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(gòu)復(fù)雜、形態(tài)萬千,以計(jì)算機(jī)技術(shù)為中心,建立在植物學(xué)、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、數(shù)理統(tǒng)計(jì)、可視化技術(shù)基礎(chǔ)上的虛擬植物(Virtual Plants)研究成為目前眾多學(xué)者研究的熱點(diǎn),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(gè)體或群體的形態(tài)結(jié)構(gòu)為研究對象,量化生物學(xué)特征并以可視化方法在計(jì)算機(jī)上再現(xiàn)植物生長過程的研究,屬于多學(xué)科交叉研究的范疇.
　　虛擬植物的研究目前在農(nóng)學(xué)、林學(xué)、植物分類學(xué)、植

2、物生態(tài)學(xué)、系統(tǒng)生物學(xué)、園林設(shè)計(jì)等諸多領(lǐng)域都得到了廣泛的應(yīng)用.因此,細(xì)化自然植物的形態(tài)分類,擴(kuò)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(yuǎn)的意義.本文從植物生長的典型自相似性和隨機(jī)性角度提出植物的彌散性生長定義,進(jìn)而對動態(tài)生長的典型模型------基本DLA模型進(jìn)行研究、歸納、改進(jìn),探索改進(jìn)的DLA模型在植物彌散性生長形態(tài)領(lǐng)域的應(yīng)用.該研究提出了植物形態(tài)分類的新方法,豐富了分類機(jī)制;同時(shí),以植物生長的動

3、態(tài)演化過程為出發(fā)點(diǎn),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(bǔ)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(jìn)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(shí),給出自然界中的典型案例.為更好地表達(dá)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(chǔ)

4、上,提出對基本DLA模型的改進(jìn)方法,并以草本植物須根系的彌散性形態(tài)為代表進(jìn)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(guān)植物形態(tài)進(jìn)行了模擬,開發(fā)了簡單的仿真實(shí)驗(yàn)環(huán)境進(jìn)行效果展示,以方便用戶觀察和比較.按照實(shí)際的研究和實(shí)施過程,本文的主要工作包括以下五個(gè)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(yīng)用領(lǐng)域和仍然存在的缺陷,并對所提到方法的優(yōu)劣勢進(jìn)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(shí)例總結(jié)其結(jié)構(gòu)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(jì)算機(jī)植物的分類方法,并從植物生長的典型自相似性和隨機(jī)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(jìn)行其結(jié)構(gòu)特征的研究和總結(jié).
　　3.基本DLA模型在植物建模領(lǐng)域的應(yīng)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(xué)原理和生長過程的基礎(chǔ)上,不斷用VC++程序進(jìn)行DLA生長規(guī)律的計(jì)算機(jī)模擬實(shí)踐,提取影響最終形態(tài)生成的參數(shù)進(jìn)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(jìn)行模擬,繼而得出此方法在植物建模領(lǐng)域的優(yōu)勢.
　　4.改進(jìn)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(jìn)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(shí)的生長形態(tài)為代表進(jìn)行了模擬,并對以

7、上兩種形態(tài)進(jìn)行了效果圖的分析和比較.同時(shí),還對其他具有彌散性特征的相關(guān)植物形態(tài)進(jìn)行了簡單模擬.改進(jìn)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(lǐng)域.
　　5.仿真實(shí)驗(yàn)環(huán)境的開發(fā)
　　最后,設(shè)計(jì)適當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)結(jié)構(gòu),以須根系彌散性形態(tài)為主,利用數(shù)據(jù)庫技術(shù)將具有彌散性特征的相關(guān)植物形態(tài)統(tǒng)一在一個(gè)系統(tǒng)中,開發(fā)出一個(gè)簡單的仿真實(shí)驗(yàn)環(huán)境進(jìn)行彌散性效果的展示,實(shí)現(xiàn)了對典型的植物彌散性形態(tài)的管理與維護(hù),方便用戶觀察和比較.
　　本