基于L-系統(tǒng)的植物形態(tài)進(jìn)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(jì)算機(jī)圖形學(xué)、應(yīng)用數(shù)學(xué)、隨機(jī)化過程、物理學(xué)、植物學(xué)、農(nóng)學(xué)及可視化計(jì)算等多種學(xué)科，針對(duì)植物個(gè)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(diǎn)。
　　虛擬植物的形態(tài)建模是進(jìn)行虛擬植物研究的關(guān)鍵，而植物在生長(zhǎng)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(jī)和挑戰(zhàn)。L-系統(tǒng)是目前進(jìn)行虛擬植物形態(tài)表達(dá)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(zhǎng)機(jī)理且利于計(jì)算機(jī)可視化實(shí)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(yùn)用基因表達(dá)式編程思想（Gene Expression Programming，簡(jiǎn)稱GEP），基于L-系統(tǒng)方法，對(duì)植物的形態(tài)進(jìn)化策略和方法進(jìn)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(jiǎn)稱ORFs）下的字符集和K-表達(dá)式，以獲取能夠滿足植物形態(tài)進(jìn)化的初始編碼方案；之后，按照GEP原理，對(duì)植物個(gè)體形態(tài)進(jìn)行遺傳和進(jìn)化操作，提出了基于樹形相似度的適應(yīng)度函數(shù)進(jìn)行有效評(píng)價(jià)，獲得最優(yōu)解，最終得到在形態(tài)上符合植物生長(zhǎng)機(jī)理的最佳植物個(gè)體或群落。本文的研究工作主要包括以下幾個(gè)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(dá)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(jìn)行虛擬植物模型研究的出發(fā)點(diǎn)。本文通過對(duì)目前虛擬植物建模方法的深入探討，考慮植物形態(tài)進(jìn)化的要求，采用L-系統(tǒng)表達(dá)植物形態(tài)發(fā)生過程，并進(jìn)行計(jì)算機(jī)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(dá)上具有得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)，是虛擬植物建模最有效的方法之一，目前在符合植物生長(zhǎng)機(jī)理的研究上也得到長(zhǎng)足的發(fā)展。本文對(duì) 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(jìn)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(dá)，滿足植物形態(tài)進(jìn)化要求，對(duì)基因表達(dá)式編程思想的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)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(xì)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(yīng)用和方法。采用GEP能夠快速搜索最優(yōu)解的優(yōu)勢(shì)促進(jìn)植物形態(tài)的進(jìn)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(yīng)度函數(shù)值或者最大的迭代次數(shù)對(duì)種群中的個(gè)體進(jìn)行選擇或者淘汰，最終保留最優(yōu)的個(gè)體。

6、
　　3．鑒于對(duì) L-系統(tǒng)理論的研究，為得到最自然的植物形態(tài)，對(duì)傳統(tǒng)的 L-系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)，為選擇進(jìn)化中最優(yōu)的植物形態(tài)，改進(jìn)了植物的形態(tài)評(píng)價(jià)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(hào)和時(shí)間步
　　控制植物形態(tài)的異步并發(fā)現(xiàn)象。評(píng)價(jià)三維仿真植物，判斷個(gè)體是否進(jìn)入下一代，充分地考慮了植物拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和外部輪廓，提出了

7、基于樹形相似度的適應(yīng)度函數(shù)，有效的評(píng)價(jià)了仿真植物與目標(biāo)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(yīng)的虛擬植物進(jìn)化智能模型，將GEP算法和改進(jìn)的L-系統(tǒng)相結(jié)合對(duì)植物形態(tài)進(jìn)行進(jìn)化和表達(dá)。
　　為了減少建模過程中人工的干預(yù)，系統(tǒng)能夠的自動(dòng)獲取模型的參數(shù)和產(chǎn)生式，提出了基于改進(jìn)的L-系統(tǒng)與GEP算法結(jié)合的自適應(yīng)的植物形態(tài)進(jìn)化模型，然后采用VC++編程語言實(shí)現(xiàn) L-系統(tǒng)文法模擬植物的形態(tài)，在獲得大量植物