基于群体行为环境敏感的虚拟根系构建方法技术

本发明专利技术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。本发明专利技术按照以下步骤进行：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。本发明专利技术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。

【技术实现步骤摘要】
基于群体行为环境敏感的虚拟根系构建方法
本专利技术涉及植物仿真
，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。
技术介绍
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。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。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。
技术实现思路
本专利技术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。本专利技术的技术方案是：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：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；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。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。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rr为半径构建球形区域Si，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Ci，其中ra＞rr；遍历根尖i，计算区域Si所包含的体素集合Si,V及邻居根尖集合Si,R，计算区域Ci所包含的体素集合Ci,V及邻居根尖集合Ci,R。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Vi,V可表示为：Vi,V＝Ci,V-(Ci,V∩Si,V)；确定生长空间Vi,V中已有的根尖集合Vi,R＝Ci,R-(Ci,R∩Si,R)；设定第i个根尖感知环境因素丰富度F(i)为：其中，V{E}表示体素V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_i,V。进一步的，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Si,R对第i个根尖的生长朝向影响量为：根尖集合Ci,R对第i个根尖的生长朝向影响量为:计算第i个根尖生长空间Vi,V中环境因素最丰富的体素V对生长朝向影响量为：其中，V{L}表示体素V对应的三维空间的中心位置L；计算根系感知感知环境因素中最丰富的三维区域Vmax的质心Q对第i个根尖生长朝向影响量为：进一步的，结合所述影响量与虚拟根系三维动态模型进行虚拟根系构建的方法是：第i个根尖的生长方向为：其中，w0，w1，w2，w3，w4为各因素影响量权重因子；由所有根尖的生长方向确定虚拟根系的构建。本专利技术能够通过根尖感知三维空间模型，获取其邻居环境因素及当前仿真周期内所有根尖感知环境因素实现根系生长与土壤环境的互相影响；通过获取邻居根尖信息，定义根尖间的交互实现单根行为对根系生长的影响，能够为虚拟植物整体研究提供模型支撑和分析手段，能够推动虚拟植物整体计算机建模与可视化仿真应用于精确农业。附图说明图1是本专利技术的流程图。图2是本专利技术的根尖感知三维空间模型的示意图。图3是本专利技术的根系生长过程示意图，其中，(a)是仿真周期为6时的根系；(b)是仿真周期为12时的根系，(c)是仿真周期为14时的根系，(d)是仿真周期为16时的根系。具体实施方式下面结合附图和实施例对本专利技术作进一步说明。一种基于群体行为环境敏感的虚拟根系构建方法，如图1所示，该方法包括如下步骤：(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；(2)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；(3)确定当前仿真周期内所有根尖感知环境因素最丰富的三维区域；(4)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；(5)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的构建。以下将对各步骤进行详细描述。步骤1：设定最大仿真周期tmax，仿真周期为t＝0。步骤2：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。具体为：根具有迭代结构，分支级数为e的单根能够产生分支级数为e+1的侧根；单根包含以下属性：顶端不分支区域(la)、末端不分支区域(lb)，分支间距(ln)，最大分支数目(n)；单根依据公式伸长，其中，k为该根尖所代表的单根最大长度，k＝la+lb+ln*n，r为初始生长速度；依据产生式控制根尖生长，其中，字符R表示根尖，Δt为仿真周期增量，l为该根尖所代表的单根长度，Δl为在Δt内增加的长度，D为根尖生长方向，FΔl为根尖所代表的单根长度有Δl变化；依据产生式控制根系分支，其中，字符B表示分支，c为单本文档来自技高网...

【技术保护点】
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。

【技术特征摘要】
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；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；遍历预测根系在三维空间中分布的字符串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rr为半径构建球形区域Si，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Ci，其中ra＞rr；遍历根尖i，计算区域Si所包含的体素集合Si,V及邻居根尖集合Si,R，计算区域Ci所包含的体素集合Ci,V及邻居根尖集合Ci,R；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：Vi,V＝Ci,V-(Ci,V∩Si,V)；确定生长空间Vi,V中已有的根尖集合Vi,R＝Ci,R-(Ci,R∩Si,R)；设定第i个根尖感知环境因素丰富度F(i)为：其中，V{E}表示体素V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_i,V。2.根据...

【专利技术属性】
技术研发人员：李松阳，高继勋，王淼，丁钰，李建，
申请(专利权)人：河南工程学院，
类型：发明
国别省市：河南;41