计算机科学与生命科学第三讲

计算机模拟植物形态
虚拟植物模型可以分为两类： （二）动态模型
在进行了大量野外监测和数据收集之后，对植物的结构形成的动态规律 就有了一定的了解。虚拟植物的动态模型，就是基于对植物生长过程中拓扑 结构演变和几何形态变化规律的研究，提取植物的生长规则而建立的，模型 用以反映植物生长过程中的规律，是虚拟植物模型的主要发展方向。 目前，植物拓扑结构中常的模型可以分成几大类，在这些模型的建立中， 计算机起着不可替代的作用。L系统、迭代函数系统、随机过程系统。
计算机在植物分类学中的应用
1. 中国植物物种信息数据库：http://www.plants.csdb.cn/ 2. 中国数字植物标本馆：http://www.cvh.org.cn/cms/
计算机模拟植物形态
随机过程系统（AMAP）: 20世 纪70年代法国植物学家Halle等人 通过对植物结构的长期观察研究 提出，世界上所有植物都可以用 23种基本结构来描述，并且用23 为著名的植物学家命名了这些结 构（没有中国人）。对于某一种 植物， AMAP模型对其进行定性 分析，可确定描述其结构的基本 模型，在此基础上对植物结构进 行定量化。同时，植物的生长具 有一定的随机性，如某个位置的 侧芽是否产生分枝、分枝的类型 与出现的时间等， AMAP模型应 用概率分布和随机过程理论描述 其规律。该系统依靠功能强大的 田间数据采集与分析模块，将测 定的植物各类数据输入数据库， 应用马尔可夫过程分析植物拓扑 结构演化规律，通过模式识别方 法提取生长规则。
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虚拟植物模型可以分为两类： （一）静态模型
应用三维数字化方法测定 植株空间结构的三维坐标，进 行处理以后建立静态模型。实 际上就是对植物的三维再现。 这种模型对实际植物冠层的属 性分析具有很大的优势，可以 模拟植物冠层中的光的分布， 还可以做植物形态结构与遥感 影像的比较研究。 但静态模型不能反映植物 生长过程，而且建模时需要大 量的实测数据支持。
计算机模拟植物形态
L系统的可视化工具：可以实现L规则的编辑，可以运行L规则（按规则不断 的重写字符串），可以生成相应的三维造型（具有一个造型库）。 L-Studio:
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L-Studio:
主页：http://algorithmicbotany.org/lstudio/ 应用举例：《计算机与现代化》2010年第十期第78页
L系统 L系统是植物生长建模的主要方法之一。1968年由Lindenmayer提出。其 本质是一个字符串生产系统。用L系统模拟植物是一个信息膨胀的过程。
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例1：某种植物有两种不同的细胞组成，X型细胞和Y型细胞。在实验中观测 到该植物的繁殖过程是：从一个X型单细胞开始，X型细胞生长到一定时期总 会转变为Y型，Y型继续生长，一段时期后总会分裂成X和Y两个细胞。
虚拟植物的研究方法： 1. 对不同生长条件、不同生育阶段的植物进行定性观察，判别其生长模式，确定描述 其形态结构的总体框架。 2. 定量化测定植物的拓扑结构、几何特征、机械性质等。 3. 将测定数据输入数据库，通过数理统计、模式识别等方法，提取植物形态结构规则。 4. 模型依据植物生长规则模拟植物生长，应用可视化技术在计算机上实现虚拟植物。
我国植物学的发展历史
曼陀罗花
源自文库
植物学的分支
1. 植物形态学：研究植物从细胞到器官的形体和结构，又细分为 植物细胞学、解剖学、组织学、胚胎学等。 2. 植物生理学：研究植物各部分或整体的功能和行为，其中一个 重要组成学科为植物化学，研究植物生命过程中化学组成、变 化、代谢的化学产品。
3. 植物遗传学：研究植物的种质和遗传、变异等现象，与植物的 进化密切相关。
起始
第一次
第二次
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例3：在例2的基础上，芽（X）在分叉时出现三种情况：一，左右两个芽都 成活；二，左边的芽成活；三右边的芽成活。这三种情况出现的概率是一样 的，即各为1/3。
L系统规则： ω表示起始值，p表示重写规则，[ ]表示分枝，+表示向左分枝， -表示向右分枝。 ω:X p1: X -> Y[+X][-X]YX: 1/3 p2: X -> Y[+X]YX: 1/3 p3: X -> Y[-X]YX: 1/3 p4: Y -> YY
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植物的分枝的类型 植物体的生长有伸长、加粗和分枝三种基本方式。植物茎的分枝具有一 定的规律性，一般来说有4种基本类型： 1. 二叉分枝
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植物的分枝的类型 植物体的生长有伸长、加粗和分枝三种基本方式。植物茎的分枝具有一 定的规律性，一般来说有4种基本类型： 2. 单轴分枝
参数L系统：例1中提到的X、Y两种细胞可视作一个细胞的幼年期和成熟期两 个阶段，那么例1中的L系统规则可以理解为幼年长成成体，成体分裂为一个 幼体和一个成体。针对这个问题，可以引入一个参数来进行描述，例如用t表 示细胞所处的不同生理年龄。 例1中的L系统规则： ω:X p1: X -> Y p2: Y -> XY 新规则： ω : A(0) p1: A(t): t=0 -> A(t+1) p2: A(t): t=1 -> A(t-1)A(t)
L系统规则： ω表示起始值，p表示重写规则。 ω:X p1: X -> Y p2: Y -> XY
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L系统规则： ω:X p1: X -> Y p2: Y -> XY 递归式编程伪码（pseudocode）:
h(a,n):=if(n<=0) { print “完成！”; } elseif(n=1) { if(a=“X”) { print “Y”; } else { print “XY”; } } else { if(a=“X”) { h(“Y”,n-1); } else { h(“X”,n-1).h(“Y”,n-1); } }
计算机模拟植物形态
虚拟植物研究的意义： 植物的形态结构很大程度上决定着植物的竞争力和资源获取强度。虚拟 可实现植物形态结构的定量化，可以非常直观的对农田、公园、森林等生态 系统进行研究，发现传统研究方法和技术手段难以观察到的规律。虚拟实验 可部分替代现实世界中难以进行或费时费力、昂贵的实验。如在公园、住宅 区内栽种花草树木前，可应用虚拟模型预测所栽植物数年后的生长状况，从 而确定所采用的栽种密度、品种搭配是否理想。而在农业领域，可以虚拟育 种、虚拟施肥、虚拟剪枝等，还可以通过调控环境状况以促进作物生长，达 到高产高效目的的。新西兰的Hort研究所利用虚拟作物技术对猕猴桃品种进 行了改良，开发了虚拟猕猴桃树的系统，使人们可以在计算机显示器上观看 猕猴桃树发芽、生长、抽枝、展叶、开花、结果和果实成长。猕猴桃一年的 生长周期被按比例缩至不到一分钟的时间。 虚拟植物还具有更广泛的应用价值。虚拟农场可以让学生或农民在计算 机上学习作物生长过程和农田管理知识，或进行娱乐，这样可以取得传统方 法无法达到的效果。对农业科技成果的推广而言，使农民更容易理解和掌握 先进的农田管理技术。
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植物的分枝的类型 植物体的生长有伸长、加粗和分枝三种基本方式。植物茎的分枝具有一 定的规律性，一般来说有4种基本类型： 3. 合轴分枝
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植物的分枝的类型 植物体的生长有伸长、加粗和分枝三种基本方式。植物茎的分枝具有一 定的规律性，一般来说有4种基本类型： 4. 假二叉分枝
计算机模拟植物形态
例2：某种植物体由芽（X）和枝（Y）组成。在实验中观测到该植物的繁殖 过程是：每个芽要长成2节枝和3个芽，每节枝要长成2节枝。 L系统规则： ω表示起始值，p表示重写规则，[ ]表示分枝，+表示向左分枝， -表示向右分枝。 ω:X p1: X -> Y[+X][-X]YX p2: Y -> YY
4. 植物生态学：研究植物与环境的关系，与上述的植物生理学密 切相关，还包括植物地理学、植物和地表关系学、植物社会学 （植物群落学）。 5. 植物分类学：研究植物的分类和命名，和它们的系统演化。 计算机在植物学中的应用：植物形态模拟（虚拟植物）、植物 功能模拟、植物分类学应用、植物学实验中数据处理。
计算机科学与生命科学（3）
计算机与植物学
2014年秋季学期通选课程 上课时间：周一 19:00点 上课地点：软件园4区402d 主讲人：魏天迪 讲义网址：http://www.mbtech.sdu.edu.cn/biocomp/
我国植物学的发展历史
医圣李时珍在小的时候就听爷爷说在武当山 天柱峰上有一种神奇的花，名为曼陀罗，是“医 药和毒药共用之物，人神魔三界共爱之花” 。 人们一见到它就会情不自禁的又唱又跳。但可惜 的是爷爷一生也未找到。后来李时珍历经千辛万 苦找到了曼陀罗，并亲自服用以验性能。在《本 草纲目》中记下了“割疮灸火，宜先服此，则不 觉苦也”。 后来，曼陀罗被古人用于制做“麻醉散”、 “蒙汗药”、“吐真剂”、“春药”。李时珍之 前，根据民间的经验曼陀罗毒可通过服用大豆来 解。然而，李时珍当时通过实验证明，曼陀罗毒 仅仅用大豆来解效果不明显，大豆和甘草同时服 用更有效。 金庸《神雕侠侣》中描写的绝情谷中的情花即是曼陀罗。化解情花毒有两 种方法：其一，服用“绝情丹”；其二，服用“断肠草”。 由于曼陀罗花独特的外形，佛教视之为整个宇宙的萎缩模型，代表了宣传 平等的宗教思想。
计算机模拟植物形态
虚拟植物是利用计算机制作出来的栩栩如生的仿真树木、花草等。虚拟植物的研 究始于20世纪80年代。虚拟植物的特征主要有以下几点：
1. 主要面向植物的形态结构。形态结构指的是植物地上部分和根系在三维空间中的 占据方式，包括器官在植物个体上的排列方式、几何形态、空间伸展方式。目前， 也有少部分将植物形态与功能项目联系起来的研究，但重点还是在形态上。 2. 研究对象是个体而非群体。 以植物的器官为最基本的尺度来模拟植物个体的生长 发育规律，并基于植株个体之间的相互作用来推测植物群体的生长。 3. 建立的模型是三维的。一些动画片、广告中的三维植物动画虽然视觉上很逼真， 但不是从植物形态结构的定量描述的基础上建立的。虚拟植物要求反映植物生长 的客观规律，而不仅仅是视觉上的相似。
Massart模型：雪松
计算机模拟植物形态
植物间相互作用的模拟：
计算机模拟植物形态
植物形态、生长过程、受损过程、植物间相互作用、植物与环境间相互作用 的综合模拟：
计算机模拟植物形态
植物形态、生长过程、受损过程、植物间相互作用、植物与环境间相互作用 的综合模拟：
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智慧树的生长过程：