(fā)生的描述性模型為基礎(chǔ)，詳細的介紹了GEP的關(guān)鍵技術(shù)、GEP的算法流程和GEP在植物形態(tài)發(fā)生的應用和方法。采用GEP能夠快速搜索最優(yōu)解的優(yōu)勢促進植物形態(tài)的進化來滿足植物的表型可塑性和多樣性，然后根據(jù)設(shè)定的適應度函數(shù)值或者最大的迭代次數(shù)對種群中的個體進行選擇或者淘汰，最終保留最優(yōu)的個體。

6、
　　3．鑒于對 L-系統(tǒng)理論的研究，為得到最自然的植物形態(tài)，對傳統(tǒng)的 L-系統(tǒng)進行改進，為選擇進化中最優(yōu)的植物形態(tài)，改進了植物的形態(tài)評價函數(shù)。
　　基于L-系統(tǒng)的基本理論（同步并發(fā)理論），考慮到自然界中部分植物是異步并發(fā)的，為了使仿真植物與自然界中的植株更加逼真，將傳統(tǒng)的L-系統(tǒng)加入了環(huán)境符號和時間步
　　控制植物形態(tài)的異步并發(fā)現(xiàn)象。評價三維仿真植物，判斷個體是否進入下一代，充分地考慮了植物拓撲結(jié)構(gòu)和外部輪廓，提出了

7、基于樹形相似度的適應度函數(shù)，有效的評價了仿真植物與目標植物的相似性。
　　4．基于L-系統(tǒng)和GEP的理論研究，本文提出了一種自適應的虛擬植物進化智能模型，將GEP算法和改進的L-系統(tǒng)相結(jié)合對植物形態(tài)進行進化和表達。
　　為了減少建模過程中人工的干預，系統(tǒng)能夠的自動獲取模型的參數(shù)和產(chǎn)生式，提出了基于改進的L-系統(tǒng)與GEP算法結(jié)合的自適應的植物形態(tài)進化模型，然后采用VC++編程語言實現(xiàn) L-系統(tǒng)文法模擬植物的形態(tài)，在獲得大量植物