虚拟植物生长建模

精确农业的进一步发展需要基于作物生长规律的生长过程模拟的支持。近年来,由诸多学科交叉而迅速发展起来的虚拟植物模型,为作物生长模拟的发展开辟了新的道路。其中,植株拓扑结构发展过程的模拟是实现虚拟植物模型的关键技术之一。为了能够客观有效地模拟真实的植物生长过程,应用于精确农业研究,采用L系统方法,结合植物的生长机理,对植物生长过程中受到内、外因素的影响进行了模拟研究。     

虚拟植物的构建及在生物学科教学中的应用

虚拟植物是随着植物模拟技术的发展而迅速发展起来的研究领域,在生物学、农学、植物学、虚拟教学等众多领域都具有广阔的应用前景。将分形理论用于研究模拟植物在计算机上的生长发育过程,构建的植物可以反映现实植物的形态结构,具有三维真实感,并反映了现实植物的生理生态现象,从而将虚拟植物的动态生长过程的模拟应用到生物学科的教学当中,使学生可以非常直观、方便地观察到植物的生长过程,并且能亲自动手参与试验。     

基于GroIMP的水稻功能与结构仿真模型研究

为探索植物仿真模型构建方法及提高仿真模型构建效率,设计并实现了一个基于相关生长语法RGG及扩展L系统的植物模型构建语言XL的水稻秧苗功能与结构模型.该模型包含了光环境模块、植物结构模型、生理功能模型以及环境设置模块,从而能够在植物外部形态层面及内部生理功能层面同时来描述虚拟植物的生长过程,并通过对植物生理过程与形态结构及环境因子的交互作用的考虑,能够在开源及交互的建模平台GroIMP上实现对虚拟植物的生长状态进行综合预测与动态可视化.简要地介绍了模型中主要模及子模型构建的主要方法及模型构建的关键步骤,并通过模型的图形、数据输出验证了模型的有效性.经过简单地扩展,构建的模型可以直接应用到水稻整个生长期的建模仿真研究中.     

基于虚拟器官的植物可视化

提出一种基于虚拟器官的植物可视化方法。该方法将真实植物器官的生理和形态属性抽象为虚拟器官的属性,以虚拟器官间的关系描述虚拟植物的形态,并通过对虚拟器官属性的变化来实现对整个植物生长过程的模拟。虚拟器官的属性变化由生长规则所控制。生长规则依据虚拟器官的属性和当前的环境属性来决定下一生长周期虚拟器官属性的变化。环境属性的变化由虚拟环境根据环境变化规则来模拟。植物最终的3D形态,由3D引擎通过读取各个虚拟器官的属性来进行展示。实验证明该方法能够对植物生长进行逼真的模拟。

Abstract：

A virtual organ based plant visualization method was proposed.Virtual organ was the representation of physiological and geometric attributes of real plant organ.And the relation among virtual organs was used to describe structure of plant.The process of plant growth controlled by growth rules could be realized by changing attributes of virtual organ.The attributes of virtual organs in the next growth period were determined by growth rules according to the current attributes of virtual organs and environment.The attributes of environment whose changes were controlled by variation rules were simulated by virtual environment.Finally 3D graph of visual plant was rendered by 3D engine which read the attributes of virtual organs to control the rendering process.Experiments show that plant growth can be simulated realistically by this method.     

基于形态特征的芒果树L系统建模及其可视化

树木是虚拟森林景观的重要要素,也是自然景观可视化中较难建模与表达的要素之一.传统的树木建模方法无法用简单规律描述形态复杂的树木,且生成的树木往往也忽略生物学意义.因此限制了其实用性.针对这些问题提出了一种能较为全面反映生物学形态结构特征的L系统树木建模方法,并以热带水果种类之一的芒果树为模型对该方法进行了初步的设计与实现,结果表明这种方法能生成植物学形态特征的、具有不同树龄的三维逼真芒果树.     

虚拟生态环境中的植物生长预报系统初探

植物生长的早期预报在农林业生产和植物栽培业的决策和管理中有着重要的意义。由于生态因素的不确定性,使植物生长的早期预报工作成为了人们不断探索的课题。本文研究了生态因子的变化对植物能量生长过程的影响方式,提出了利用生命能量系统动力学模型对不同生态条件下植物生长仿真的策略和目标函数。根据已往的生态因子组合关系归纳出植物生长的几种典型的生态环境,通过Markov过程虚拟了这些生态环境演变的时间序列。并根据植物生长的实验数据,建立了此环境下的植物生长预报模型,从而模拟植物可能的生长状态,估算生长过程中产量分布的置信区间和各种生长状态的概率。     

基于多尺度分析的虚拟植物分枝结构三维重建

提出一种基于多尺度分析的虚拟植物分枝结构三维自动重建方法.首先建立控制分枝结构生长的二维层次自动机模型.对同种植物不同植株生长单元和叶元两级组织的形态和几何数据进行采样,用隐马尔可夫树分析生长单元的统计特征及转移关系,隐状态标记具有不同统计特征的各类生长单元,并采用半马尔可夫链描述产生各类生长单元的叶元序列.多尺度分析结果作为二维层次自动机模型的参数,自动控制三维重建过程.仿真实验表明本方法能够较真实地自动重建同种植物分枝结构的三维模型,能满足虚拟农业实验室的植物建模需求.     

马尾松的形态结构分析与三维可视化

通过对漳平五一国有林场马尾松实验林的实地调查和测量,分析其形态结构特征和生长规律,提取树木的形态结构特征几何参数和生长规则;借鉴和融合了多面体和参数化过程建模方法,以VC 为开发工具,OpenGL为图形平台,实现了基于马尾松形态结构特征的交互式参数化建模工具;模拟了马尾松不同生长发育时期的植株地上部分三维形态结构;根据样地树木的分布规律,把树木模型“种植”到数字地形模型(DEM)上,构建了虚拟样地的三维场景,逼真再现了样地马尾松的景观。     

地球云场景的模拟仿真

为了研究全球的大气运动情况,需要不断观察地球云层的分布状态和运动趋势。运用计算机技术建立了基于八面体剖分法构造的球面网格模型;以全球高程数据为基础进行了三维地球的模拟;利用改进的分形几何算法生成了逼真的静态与动态云图;通过球面纹理映射实现了云场景在球面上的融合;最终给出了逼真的全球云场景的模拟。仿真模拟算法在虚拟战场环境模拟和全球气象环境再现等软件中进行了应用,模拟仿真效果满足了系统的需要。     

基于光照模型的植物仿真方法研究

自然环境中影响植物生长的主要因素是植物的内部生长特性和外部环境信息.提出了既考虑植物的内部生长特性又利用植物生长的外部环境信息的森林环境模型,即在开放的L-System的基础上应用外部光照原理来模拟森林植物的生长过程.重点解决了模型之间数据传输以及模块的控制问题,并利用遗传算法对外部环境信息进行优化,尽量地避免了植物在空间位置上的交叉和遮盖.实验结果表明,采用光照模型原理建立的森林环境模型,很好地反映了森林生长的空间特性,充分体现了植物的趋光性和植物间的相互影响,真实地再现了森林的生长过程.     

推广的三维L-系统及在树木模拟中的应用

L-系统是植物模拟的重要方法之一。然而用L-系统模拟既有弯曲又有扭曲的枝条,需要大量的产生式,并且很难提炼出这些产生式。通过把空间曲线理论同L-系统相结合,将L-系统的表示图形的字符联系了曲率函数和挠率函数,并且对L-系统中的字符进行了新的龟解释,得到了三维函数L-系统。使用三维函数L-系统绘制既有穹曲又有扭曲的枝奈的植物时,L-系统筒洁,参数解释自然,同时在编程时,容易控制枝条的长度．实验结果表明,通过调整函数L-系统中的曲率函数和挠率函数可以得到拓扑结构相同但形态差异较大的树。     

基于微分L系统理论的植物根系生长模拟的算法

根据植物根系的几何特征,利用微分L系统理论设计生成植物根系连续生长的算法。产生式用于表达植物根系分枝的产生,生长函数用于控制内节点的长度(根段随时间的延长)、分枝根的长度和分枝角的增加。植物根系的生长函数呈S形,用三次多项式表示。     

模拟植物生长算法的原理及应用

为解决国外主流智能算法普遍存在的参数选择难题,模拟植物生长算法(PGSA)以植物独有的向性运动为启发式准则,将优化问题的解空间当做植物的生长环境,通过生长信息和分枝模式(L-系统)构造出依赖优化环境而不断生长的人工植物分枝生长模式,建立了跳出局部最优解并迅速求出全局最优解的遍历搜索机制和智能算法体系.模拟植物生长算法开拓了"无参数智能优化算法"研究的新领域,本文从该算法的思想源头进行阐述,对国内外学者近年来在不同研究领域应用该算法的情况进行了分析和评述,指出了植物生长原理对智能优化领域的影响以及未来的发展方向.     

Finite Sample Properties of Virtual Reference Feedback Tuning Control

In this paper, finite sample properties of virtual reference feedback tuning control are considered, by using the theory of finite sample properties from system identification. To design a controller in closed loop system structure, the idea of virtual reference feedback tuning is proposed to avoid the identification process corresponding to the plant model. After constructing one identification cost without any knowledge of plant model, the author derives one bound on the difference between the expected identification cost and its sample identification cost under the condition that the number of data points is finite. Also the correlation between the plant input and external noise is considered in the derivation of this bound. Furthermore, the author continues to derive one probability bound to quantify this difference by using some probability inequalities and control theory.     

能源区块链网络中的虚拟电厂运行与调度模式

为提高虚拟电厂中用户交易的效率及其运行调度的安全性，针对传统虚拟电厂运行调度中高成本、高风险、低效率的问题，基于多元用电主体概念，提出了能源区块链网络中的虚拟电厂运行与调度模式。为提高用户交易的可靠性和经济性，采用电力交易共识算法对虚拟电厂中不同需求的多元用户进行智能匹配；引入能源区块链网络，提出改进的虚拟电厂运行调度模型，不仅保证了信息存储的安全性，还使得运行调度更加稳定透明。案例分析表明，本文提出的模型能够有效提高虚拟电厂中交易与调度的安全性和效率，可以为虚拟电厂中的能源交易提供参考。     

基于分形的自然景物描述方法研究

自然景物的描述在计算机图形学中具有十分重要的意义。对基于分形的描述自然景物方法，即递归法、L-系统法、IFS法进行了分析研究，在此基础上，提出基于正余弦的IFS描述法，该方法克服了递归法、L-系统法、IFS法等描述方法的生硬性和一律性，增加了分形造型结果的多样性，为以后的深入研究和应用提供了依据。