虛擬植物智能生理引擎及關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、虛擬植物是數(shù)字農(nóng)業(yè)的重要研究?jī)?nèi)容之一，是農(nóng)業(yè)信息化研究的重要組成部分，具有重大的理論意義與實(shí)用價(jià)值。具有多學(xué)科交叉背景的虛擬植物研究由于其本身的復(fù)雜性使得目前的研究工作與實(shí)際應(yīng)用之間還存在著一定的差距，如植物生長(zhǎng)規(guī)則難以提取、系統(tǒng)參數(shù)繁多難以配置、基于迭代的L系統(tǒng)難以適應(yīng)器官功能結(jié)構(gòu)的復(fù)雜化、集成于結(jié)構(gòu)模型中的物質(zhì)運(yùn)輸和分配過(guò)于粗糙、虛擬植物建模方式過(guò)于老舊無(wú)法滿(mǎn)足植物智能行為的模擬等等。
　　 針對(duì)現(xiàn)有系統(tǒng)和模型的局限和不足，

2、本文圍繞虛擬植物建模方式及關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了深入研究。論文工作的特殊貢獻(xiàn)在于將人工生命、機(jī)器學(xué)習(xí)、智能計(jì)算、仿真技術(shù)、植物學(xué)、植物生理學(xué)、系統(tǒng)生物學(xué)等理論、方法與技術(shù)整合到虛擬植物智能生理引擎中，能夠在專(zhuān)家數(shù)據(jù)支持有限的情況下自動(dòng)地學(xué)習(xí)、發(fā)現(xiàn)植物生長(zhǎng)的規(guī)律，用相對(duì)簡(jiǎn)單的生理過(guò)程和規(guī)則產(chǎn)生植物生長(zhǎng)發(fā)育的復(fù)雜智能行為，為虛擬植物提出了新的研究方法和建模方式。具體的研究成果如下：
　　 論文采用基于多視角圖像采集、輪廓識(shí)別和三維骨架恢復(fù)等

3、方法自動(dòng)測(cè)量植物生長(zhǎng)單元和葉元的形態(tài)、拓?fù)渑c空間位置關(guān)系，利用隱馬爾可夫樹(shù)模型按照植物生長(zhǎng)發(fā)育的時(shí)序進(jìn)行分析，取得植物各項(xiàng)端分生組織和側(cè)生分生組織在不同生長(zhǎng)階段的隱含狀態(tài)，并將隱含狀態(tài)及其轉(zhuǎn)移關(guān)系通過(guò)構(gòu)建二維層次自動(dòng)機(jī)的方式轉(zhuǎn)換為植物的生長(zhǎng)規(guī)則。
　　 論文采用基于智能Agent的建模技術(shù)，構(gòu)建了葉元虛擬器官的功能結(jié)構(gòu)模型，模擬了其生理狀態(tài)、生理過(guò)程、狀態(tài)-形變關(guān)系、行為推理，使虛擬器官其能夠根據(jù)其生長(zhǎng)階段和生理狀態(tài)自動(dòng)執(zhí)行預(yù)定

4、義的生理過(guò)程，并且能夠在同化物的生產(chǎn)、存儲(chǔ)、消耗與傳輸上取得動(dòng)態(tài)的平衡與最優(yōu)化，還可以為新生虛擬器官選擇最優(yōu)的位置以便獲得更多的光照，實(shí)現(xiàn)植物的向光性模擬。
　　 論文在離散化維管束模型上建立了基于圖自動(dòng)機(jī)的并行離散壓力流模型，同時(shí)考慮了水、礦物質(zhì)和同化物的傳輸，模擬了木質(zhì)部和韌皮部之間由于水勢(shì)差而導(dǎo)致的橫向滲透，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明離散壓力流模型符合植物生理學(xué)研究結(jié)果。
　　 論文分析了植物模塊化的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、用相對(duì)簡(jiǎn)單的生理過(guò)

5、程和相互作用造成植物基于表型可塑性的智能特征，采用了基于復(fù)雜適應(yīng)系統(tǒng)的方式模擬植物生長(zhǎng)過(guò)程中由簡(jiǎn)單生理規(guī)則涌現(xiàn)的系統(tǒng)復(fù)雜性。將植物離散化為基于智能Agent的葉元，能自主地執(zhí)行生理過(guò)程、響應(yīng)外界環(huán)境刺激、并且能和周邊葉元進(jìn)行通信、物質(zhì)交換。仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果呈現(xiàn)了與復(fù)雜適應(yīng)系統(tǒng)相容的涌現(xiàn)行為。
　　 論文實(shí)現(xiàn)了虛擬植物智能生理引擎，它是由用戶(hù)接口、虛擬環(huán)境、動(dòng)態(tài)分枝網(wǎng)絡(luò)、物質(zhì)傳輸引擎、分枝控制器和智能器官庫(kù)等組件以基于消息的松散耦合方

6、式搭建起來(lái)的虛擬植物仿真平臺(tái)，能將虛擬器官通過(guò)提取的生長(zhǎng)規(guī)則整合起來(lái)，形成植物的空間結(jié)構(gòu)，并且能夠和虛擬環(huán)境交互，動(dòng)態(tài)地調(diào)整其生理狀態(tài)和生長(zhǎng)發(fā)育，并能將虛擬器官的生理數(shù)據(jù)輸出到圖形引擎進(jìn)行三維渲染。最后進(jìn)行了以虛擬植物智能生理引擎為仿真平臺(tái)，以茄子為目標(biāo)植物的仿真實(shí)驗(yàn)，分別展現(xiàn)了茄子在正常、弱光、低溫、缺水、缺氮等不同環(huán)境下的生長(zhǎng)過(guò)程和三維形態(tài)，并且將仿真的圖形效果、生理狀態(tài)數(shù)據(jù)與真實(shí)環(huán)境茄子生長(zhǎng)的采集圖像和數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比，結(jié)果表明本文