摘要：器官是植物形态构建的关键因子。本文从虚拟植物生长工作基本原理，并从基于L系统技术来虚拟植物的生长出发。针对植物形态结构的复杂，虚拟植物生长的各器官之间存在着很强的交互性和协调性，及目前虚拟植物模型构建方法可能带来的非结构化等问题，提出了利用L系统构建虚拟植物模型的技术，结合油菜生长的具体实际，虚拟植物的生长；最后对虚拟植物各个器官之间的关系和不同环境的适用性等方面进行了展望。
　　关键词：植物器官；虚拟生长；形态结构；L系统；栈
　　中图分类号：S126　文献标识码：B　文章编码：1672-6251(2008)04-0061-04
　　
　　1　引言
　　
　　虚拟植物是近20年来随着信息技术和计算机技术快速发展而出现的新兴的研究领域，是建立在植物学、计算机图形学、数学、虚拟现实技术等多学科基础之上的交叉学科。虚拟植物在农学、林学、生态学、遥感等领域有着广泛的应用前景。
　　
　　随着信息技术和计算机技术在农业领域应用的日益广泛和深入，目前已经在作物生理生态模拟，作物与环境关系(气候、土壤及水分)、农业专家系统、地理信息系统和农业数据库等多方面取得了成果。虚拟植物概念的内涵和外延也发生着变化。虚拟植物技术是植物模拟模型与计算机可视化技术有机结合的产物，是以土壤和环境数据库为基础，以植物模拟模型和专家系统作为驱动，以时间为主线，以计算机技术为手段。采用虚拟现实技术在计算机上模拟植物形态、生长发育过程及其与环境因素的交互过程，来完成辅助科研、生产决策和教学的现代农业信息技术。目前在虚拟植物模型方面的研究，主要集中在模拟模型构建方法、植物几何形态、植物生理机理模型等细节方面，相关软件设计也多局限于具体应用。农业系统是一个复杂的系统，系统内的各要素之间存在着很强的交互性和协作性，所以传统的应用多是着眼于解决单个问题，如各种农业专家系统，而在复杂问题的解决和决策方面则显得力不从心。
　　由虚拟植物形态结构可视化而发展起来的L系统技术。为解决例如农业系统这样的复杂系统提供了可行的方案。本文从基于L系统运行的基本原理，结合植物形态结构的具体实际，从虚拟植物技术的基本规则出发。解决了虚拟植物形态结构可视化的动态生长．并根据油菜具体的可视化形态结构，提出了利用L系统技术构建虚拟植物模型的观点，阐述了L系统技术在虚拟植物模型构建中的应用方法。
　　
　　2　L-系统基本原理
　　
　　1968年，美国生物学家Lindenmayer研究植物提出的植物生长的数学模型，其相应的较为严格的数学描述如下：L-系统是一个有序的三元组L=(G，W，P)，其中G是字母表；W是起始符号串，称之为公理。用以确定字符串的初始状态，且W ∈ G+，G+是定义在G上的非空单词：P是一个有限生成规则集，某一生成规则可表示为β-φ，其中β∈G，φ∈G*．G*是定义在G上的单词，递归调用生成规则集可得到有特定字母组成的字符串为使该字符串能表示某种图形，需要对字符串进行解释，可用龟标记字符串图形解释，解释方法如下：
　　F：向前移动步长d，龟的状态变为(x1，y1，α)，这里xl=x+dcosα，y1=y+dsinα，并在点(x，y)到(xl，y1)之间画一条线段。[：将龟的当前状态压入栈中，存入栈中的信息包括龟的当前位置和方向。]：将栈中状态弹出，作为龟的当前状态。尽管龟的位置有改变，但不画任何线段。+：由当前方向顺时针旋转6，龟的下一状态为(x，y，a+δ)。-：由当前方向逆时针转旋δ，龟的下一状态为(x，y，α-δ)。所有其他符号均不予解释，龟保持当前状态。应用到具体的自然现象中，可描述为在理想化的树枝生长过程中，从一条树枝(根)开始，一年后发出新的牙枝。而发过牙枝的枝干每年又都发新芽枝，每一段枝条在新的一年中重复往年发芽的规律。故此二维树的数学模型为：用改写规则表示一段枝条的发芽规律，然后，再以递归的方式进行同样的过程，该过程持续到最终分枝。
　　
　　3　虚拟植物模型
　　
　　目前虚拟植物模拟的方法和软件有很多种。如：植物体规模方式类、模拟结构功能模型功能类、模拟形态结构方法类和模拟模型应用类等。之所以存在这么多种类模型其原因有二个，首先是人们长期在自己的科研究领域应用计算机技术解决实际问题而形成的。其次是由于软件工程技术在当时还没有能够较好地反映问题域的方法和手段。即人们对问题域进行抽象和描述的技术手段不够先进，不能直观影射问题域。目前应用较多的是依据规模表述的可持续性模拟。其分为静态模拟和动态模拟。静态模拟是采用测定的植物形态结构数据建立的计算可视化模型，用于研究与植物空间结构相关的性质。这种模拟中需要大量的数据支持。且不能反映植物形态结构的动态变化规律。动态虚拟植物可视化生长是在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基础上提取的植物器官生长函数而建立的可视化持续生长，关键用于反映植物生长过程的规律，调节好植物与环境的交互性生长。静态模拟可以在深入研究的基础上归并到动态模拟中。而动态模拟中又可以从功能实现角度分为：生长时间连续性和可视化。生长机模型又可以细分为形态发生模型和生理生态模型。可视化模型则是基于计算机图形学基础的植物三维构建的模型。
　　
　　
　　
　　4　L系统虚拟油菜结构模型
　　
　　在植物生长过程中，植株的各个叶片的大小与空间位置决定了植株能截获多少光辐射，从而影响植株能合成多少同化物；这些同化物分配到植株的各个正在生长的器官中去，从而使得叶片长大，节间伸长和增粗等。在条件许可时，植株上的芽还会长出新的侧枝、开花并形成果实，使植株体上的器官数量增加。这样植株的形态结构又得以改变。植物形态结构的变化也会影响植物的微气象条件，以及土壤水、肥状况，从而改变植物所处的局部环境。而环境条件的改变。反过来又影响植物的功能过程。油菜主体结构由轴(plant axis)组成，油菜的主干称为主轴；分枝用不同级的轴命名，如主杆上的枝条称为1级侧轴。1级侧轴的分枝称为2级侧轴，依次类推。如图1所示，轴上生叶的部位称为节，节与节之间的那段轴称为节间(intemode)。轴顶端的芽称为顶芽，叶腋处的芽称为腋芽，侧枝由腋芽发育形成。节和节间，以及节上的侧生器官(叶、腋芽、花或果实)的集合植物学上称为植物分生单位(metamer或phytomer)，简称为叶元。长一个新叶元的时间的为节周期。
　　综合L系统字符串产生原理和油菜形态结构分析，在L系统产生的最后字符串中，解析油菜形态结构，它是由以下几个部分所组成：节点、无柄叶、长柄叶、短柄叶、叶芽、主茎和花等，分枝通过‘[’‘]’来定义，具体字符串表示如下：
　　Rapeseedl[
　　Iterations=1

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