花卉植物形态与生长可视化仿真研究

文献检索课程报告班级：091228学号：2009117228姓名：一、选题简介课题名称：利用L-SYSTEM仿真植物花序方法研究The use of L-SYSTEM simulation method to study plant inflorescence课题分析：关键词：L-SYSTEM 、仿真、模拟、植物花序、方法L-SYSTEM 、simulation、plant inflorescence、method二、文献检索过程1、使用CNKI使用CNKI中国知网学术搜索平台中的中国期刊全文数据库因为利用L-SYSTEM仿真植物花序方法研究是一个比较热的课题，在期刊上应该有所反映。

检索策略：通过中国学术期刊网络出版总库文献检索的标准检索。

主题使用L-system并且包含仿真或者模拟，并且包含植物花序。

2、使用万方数据库搜索平台中的学位论文全文数据库既然中国知网上面可以收到大量的跟该课题相吻合的文献，那么也有大量的研究生在导师的带领下做该选题的学位论文。

检索策略：通过学位论文检索[1] 周春江.基于L系统的虚拟植物生长的模拟研究[D].重庆大学,2005.随着分形学的研究和发展，虚拟植物生长己成为人们研究的热点问题。

其研究在农林业研究、绿化景观设计、教育、娱乐、商业等领域中占有重要的地位，有着广阔的应用前景。

自从美国生物学家Lindenmayer于1968年提出L系统后，L系统不断完善，为植物的构型提供了新的途径。

1984年(A.R.Smith)等人将L系统引入计算机图形学，在计算机上模拟生成各种形态的植物，显示了计算机模拟植物方面的能力，为在计算机上实现虚拟植物的生长提供了理论依据。

本文主要对确定L系统、随机L系统、参数L系统、微分L系统、语义相关L系统等作了深入研究，在此基础上，利用L系统理论，采用标准图形软件接口OpenGL和支持可视化编程的集成开发环境VC++6.0，实现了虚拟植物生长系统。

虚拟植物枝条生长与形态生成模型研究
耿瑞平;涂序彦
【期刊名称】《计算机工程与应用》
【年(卷),期】2004(040)023
【摘要】文章提出了一个新的植物形态生长的动态模拟方法,该方法基于状态空间理论,将植物的生长视为三维状态空间中状态矢量的运动过程,并综合考虑了趋光作用与分枝自重对植物形态的影响.该模型既能连续、动态地模拟植物并行生长,又能反映植物形态结构与生长机理的关系,模型直观,易于理解,为虚拟农林以及计算机动画等提供了具有实际应用价值的研究方法.
【总页数】3页(P4-5,29)
【作者】耿瑞平;涂序彦
【作者单位】北京科技大学计算机系,北京,100083;北京科技大学计算机系,北京,100083
【正文语种】中文
【中图分类】TP18
【相关文献】
1.虚拟植物形态生成关键算法研究 [J], 张维统;古辉;丁维龙;芦亚亚
2.虚拟植物小麦根系生长建模与研究 [J], 姚芳;曹扬;王文永
3.教学型虚拟植物生长仿真建模方法的研究 [J], 范国华;吴国栋;周琼;乐毅
4.基于图像的虚拟植物形态数据获取方法研究 [J], 李彦锋;孟繁疆
5.基于光作用的虚拟植物生长模拟与可视化研究 [J], 李子巍;淮永建;付慧
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植物生长模拟方法研究及优化在植物生长领域，模拟方法是一种重要的研究手段。

它可以帮助我们模拟植物生长过程，并预测不同环境下的生长情况。

同时，模拟方法也能帮助我们优化植物生产模式，使得植物生长效率更高、更节约资源。

本文将对目前常用的植物生长模拟方法进行梳理，探讨其应用优化。

一、常用的植物生长模拟方法1. 动态模型动态模型的基本假设是植物存在一套逻辑严谨的生长规律，并在环境的照顾下按照规律进行生长。

其基础是对植物生长过程进行深入研究，从而得出各生长因素之间的关系。

动态模型基于统计学原理，通过对已有的数据进行分析和拟合，得出拥有预测性的生长规律，从而模拟植物在不同环境下的生长情况。

2. 反向模型反向模型是以逆向工程原理为基础的模型。

它是通过对植物在不同环境下的观测数据进行分析，从而推导出植物的生长规律。

反向模型通常使用计算机程序进行计算。

其基本思路是通过运用统计学方法，对观测数据进行分析，确定生长规律，从而极大地提升植物生长模拟的准确性。

3. 生理模型生理模型关注的是植物在不同环境下的生理规律。

其基本思路是基于现有的生理学知识，通过建立生理学模型，从而模拟植物的生长情况。

生理模型通常注重生理变量的解析和刻画，涉及到植物的生理特性，同时它也是植物生长模拟方法中比较复杂的一种。

二、常见模拟方法的应用1. 基于动态模型的土壤氮素研究土壤中的氮素在植物生长过程中起到重要作用。

氮素的吸收和利用会对植物生长产生不同程度的影响。

因此，在进行农业生产过程中，就需要有一种可靠的方法，来模拟植物对氮素吸收和利用过程。

这时动态模型就可以派上用场了。

基于土壤-作物模拟平台的构建，可以将氮素的移动和转化关系嵌入到模型中，该模型可以帮助农民更好地掌握植物生长过程中氮素的变化，从而合理配置氮素肥料。

2. 基于反向模型的光☐温交互影响研究光☐温交互影响是影响植物生长的关键因素之一。

在不同光照和温度条件下，植物的生长情况会存在差异。

通过反向模型的应用，可以分析不同环境因素对植物生长的影响，以及不同光照与温度交互条件下的生长情况。

相比其他方法 ,本文采用数据驱动技术 ,全部数据 (包括 叶轮廓数据 、叶脉数据和纹理数据 )取之实际叶图像数据 ,所 建模型更加符合自然 ;充分考虑了叶脉在叶片建模和变形中 的重要作用 ,引入数学思想 ,解决叶片的光滑变形问题 ,能够 更好的模拟叶片表面的弯曲变形效果 ;将几何方法巧妙地运 用到叶片建模 ,可以自动生成更加匀称合理的叶片网格结 构 ,且可根据需要调节网格的形状 、大小和密度 。实验表明 , 本文仿真方法可以构建出具有真实感效果的叶片模型 ,并可 以满足树叶动态变形效果模拟的要求 。
根据植物学上的分析 ,树叶发生枯萎变形正是由于叶脉 正反面细胞的不同生长率造成的 ,因此叶脉对树叶的变形起 着重要作用 。论文充分考虑了叶脉的控制作用 ,提出了一种 真实感树叶仿真方法 。该方法首先通过边缘检测和 marc2
hing square算法提取出树叶图像的轮廓及叶脉信息 ;然后利 用树叶轮廓和叶脉信息来实现叶片的三角化 ;之后利用叶脉 作为控制骨架 ,采用 Lap lace方程的迭代变形算法来实现叶 片的空间变形 ,从而生成带有自然弯曲变形效果的三维叶片 模型 。
— 205 —
2) 设 i和 j为轮廓上的两个结点 ,初始 i = 0, j = 2,将 V i 放入 S中 ;
3) 如果 j = n - 1,停止简化 ,否则 ,记线 L ij为 V i和 V j连 线;
4) 计算结点 Vk ( i < k < j)分别到 L ij的距离 Dk,计算 Dk 的最大值为 Dmax;
逐个三角形判断其每条边的中点是否在叶轮廓多边形内如果三角形任意边的中点在叶轮廓多边形外即认为该三角形位于叶轮廓多边形外去除该三角形如图此所绘制出的三角形网格是任意三条边的中点都位于叶轮廓内的三角形所绘制的边包含前面去除的三角形部分边中点在叶轮廓多边形内的边

L indenm ayer提出的括号字符串概念本质是当它的组成 模块被重写时维持了结构的分支拓扑 。 2. 3. 1 轴树和括号字符串
为了使植物体看起来有一个抽象的层次 , 我们用了轴 树 [1 ] (如图 3) 的概念 。轴树概念是树枝轴线的植物学原理激 发了对根树的图论概念的补充 。根树由有标号的有向边和从 一个叫做基点的特殊结点到终端结点的路径组成 。在生物学 文献里 ,这些边被称作树枝段 。对非终端结点 ,把它们分别区 分为衬托段 (靠近树根 ) 和被衬托段 (远离树根 ) 。在某个路 径上 ,一个节段至少跟连着另外一个节段 ,这样的叫做一个 枝节 。一个终端的节段 (没有跟连着的边 ) 叫做树顶 。
Im ita t ion of P lan ts Grow ing Ba sed on L - Sy stem
L I X iang,WAN G Yuan - n i, ZHU L i
(Compu te r Co llege of Ch ina U nive rsity of Geo sciences, W uhan H ubei 430074, China)
2. 5 龟形 从字符串替换的概念可以看出 , L - System 中的初始状
态和产生式均是由字符串来描述的 , 归根结底是因为 L System 本身是一种形式语言 。若要将 L - System 与植物模拟 联系起来 , 使之能表现真实植物枝条的构造 , 就需给 L System 中每一个字母赋予一个特定的几何图形含义 。为了形 象地说明 ,可以引进龟形 ( turtle) [1 ] 这个概念 。最初的龟形来 自于一个称为 LOGO 的内置了制图字符指令集的绘图软件 , 龟形的本质也就是一个运动指针 。
1968 年 , 美国的生物学家 A ristid L inderm ayer(1925 ～ 1989) 提 出 了 L indenm aye r 系 统 , 简 称 L - System。 L indenm ayer系统是描述植物生长的数学模型 ,其基本思想 可解释为理想化的树木生长过程 :从一条树枝 (种子 ) 开始 , 发出新的芽枝 , 继而发过芽枝的枝干又都再发新芽枝 …… 最后长出叶子 。这一生长规律体现为斐波那契数列 : 1, 1, 2,

如 ： 国的 Ｗｏｌ ｕｌｅ 、 美 ｒ Ｂ ｉ ｒ加拿大的 Ｌ— ｔｄｏ 、 国的 ｘｒｇ ｄ ｄ ｓ ｉ 德 ｕ ｕ ｆ 、 ｏ
ｌ 引言
虚拟植物 （ 即植物 可视化 ） 是 以植 物个体 或群体 为研 就 究对象 ， 利用虚 拟现实技 术在计算机上模 拟植物在 三维空 间
中的生长发育过 程 。因其 具有 真实 感强 、 控制 、 于交互 易 便 操作等特点 ， 而得到广泛的应用 。
ｔ ｅ ｍｙ ｔ ｒ ｓｏ ｌ ｎ ｉ ｎ ｈ ｕ ｅ ｏ ｒ ｗ ｈ ｐ ｏ ｅ ｓ ｓ ｗ ｌ ａ ｏ ｉ ｒ ｖ ｈ ｎ ｉ ｎ ｎ ａ ｑ ａ ｉ ｆ ｈ ｍａ ｈ ｓｅ ｉ ｆｐ ａ ｔｌ ｅ ａ ｄ ｔ ｅ ｒ ｌ ｆｇ ｏ ｒ ｃ ｓ ，ａ ｅ ｌ ｓｔ ｍｐ ｏ ｅ ｔ ｅ ｅ ｖｒ ｍｅ ｔｌ ｕ ｌ ｙ ｏ ｕ ｎ ｅ ｆ ｔ ｏ ｔ
型认为根 、 冠生长取决 于底物碳 和氮 的浓度 及其在 根 、 间 冠
的运输阻力 ， 其核心结 构式 ： △ ／ｔ＝ （／ｍ △ １， ）Ｘ（ Ｍ￣ ｔ Ａ Ａ） （） ５
４ 可 以在虚拟 的农 田环境 中进行虚拟试验 ， ） 部分 的替代
现 实生 活中Βιβλιοθήκη 较 费时 、 费力 以及昂贵的试验 ；
ｃ ｎ ｕ ，ａ ｄ ｂ ａ ｓ ｏ ｏ ｕ ｅ ，ｍｏ ｅｉ ｇ ａ ｄ ｓｍｕ ａｉ ｎ ｏ ｌｎ ｒ ｗ ｈ ｗｉ ｒ ｇ ｎ ｗ ｏ ｐ ｒ ｎ ｔ ｓ ｔ ｘ ｌｒ ｅ ｔｒ ｙ ｎ ｙ ｍｅ ｎ ｆｃ ｍｐ ｔｒ ｄ ｌｎ ｎ ｉ ｌ ｔ ｆｐ ａ ｔ ｏ ｔ ｌ ｂ ｎ ｅ ｐ ｏ ｕ ｉ ｅ ｏ ｅ ｐ ｏ ｅ ｏ ｇ ｌ ｉ ｔ ｉ
拟植物整体生长 的研究现状 ， 并探讨了虚拟植物整体生长研究的难点 ， 并对虚拟植 物整体生长研 究的应用前景 作了简要 的

植物生长模型、模拟和可视化及其应用新进展
李保国;张宝贵
【期刊名称】《国际学术动态》
【年(卷),期】2004(000)004
【摘要】由中国科学院自动化研究所中法信息、自动化和应用数学联合实验室(HAMA)和中国农业大学联合举办的“植物生长模型、模拟和可视化及其应用”同际研讨会于2003年10月13-16日在北京举行。

有来自法国、荷兰、德国、澳大利亚、英国、泰国、日本和国内的数百名学者参会，共提交60多篇论文。

经评议，40篇被接收，其中包括4篇特邀报告。

会议论文集以“Plant Growth Modeling and Applications”专辑的形式由清华—Springer出版社正式出版，内容涵盖植
物生长的结构模型、功能和生理模型、模拟、可视化以及在农学、林学及土地利用方面的应用。

从本次学术交流中可概括出有关植物生长模型、模拟和可视化及其应用在近几年所取得的进展。

【总页数】2页(P30-31)
【作者】李保国;张宝贵
【作者单位】中国农业大学资源与环境学院，北京100094
【正文语种】中文
【中图分类】Q945.5
【相关文献】
1.木本植物三维可视化生长模型与林业生产 [J], 苏喜友;龙洁
2.植物共享光照资源的生长模型改进及可视化仿真 [J], 董天阳;张萃;范菁;陈巧红
3.第二届植物生长模型、模拟、可视化及其应用国际研讨会在北京召开 [J], 贺超兴
4.第二届国际植物生长模型、模拟、可视化及应用研讨会 [J],
5.第二届国际植物生长模型、模拟、可视化及应用研讨会会讯 [J],
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基于L-系统的植物三维可视化研究的开题报告一、选题背景植物是大自然赋予人类和其他生物最重要的生命资源之一。

随着人类的探索和发展，对于植物的认知也越来越深刻。

近年来，基于L-系统的植物建模和可视化已成为计算机图形学领域的一个热门研究方向，有助于我们更加深入地理解植物的生长和形态变化规律。

二、研究内容本文将以L-系统为基础，研究建立一套植物三维可视化系统，探索植物形态的生成与动态展示规律。

在系统设计与实现过程中，将会涉及到以下主要内容：1. L-系统的原理与建模L-系统全称Lindenmayer系统，是二十世纪六十年代由生物学家Aristid Lindenmayer提出的一种描述植物生长形态的形式语法。

本研究将重点研究如何通过L-系统构建植物的结构和形态。

2. 基于L-系统的植物三维建模在建立L-系统规则之后，将会进行三维建模的实现。

此处我们将采用开源3D引擎Unity开发工具，通过预设的树材质、材质球、模型等物品，生成各式各样的植物模型。

3. 植物动态演绎的可视化通过通过改变植物生长角度、荟萃程度等系统参数，让植物在时间中完成演化，形态随时间而变化。

将植物形态渲染到Unity中，以便可以进行3D动画和实时交互。

三. 研究意义和创新点1. 拓展对植物生长形态的认知通过研究基于L-系统的植物三维可视化，并结合计算机图形技术的应用，可以深化人们对于植物生长形态演化规律的理解，并拓展有关植物生长形态方面的相关研究。

2. 探索生态景观设计方法本研究植物三维可视化的技术应用，不仅可望拓展植物生长方面的相关理论研究，同时对于景观设计、生态环境等方面也将具有重要的借鉴价值。

3. 实现可视化系统的创新思路研究基于L-系统的植物三维可视化系统，经过本项目的深入探究和实践，可以有效把图像数字化，对于数据的模拟可视化和趋势的展示结合进行研究，同时可以通过这种方法进行数据的更直观和立体的展示，推进数学科研领域数字可视化的实际应用。

案例名称：植物生长模拟在农业领域的应用1. 背景随着全球人口的增加和城市化的进程，农业生产面临着越来越大的挑战。

如何提高农作物的产量和质量，优化农业生产过程，成为了农业科学家和农民们共同关注的问题。

植物生长模拟技术作为一种现代化、可视化且高效的方法，被广泛应用于农业领域。

它可以模拟植物在不同环境条件下的生长过程，并提供合理的种植方案和管理建议。

2. 案例过程2.1 研究目标某地区的农民希望通过植物生长模拟技术，优化小麦种植方案，以提高小麦产量和质量。

2.2 数据收集与处理研究团队首先收集了该地区近几年的气象数据、土壤数据以及小麦种植相关数据。

这些数据包括温度、湿度、光照强度、土壤pH值、土壤湿度等多个指标。

然后，研究团队使用植物生长模拟软件，将收集到的数据进行处理和整理，建立了一个小麦生长模型。

该模型考虑了温度、湿度、光照强度和土壤条件对小麦生长的影响。

2.3 模拟实验在建立好的小麦生长模型基础上，研究团队进行了一系列的模拟实验。

他们通过调节不同环境因素的数值，比如温度、湿度等，来模拟不同种植条件下小麦的生长情况。

在每次实验中，研究团队记录了小麦的生长速率、叶片面积、根系长度等参数，并与实际种植场地中的小麦进行对比。

2.4 结果分析与优化方案通过对模拟实验结果的分析和对比，研究团队发现了不同环境因素对小麦生长的影响规律。

例如，在高温高湿条件下，小麦生长速率较快但叶片面积较小；在低温低湿条件下，小麦生长速率较慢但叶片面积较大。

基于这些发现，研究团队提出了一套优化的小麦种植方案。

他们建议在春季选择适宜的温度和湿度条件下进行种植，以促进小麦生长的速度和叶片面积的均衡发展。

3. 案例结果通过应用植物生长模拟技术，该地区的农民实施了优化后的小麦种植方案。

经过一年的实践，比较了优化前后小麦产量和质量的变化。

结果显示，在优化方案下，小麦产量提高了10%，且粒子饱满度和品质得到了显著改善。

同时，在减少肥料使用和水资源消耗方面也取得了良好效果。

烟草花序结构 特征 ， 提取 了初始分形单 元 ， 以仿 射变
换为基本框架 ， 迭代生成 了花序生长 的拓扑结构与几
何模型。
１ 烟草花序 的形态 结构 特征
１ １・ ． 单花 的 形态 结构
化模 拟 ， 具有基本 的真实感 。但是 ， Ｌ系统在花序可视 化仿真方面还存 在器官模 型粗 糙和不易理解等不足 。 近年来 ， 为一种快速建 模方法 ， 图技 术 已成 为植 作 草 物几何 建 模 领 域 的研 究 热 点。在 花 序 建 模 中，Ｉ． ｊ ｉ ｒ ６ ｉ ］ － 等借助草 图技 术 ， 运用交互 式 的手势 和草 图界
农 机 化 研 究
第 ８期
其 中， 草 花的花冠 长大 ， 管状 ， 部 五裂 ； 烟 呈 上 花 萼 绿 色 呈 钟 形 ， ５个 萼 片 愈 合 而 成 ； 柄 两 端 分 别 由 花 与萼 片基 部 和 茎 相 连 ； 蕊 ５枚 ， 部 着 生 在 管 状 花 雄 基 冠 的 内壁 上 ； 蕊 １枚 ， 于 花 的 中 心 。 花 的颜 色 是 雌 位
９． ７＠ １ ３． ｏ 。 ２ ６ ｃｒ ｎ
１ 雌蕊 ．
２ 雄蕊 ．
３ 花冠 ４ 花萼 ． ．
５ 花柄 ．
通 讯作者 ：郭 新宇 （ ９ ３ ， ， 宁建平 人 ， 究员 ， 士生导师 。 １ ７ 一） 男 辽 研 硕
图 １ 烟草单花 的形态结构示意 图
２１ ０ １年 ８月
面 分 别对 花 序结 构 和几 何 模 型 进行 编辑 ， 现 了 多 种 实
烟 草单 花 由雌 蕊 、 蕊 、 冠 、 萼 和 花 柄 等 ５部 雄 花 花 分 组成 如 图 １ 示 。 ｍ， 所
花序模 型的快速 建立 。Ｚ ａ ［ 等 提 出了一种 基于 草 ｈｎ

植物生长模拟与优化算法研究植物生长是一个复杂且多变的过程，受到环境条件、土壤质量、水分供应等多个因素的影响。

在现代农业和生态系统管理中，精确预测和模拟植物生长对于优化农作物产量、增加生态环境的可持续性至关重要。

近年来，植物生长模拟和优化算法的研究正在成为一个热门领域，为我们提供了一种更好地理解和管理植物生长的方法。

一、植物生长模拟的意义和挑战植物生长模拟是通过模拟和预测植物在特定环境条件下的生长过程，以帮助农民、生态学家和环境管理者做出更明智的决策。

通过模拟植物生长，我们可以更好地了解植物对环境变化的响应，为农作物种植和生态系统管理提供指导。

然而，植物生长是一个高度复杂的非线性过程，需要考虑到各种因素的相互作用和动态变化，如光照、温度、水分、土壤中的营养元素等。

因此，植物生长模拟面临着很多挑战。

二、常用的植物生长模拟方法及其优缺点1. 基于物理模型的植物生长模拟方法基于物理模型的植物生长模拟方法将对植物生理过程的理解转化为数学表达式，以模拟植物生长。

这些模型通常基于植物的生理原理和物理规律，如光合作用、蒸腾作用和营养吸收。

物理模型可以提供对植物生长过程的定量描述，但也存在参数确定的困难和计算成本高的问题。

2. 基于统计模型的植物生长模拟方法基于统计模型的植物生长模拟方法将统计学方法应用于植物生长的建模和预测。

这些模型基于大量的实验数据和统计分析，通过拟合具有特定形式的函数来描述植物生长的规律。

统计模型可以提供对植物生长的概率分布的估计，但也存在对数据质量和模型结构的要求高的问题。

3. 基于机器学习的植物生长模拟方法基于机器学习的植物生长模拟方法利用机器学习算法来训练模型，并预测植物生长。

这些模型通过学习大量的输入和输出数据，来发现植物生长的模式和规律。

机器学习模型可以自动提取特征和学习非线性关系，但也存在对大量数据和计算资源的需求高的问题。

三、优化算法在植物生长模拟中的应用除了模拟植物生长，优化算法也被广泛应用于植物生长模拟中，旨在寻找最佳的决策和管理策略。

周宇花卉生长模型ORYZA2000
ORYZA2000是一种用于预测稻谷生长和发育的模型。

该模型由周宇开发，基于作物生长和环境因素的数学模拟。

ORYZA2000模型考虑了以下几个方面的因素：
1. 光合作用：模型考虑了光合作用对稻谷生长的影响。

光合作用是植物从阳光中获得能量并将其转化为生物质的过程。

ORYZA2000模型根据光照强度和天气条件估计光合作用速率。

2. 水分利用：稻谷对水分的需求很高。

ORYZA2000模型考虑了土壤水分含量和气候条件对水分的供应和利用情况。

模型可以预测稻谷生长过程中的干旱和水分缺乏。

3. 营养需求：稻谷的生长需要足够的营养物质供应。

ORYZA2000模型通过考虑土壤中的养分含量和植物对养分的吸收能力来预测稻谷的生长和发育过程。

4. 温度影响：稻谷生长和发育受温度的影响。

ORYZA2000模型使用周宇开发的温度模型，可以根据气温变化预测稻谷生长的进程。

通过综合考虑以上因素，ORYZA2000模型可以提供关于稻谷生长和发育的预测。

这对于农民和农业研究者来说非常有用，可以在种植稻谷时提供参考和指导。

总结：
- ORYZA2000是一种用于预测稻谷生长和发育的模型。

- 该模型考虑了光合作用、水分利用、营养需求和温度影响等因素。

- ORYZA2000模型可以提供关于稻谷生长和发育的预测，对农民和农业研究者有很大的帮助。

分形植物形态的模拟算法研究的开题报告一、研究背景和意义分形是指一种具有自相似性质的几何图形或物体，其特点是可以在各种尺度下看到相似的形态或图案。

分形的研究不仅有理论意义，而且应用广泛，在自然界和人工制品中都能看到分形的身影，尤其是在植物的形态建模中，分形已经成为了一种重要的方法。

植物的生长形态复杂多样，它们呈现出的分形结构是自然生长过程中的一种最基本的表现。

许多研究表明，植物的分形结构与其生长条件及生理状态密切相关，因此，对于模拟植物分形结构的研究不仅有助于对植物生长规律的深入理解，还能为植物模拟和识别、仿生机器人等领域提供一定的参考。

因此，本次研究旨在开展分形植物形态的模拟算法研究，探索高效、准确的分形算法，为植物形态建模提供新的思路和方法。

二、研究内容和方法本次研究的主要内容包括：1. 分析植物分形结构的基本原理，深入理解分形算法的基本思想。

2. 探索分形算法的常用方法，包括分形树算法、倒置分形算法等，分析其原理和特点，以期得到新的算法设计思路。

3. 提出一种基于遗传算法的分形植物形态建模方法，并将其与前述算法进行比较，验证算法的优劣性。

4. 基于开源框架（如Three.js、Viz.js）实现所设计的分形植物形态算法，以期得到可视化结果并方便进一步的测试和应用。

本次研究的主要方法包括文献调研和实验验证。

文献调研将重点分析分形算法及其在植物形态建模中的应用，实验验证将利用三维图形模拟软件，对所设计的算法进行模拟并分析结果。

三、研究进度安排1. 第一阶段：文献调研和算法设计（2周）2. 第二阶段：算法实现和调试（3周）3. 第三阶段：算法测试和性能分析（2周）4. 第四阶段：论文撰写和结论总结（2周）四、预期成果和应用1. 研究成果：提出一种基于遗传算法的分形植物形态建模方法，验证其优点和缺陷，并实现可视化效果。

2. 应用前景：为植物模拟和识别、仿生机器人等领域提供新的思路和方法，推动该领域的发展。

第 1 页 虚拟植物的研究进展 摘要 虚拟植物即应用计算机模拟植物在三维空间中的生长发育状况，是近20年来随着信息技术进步而迅速发展起来的研究领域，在农学、林学、生态学、遥感等众多领域有着广阔的应用前景。通过概述虚拟植物的研究意义、研究方法和国内外最新进展，探讨了虚拟植物模型在农业领域应用的关键问题，包括植物与环境相互作用关系的定量化及模拟机制，根系的虚拟等。对虚拟植物模型在农业领域中的应用，如通过虚拟试验对农田水分、养分利用进行精确定量化研究、作物株型设计、栽培措施优化等进行了展望。

关键词 虚拟植物 植物形态结构 三维数字化 可视化 虚拟实验 为定量化研究植物的生长规律，从60年代中期开始，研究人员就开始了植物生长的模拟研究。所建立的模型通过对植物生理生态过程的模拟，能够预测不同环境条件下生长的植物的某些综合指标，如作物的产量、牧草的生物量，叶面积指数动态，器官的生物量、数量等，而在植物形态结构和环境因素的时空变异对植物生长的影响等方面进行了简化处理[1]。这类模型与专家系统结合，对农业生产等领域具有重要的指导意义，但对于一些新的应用领域，已难以满足要求。

以农田系统为例，农田小尺度范围内的环境条件、作物生长便有着明显的时空变异性，近年来迅速发展起来的精确农业就是基于这种差异性而诞生的[2]。就水分而言，由于土壤条件、作物冠层和根系的形态结构在小尺度范围内便有着很大的时空变异，这些变异对根系吸水、土面蒸发、作物蒸腾都有着很大的影响，而生理生态模型在处理植物和土壤的时空变异性方面进行了较大的简化，难以对农田水分的运动与转化实现精确定量化研究。

近年来由植物学、农学、生态学、数学、计算机图形学等诸多学科交叉而迅速发展起来的虚拟植物模型[3, 4]，则具有满足这类需求的潜力。一般而言，生理生态模型具有容易获取参数、对计算机性能要求不高等优点，适宜于产量预测、土地生产力评价等方面的应用；而虚拟植物模型的参数较复杂、对计算机性能要求较高，在空间分辨率要求高、与植物形态结构相关的领域应用更具有优势，在精确农业、生态系统物能流空间规律研究、植物生长状况遥感监测、园林设计、虚拟教学等众多领域具有广阔的应用前景。本文拟从农业角度对虚拟植物的研究方法与关键技术、国内外进展、所存在的问题以及应用前景做一评述。

基于迭代函数系统的植物仿真建模研究的开题报告一、研究背景随着计算机技术和图形学的不断发展，计算机仿真技术在植物建模和渲染领域得到了广泛应用。

利用计算机技术实现植物的形态模拟和显示，可以在一定程度上弥补传统手工建模方法的不足，提高植物模型的真实性、可视化程度和交互性。

近年来，利用迭代函数系统（Iterated Function System, IFS）对植物进行仿真建模研究越来越受到关注。

迭代函数系统（IFS）是一种数学中的函数系统，通常用于生成自相似结构，如分形对象。

IFS将一个图形对象表示为多个几何变换的复合，其中每个变换都是一些平移、旋转或缩放等基本变换的组合。

通过不断地对这些变换进行迭代，可以不断扩大图形对象，并生成自相似的分形结构。

利用迭代函数系统，可以很好地生成植物的分形结构，进而对植物进行仿真建模。

通过设计合适的迭代函数和变换系数，可以得到逼真的植物形态，实现不同生长阶段的植物模拟及其交互式编辑。

二、研究目标本研究旨在设计一种基于迭代函数系统的植物仿真建模算法，实现逼真的植物形态模拟和交互式编辑，具体研究目标如下：1、分析植物生长与形态构造的规律，确定植物建模中所需的变换类型和参数。

2、设计基于IFS的植物分形模型及其相应的生成算法。

3、根据自然生长环境和生长物种的特性，确定植物模型的参数和参数的分布规律。

4、实现植物模型的动态生长过程模拟，并对模型进行交互式编辑。

三、研究内容本研究主要包括以下三个阶段：1、植物生长规律分析阶段分析植物的生长过程及其形态构造过程，确定植物建模所需的变换类型和参数。

2、植物分形模型设计及算法实现阶段设计基于IFS的植物分形模型，并开发相应的生成算法，根据自然生长环境和生长物种的特性，确定植物模型的参数和参数的分布规律。

3、植物模拟和交互式编辑阶段利用开发的算法实现植物模型的动态生长过程模拟，并对模型进行交互式编辑的设计与实现。

四、研究意义和应用价值1、本研究通过对植物生长规律的分析和对IFS算法的应用，实现了逼真的植物形态模拟，拓展了植物建模和渲染的技术应用。