基于群体行为环境敏感的虚拟根系构建方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于群体行为环境敏感的虚拟根系构建方法，属于应用计算机进行植物仿真的领域。本发明按照以下步骤进行：采用L系统建立虚拟根系三维动态模型，预测根系在三维空间中分布；依据根尖感知三维空间模型，获取其邻居环境因素及邻居根尖信息；确定所有根尖感知环境因素最丰富的三维区域；定义和计算邻居环境因素、根尖以及感知环境因素最丰富的三维区域对根系生长过程的影响量；结合影响量与虚拟根系三维动态模型从而实现环境影响下虚拟根系构建。本发明能够根据环境因素的变化，动态的构建虚拟根系的生长变化过程，为根系研究提供了模型支撑和分析手段。
【专利说明】基于群体行为环境敏感的虚拟根系构建方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及植物仿真【技术领域】，具体涉及一种基于群体行为环境敏感的虚拟根系 构建方法。
【背景技术】
[0002] 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，作为"精准农业" 的一项关键技术，可应用于农林业生产指导、生长过程建模与模拟、可视化分析等方面。到 目前为止，植物地下部即根系隐藏于土壤中，由于对其进行直接观察和定量研究难度大以 及根系形态构型机理不明确等原因，使根系成为虚拟植物研究的薄弱环节。植物的生命活 动是整体进行的，植物在生长过程中，总是不断在调节根冠关系以适应环境变化。作为植物 与环境进行物质与能量交换的重要界面，虚拟根系已经成为虚拟植物的研究重点。
[0003] 根系的生长发展离不开土壤环境。温度、水分、营养、PH值等土壤环境因素都会影 响根系的形态。在不同的土壤环境中，根系有不同的结构特征。根的向水性、向药性等，都 说明土壤环境因素对根系生长具有导向性。在根系中，拥有众多的单根。根系生长发展也 受到单根行为的影响。比如能够区别自我与非自我根、能够与相邻根系分享获取的信息、能 够实现导航、协调、合作、竞争、共生等行为决策，形成复杂的根系。
[0004] 目前，关于虚拟根系的构建方法，已经有了很多相关工作。一类方法基于对整个 根系生长明确的描述，构建虚拟根系方法，实现根系拓扑结构和几何形状在空间和时间上 变化的仿真，但是这类方法没有考虑根系生理过程，比如根伸长、直径生长、分支、死亡以及 水、氮等营养的吸取与传输等对根系生长的影响；一类方法基于根密度在空间以及时间上 的连续变化函数，构建虚拟根系方法，实现单根到根群体不同尺度根系仿真，但是这类方法 没有考虑根系生态生理方面的功能；令一类方法把根系功能与结构结合起来，同时考虑根 系结构、生理过程以及土壤环境条件，构建虚拟根系方法，但这类方法随着根系生长以及参 数的增加，计算能力限制了其应用。现有的虚拟根系构建方法中，少有考虑根系生长与土壤 环境的动态交互，也没有考虑根系中众多单根行为对根系生长的影响。
【发明内容】
[0005] 本发明要解决的技术问题是提供一种基于群体行为环境敏感的虚拟根系构建方 法，能够考虑土壤环境因素与根系生长的动态交互以及众多单根生长行为对根系生长过程 的影响。
[0006] 本发明的技术方案是：一种基于群体行为环境敏感的虚拟根系构建方法，按照以 下步骤进行：
[0007] 步骤1 :采用L系统建立虚拟根系三维动态模型，预测根系在三维空间中分布；
[0008] 步骤2 :构建根尖感知三维空间模型，利用根尖感知三维空间模型获取邻居环境 因素和邻居根尖信息；
[0009] 步骤3 :确定所有根尖感知环境因素最丰富的三维区域；
[0010] 步骤4:定义和计算邻居环境因素、邻居根尖信息以及根尖感知环境因素最丰富 的三维区域对根系生长过程的影响量；
[0011] 步骤5 :结合影响量与虚拟根系三维动态模型进行虚拟根系的构建。
[0012] 进一步的，建立虚拟根系三维动态模型，预测根系在三维空间中的分布的过程是： 初始根系生长状态；依据单根自相似的结构，用L文法中的字符表示虚拟根系的器官用L文 法中的产生式表示虚拟根系的生长规则，其中，根尖为R，根尖生长方向为D ;控制根系生长 过程；经过产生式迭代产生预测根系在三维空间中分布的字符串String。
[0013] 进一步的，构建根尖感知三维空间模型，并利用根尖感知三维空间模型获取根尖 邻居环境因素及邻居根尖信息，其步骤为：对根系所处三维空间按照体素 V进行划分，体素 V对应划分三维空间的位置L、环境E和根尖信息R ;遍历字符串String，对字符R计数，计 算根尖总数为RN ;以第i个根尖的所在空间位置Pi为中心点以G为半径构建球形区域Sp 其中1〈 = i〈 = RN ;再以ra为半径，α为圆锥角，以第i个根尖生长方向Di为轴线方向构 建锥形区域Q，其中ra > & ;遍历根尖i，计算区域Si所包含的体素集合SiiV及邻居根尖集 合SiiK，计算区域Q所包含的体素集合C iiV及邻居根尖集合ciiK。
[0014] 进一步的，确定所有根尖感知环境因素中最丰富的三维区域，其步骤为：采用体素 集合Si， v和Ci，v确定第i个根尖的生长空间\ν可表示为：
【权利要求】
1. 一种基于群体行为环境敏感的虚拟根系构建方法，其特征在于，包括以下步骤： 步骤1 :采用L系统建立虚拟根系三维动态模型，预测根系在三维空间中的分布； 步骤2 :构建根尖感知三维空间模型，利用根尖感知三维空间模型获取邻居环境因素 和邻居根尖信息； 步骤3 :确定所有根尖感知环境因素最丰富的三维区域； 步骤4 :定义和计算邻居环境因素、邻居根尖信息以及根尖感知环境因素最丰富的三 维区域对根系生长过程的影响量； 步骤5 :结合影响量与虚拟根系三维动态模型进行虚拟根系的构建。
2. 根据权利要求1所述的基于群体行为环境敏感的虚拟根系构建方法，其特征在于， 建立虚拟根系三维动态模型，预测根系在三维空间中的分布的过程是：初始根系生长状态； 依据单根自相似的结构，用L文法中的字符表示虚拟根系的器官用L文法中的产生式表示 虚拟根系的生长规则，其中，根尖为R，根尖生长方向为D ;控制根系生长过程；经过产生式 迭代产生预测根系在三维空间中分布的字符串String。
3. 根据权利要求1所述的基于群体行为环境敏感的虚拟根系构建方法，其特征在于， 构建根尖感知三维空间模型，并利用根尖感知三维空间模型获取根尖邻居环境因素及邻居 根尖信息，其步骤为： 对根系所处三维空间按照体素 V进行划分，体素 V对应划分三维空间的位置L、环境E 和根尖信息R ;遍历字符串String，对字符R计数，计算根尖总数为RN ;以第i个根尖的所 在空间位置Pi为中心点以匕为半径构建球形区域Sy其中1〈 = i〈 = RN ;再以ra为半径， α为圆锥角，以第i个根尖生长方向Di为轴线方向构建锥形区域Q，其中ra > & ;遍历根 尖i，计算区域Si所包含的体素集合SiiV及邻居根尖集合SiiK，计算区域Q所包含的体素集 合C i;v及邻居根尖集合Ci;K。
4. 根据权利要求1所述的基于群体行为环境敏感的虚拟根系构建方法，其特征在于， 确定所有根尖感知环境因素中最丰富的三维区域，其步骤为： 采用体素集合Si;v和Ci;v确定第i个根尖的生长空间Vi;v可表示为：
中的环境因素 E; 计算所有根尖所感知环境因素最丰富区域的根尖标识为： F (max_i) = max {F (0), F (1),. . . , F (RN)}； 确定所有根尖感知环境因素中最丰富的三维区域Vmax = Vmax iiV。
5.根据权利要求1所述的基于群体行为环境敏感的虚拟根系构建方法，其特征在于， 定义和计算邻居环境因素、邻居根尖信息以及根尖感知环境因素最丰富的三维区域对根系 生长过程的影响量，其步骤为： 根尖集合SiiK对第i个根尖的生长朝向影响量为：
【文档编号】G06F17/50GK104091012SQ201410313470
【公开日】2014年10月8日 申请日期:2014年7月2日 优先权日:2014年7月2日
【发明者】李松阳, 高继勋, 王淼, 丁钰, 李建 申请人:河南工程学院