基于人工智能的虚拟树木生长过程模拟

论文摘要

随着计算机技术的发展,虚拟现实技术逐渐广泛地应用于各行各业中。虚拟树木作为虚拟现实技术的一种,在娱乐、商业、教育等行业中作为虚拟场景的应用已经比较普遍。现代林业越来越重视对树木生长过程的研究,虚拟树木具有操作灵活、可视性好的特点,可以在计算机上进行虚拟实验来检验过去不能直接进行实验验证的假说,或者对虚拟树木实施不同的培育方案,亦可以建立虚拟农场,很好地克服了实际林业生产中存在的研究对象体积大、生理周期长、实验困难、易受环境影响等问题。越来越多的学者和研究人员注意到虚拟树木技术在林业中的应用前景。现阶段虚拟树木的研究主要是对树木的外形比如树干形态、枝叶形态、表面纹理颜色等进行模拟。此状态下的树木模型功能单一,只能用于建立比较逼真的虚拟树木场景,不能动态地表现树木的生长过程。在此基础上将树木的生长生理与形态相结合,建立树木的生理生态虚拟模型成为研究的新方向,包括树木生长过程中树干胸径和高度的变化、分枝情况、树叶生长、环境因素影响下的生长情况等内容,并逐步将各功能模型结合到一起,形成完整的树木生长模型。论文的主要工作有：（1）树木的基本结构采用常用的L-系统模型,在L-系统的基础上引入参数控制,适当添加随机变量,为树木生理过程的添加做准备,从生长的角度模拟树木。（2）树木的生理是复杂的过程,必须用数学的方式表达出来才能将其结合到树木形态模型中。论文中总结了树木在光照和水分影响下树木生长的数学模型,为树木生长模型的建立打下基础。（3）论文中对树木生长过程中树高生物量的变化过程进行模拟。由于树木生长周期长,并且生长过程容易受环境等外部因素影响,生长量数据的采集具有一定难度。针对这一问题,论文中采用支持向量回归结合遗传算法的方法对有限的生长量数据进行数学建模,避免了通常使用非线性回归方法中由于方程选择和回归精度造成的误差。（4）采用Visual C++与OpenGL相结合,模拟树木的生长过程,并建立仿真平台。实验表明,论文中采用的方法是可行的,能较真实地模拟树木生长量的变化过程,并且具有一定的使用价值,为今后虚拟树木的研究打下基础。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 引言
• 1.1 研究目的及意义
• 1.2 国内外研究现状及发展趋势
• 1.2.1 国外研究概况
• 1.2.2 国内研究现状
• 1.2.3 发展趋势
• 1.3 论文主要研究内容
• 2 植物形态建模方法
• 2.1 L-系统
• 2.1.1 上下文无关L-系统
• 2.1.2 上下文相关L-系统
• 2.1.3 随机L-系统
• 2.1.4 参数L-系统
• 2.2 随机过程方法
• 2.3 分形方法
• 2.4 本章小结
• 3 树木生长生理过程及数学模型
• 3.1 S形生长过程
• 3.2 光照模型
• 3.2.1 对光合作用的影响
• 3.2.2 向光性
• 3.3 水分模型
• 3.3.1 树木根系对水分的吸收
• 3.3.2 树木的蒸腾作用
• 3.3.3 树木体内水分的运输
• 3.3.4 水分对树木生长的影响
• 3.4 林窗模型
• 3.5 本章小结
• 4 基于人工智能方法的树木生长过程模拟
• 4.1 支持向量机
• 4.2 遗传算法
• 4.3 树木高度生长过程的模拟
• 4.3.1 核的选取
• 4.3.2 参数遗传算法优化选择
• 4.3.3 SVR生长模型
• 4.4 本章小结
• 5 基于L-系统的树木生长仿真平台设计
• 5.1 仿真工具介绍
• 5.2 L-系统算法的计算机实现
• 5.3 二维树木仿真平台
• 5.3.1 上下文无关二维系统
• 5.3.2 随机L-系统
• 5.3.3 二维树木仿真平台
• 5.4 三维树木仿真平台
• 5.4.1 上下文无关三维系统
• 5.4.1.1 三维L-系统
• 5.4.1.2 三维上下文无关L-系统仿真平台
• 5.4.2 参数L-系统
• 5.4.2.1 L-系统表示
• 5.4.2.2 环境参数树木模型
• 5.4.2.3 参数L-系统树木仿真平台
• 6 总结与展望
• 6.1 论文总结
• 6.2 未来展望
• 参考文献
• 个人简介
• 导师简介
• 获得成果目录清单
• 致谢