1、虚拟植物技术与农业药学一班 1010307106 韩旭首先，我要先介绍一下什么是虚拟植物技术。早在 20 世纪 60 年代中期，人们就设想利用计算机对植物生育过程进行模拟。但由于计算机软硬件的限制，在很长的一段时间内，相应的研究进展不大。直到 70 年代，建立在高性能计算机和相关数字监测设备(如三维数字化仪等)基础上的虚拟现实技术，才使得人们能够建立起虚拟植物模型，然后在计算机上以三维动画的形式再现植物的生长发育过程，这就是所谓的虚拟植物。需要指出的是，这里所指的虚拟植物并不仅限于基于算法所构建出的具有真实感的植物图像。而是从植物的生物学习性出发，综合了植物生理过程、环境因素以及栽培管理措施，
2、具有三维空间结构的植物。为了建立能反映植物学的 3-D 虚拟植物，首先需要在田间试验的基础上结合已有的植物学知识建立虚拟植物模型(数学模型)，然后才能利用这些数学模型在计算机上对植物的发育进行模拟。下面我再介绍一下，目前比较成熟的一些虚拟植物方法。虚拟植物的方法主要有分形(Fractal)法、L 一系统和基于随机过程的数学方法(以 AMAP 为代表)。关于各种方法的发展形成史在这里将不过多赘述，我只是大体介绍一下这些方法。我们先来看一下什么是分形法，以及他对农业的意义。简单来说分形方法是根据植物的形态结构，利用描述自相似性 fSelf-similarity)的数学工具来表现植物生长的拓扑以及形
3、态结构。主要包括迭代函数系统 IFS flterated Function Systeml、分枝矩阵(Ramification matrix）、粒子系统(Partial system)、正规文法方法、A 系统(A-system) 以及 Oppenheimer 提出的特定的分形方法等。由于分形法追求视觉效果逼真，不关心中间过程是否与植物学规律一致，所以多用于园林景观设计。L 一系统是美国生物学家 Lindenmayer 于 1968 年提出的。它是一种形式化语言方法，通过对植物生长过程的经验式概括和抽象，建立植物各器官、组织的生长规则，然后根据这些规则，生成字符发展序列developmental
4、 sequences 0f words)，通过植物与分形发生器 fcontinuous plant fractal generator，cpfg)程序模块对产生的字符串进行几何解释，生成具有三维效果的植物形态。在 L 一系统中，植物的结构部分是通过不同字母体现的。不同的字母代表着特定的组织或器官，字母的排列顺序代表着结构中的拓扑联系。L一系统具有高度的抽象性，其产生式规则虽然允许参数值和生长规律容易地改变，但植物学意义不直观，实际的模拟过程相当繁琐。当然，这一方法也有优势，通过植物结构反馈的信息可被再次用作模拟，在规则内可以对模拟过程实时控制。目前，L 一系统多用于虚拟结构简单的 1 年生作物
5、。虚拟植物随机过程的方法主要指 de Reffye 等人提出的基于“有限自动机”(finite automaton)，也称为“参考轴技术(Reference axis technique)”。下面我主要介绍一下其中的代表性技术 AMAP。AMAP 系统(Advanced Modeling of Architecture0f Plant)是建立在参考轴技术上的虚拟植物系统。在 AMAP 系统中，对植物结构的测量、编码和建模由AMAPmod 完成。AMAPmod 整合了几种类型的随机过程：离散分布和合并离散分布(如新梢上节间数量的模拟)，更新过程(分析有时间顺序过程如叶片出现时间)，离散马尔科夫过
6、程(如在新梢上模拟分枝和不分枝的节间顺序)。AMAPmod 还内嵌了一套专门的建模语言(Amap Modelling Language，AML)，利用 AML 就可以对植物的拓扑结构、几何结构和空间结构进行描述和编码。在 AMAP 系统中，对植物结构发育过程模拟由 AMAPsim 软件实现。AMAPsim在进行植物的动态模拟时，需要利用外界输入或者 AMAPmod 创建的模型和参数变量，如果在某一实际年龄(或生理年龄)段内没有数据，AMAPsim 就会根据已有的数据自动进行插：值。以便能够产生一个真实的三维虚拟植物。像这种技术比较成功的应用实例有，利用这一系统对几个有关光合产物分配理论进行模拟的结果与真实值很接近，而 AMAPDara 对树木年轮的模拟已相当精确。以上的技术介绍仅限于理论研究，但到底能不能为人类谋福依旧需要实践的检验。迄今为止，国内外真正基于大田作物的虚拟植物系统尚未建立，主要是因为对栽培条件下作物生长发育规律研究远不够深入，各种生态和生物因子的数据库及参数短期内难以确定，相关的虚拟植物模型构建等基础工作匮乏。所以一个完善的虚拟植物体系建立和在农业上大规模推广，还需要一个较长的过程。
