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结合生物力学与光分布计算的植物功能结构模型参数优化
其他题名Parameter Optimization of Functional-Structural Plant Model with Biomechanical and Light Model
王浩宇
学位类型工学博士
导师胡包钢
2014-05-21
学位授予单位中国科学院大学
学位授予地点中国科学院自动化研究所
学位专业模式识别与智能系统
关键词生物力学 冠层光环境 植物功能结构模型 Greenlab 可塑性 优化 Gpu 触形反应 Bio-mechanical Model Canopy Light Distribution Fspm Greenlab Plasticity Optimization Gpu Thigmomorphogenesis
摘要植物在外界环境作用下会做出不同的反应,即可塑性。植物的可塑性表现在能够改变自身的结构和功能,以适应环境的变化。此外,农学上开展了作物“理想株型”的研究,以株型改良为目标,希望作物具有高产、抗倒伏等优良性状。通过计算机模拟植物的生理生态过程以及与环境的交互作用,来理解可塑性生长行为的内在机理,同时也为株型设计提供量化参考依据,具有十分重要的意义。 在此背景下,植物功能结构模型应运而生。它将农学、植物学、林学、计算机图形学、数学、计算机应用等多学科、多平台交叉融合,目的是使得人们能够理解自然、解释现象、发现规律、预测产量,因此近些年来逐渐成为了人们探索植物的新手段。本文的目标是通过基于植物功能结构模型的虚拟植物生长平台,开展以真实植物为参考的计算实验。从而在模型化认知或刻画植物生长规律的同时,实现省时、省力、节省资源等计算实验的优点。本论文基于植物功能结构模型GreenLab,针对植物生长中两个重要的外界环境因素“力学”和“光照”开展研究,分别开发了力学计算模块、光分布模块。在此基础上,从光对光合产量和芽的生长两方面影响来考虑,模拟植物在光环境下的生长行为。另外,从优化模型内在参数的角度来计算植物的适宜形态结构,以达到适应环境或最大化产量的目的。本文的问题以及主要贡献如下: 1) 植物的生物力学模型与功能结构模型的结合。植物在生长过程中受到各种内部和外部压力的作用,如细胞之间的作用力、重力、外界的风力或其它的机械刺激等,模拟这些压力对植物结构的影响对于研究植物的形态具有重要意义。目前,树木枝条的形态模拟主要采用的是从计算机图形学角度考虑,大多没有和植物生长过程联系起来。而对于作物的力学分析,大多是分析某一结构下的应力和应变关系,没有与植物动态的结构变化结合起来。因此本文针对具有不同材料属性和结构的树木和作物,一方面将基于植物生理的生物力学模型与功能结构模型相结合,模拟在树木连续动态的生长过程中,枝条在力的作用下的形变过程;另一方面,结合有限元分析模型和文献中的田间实验数据,分析比较不同品种、不同结构的水稻的受力情况。将有限元分析模型与功能结构模型相结合,通过调整模型参数得到不同表型的植株结构,分析了结构与倒伏之间的关系,开展计算实验。 2) 基于精确冠层光分布和器官光合模型的树木可塑性生长模拟。植物在光环境下的生长模拟一直是研究的热点。有些研究的对象主要是作物,而对于结构较为复杂、器官数量较多的树木,目前的研究主要集中在计算机图形学和农学两个领域。前者关注的重点在于树木在光环境下的自然形态,对光照模型往往做简化处理,并且将植物看作一个“黑箱”,不考虑在光环境下植物内在的生理过程,即重“结构”轻“功能”。后者主要研究植被中的光辐射传输,往往将植物冠层考虑成均匀的介质或者是简化植物形态结构,不能反映植物在光环境下的形态变化,即重“功能”轻“结构”。另外,光可以影响植物内部生物量以及在外部直接光刺激下改变植物芽的萌发,从这两方面考虑的研究较少。再者,在估算个体器官上的光强时,...
其他摘要Plant reacts differently according to the external environment, which could be described as plasticity. Plasticity enables plants to change their structure and physiological process to adapt to the environmental changes. In addition, the agronomists proposed the``ideotype'' to cultivate crops with high harvest index, strong lodging resistance and other good traits. It is therefore important to simulate the plant physiological and ecological processes and the interactions between plants with the environment, which help people to understand the internal mechanism of plasticity and to provide a quantitative reference for plant ideotype design. In this context, Functional Structure Plant Models (FSPMs) emerged. The FSPMs applied the knowledge of agronomy, botany, forestry, computer graphics, mathematics, computer applications and so on. By crossing and integration among multi-disciplinary and multi-platform, in recent years, FSPMs are becoming a new method of plant exploration, which helps people to understand nature, to explain the phenomenon, to discover the plant growth rule and to predict the production. This dissertation aims to carry out computational experiments based on botanical knowledge by applying the virtual plant platform in computer environment. Model-based cognition for plant growth regulation has many advantages such as time-saving, labour-saving, low cost, energy conservation and so on. Based on GreenLab, being one of FSPMs, this thesis forcused on ``mechanics'' and ``light'', which are two important environmental factors during plant growth, by developing mechanical calculation and light distribution modules. On this basis, considering the influence of light on both internal photosynthetic production and external buds break, we simulated plant growth in the light environment. Further, from the perspective of the internal parameter optimization of plant, the morphology of plants was computed with acclimatization. In this dissertation, the challenges and the main contributions are as follows: 1) Combination of biomechanical model and GreenLab. The plant is subjected to various internal and external pressures during the growth process, such as the force between the cells, gravity, wind or other external mechanical stimulation. It is important to simulate the effect of pressure on the structure of plants because of the great significance on the plant morphology. At present, the simulation methods for the shape of the branches are mostly used ...
馆藏号XWLW1969
其他标识符200918014628052
语种中文
文献类型学位论文
条目标识符http://ir.ia.ac.cn/handle/173211/6585
专题毕业生_博士学位论文
推荐引用方式
GB/T 7714
王浩宇. 结合生物力学与光分布计算的植物功能结构模型参数优化[D]. 中国科学院自动化研究所. 中国科学院大学,2014.
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