虚拟植物研究是一种针对植物个体或种群,集植物学、系统生物学、应用数学、信息科学和计算机图形学、可视化技术等为一体的交叉学科研究,是目前大家广为关注的热点研究之一。虚拟植物模型的构建,是进行虚拟植物研究的基础和关键。植物实际的生长发育是一个复杂多变的过程,形态模型构建的有效性就显得尤为重要。因此,在虚拟植物形态发生模型的研究上,克服模型存在的单一性、局限性,符合植物自身的生长机理,满足更多的植物建模需求就成为本文重要的研究内容。虚拟植物模型的研究中,以生物实验数据为基础的植物表型静态描述性模型,需要大量的实验数据的采集、统计和分析,建模过程困难,且不容易进行计算机可视化实现。因此,本文从构筑模型出发,符合植物的生长过程机理,为能够表达更多的植物形态发生细节,融合L-系统方法和自动机模型,提出一种虚拟植物建模的解释性模型。作为构建植物表型的动态建模方法,能够大大提高虚拟植物模型构建的有效性和适用性。本文研究主要从以下四方面展开:1.在对目前虚拟植物模型研究综述的基础上,提出基于构筑原理构建虚拟植物形态发生的静态描述性模型,并对构筑模型进行了深入探究。模型的有效性、适用性是进行虚拟植物建模必须要考虑的首要问题。目前,虚拟植物形态发生模型的研究是多层面的,针对性较强。静态描述性模型是建立在对实验数据的统计分析基础之上的,能够精确定义植物形态发生过程动态特征。描述性模型形式多样、功能各异,构筑模型是其中最具代表性的。作为植物的一种内在生长规律,构筑模型规定了植物形态发生的方式以及植物生长的最终结构,表达了植物种类结构特征及植物体内存在的形态发生进程的行为次序,符合建立植物完整结构的基本规则。2.通过对植物形态发生过程的多层次分析,基于L-系统方法,构建虚拟植物的描述性模型,并利于计算机进行可视化实现和仿真。构筑模型虽然能够形象而准确地对植物形态发生进行归纳和分类,但缺乏对植物形态可视化表达的有效手段和方法。本文根据植物构筑模型定义的植物形态发生模式,从宏观和微观两个不同层面分别应用L-系统给出表型描述性模型。L-系统为描述植物模型提供了一种程序语言,并且为之后进一步构建动态模型及三维可视化实现提供了一个简便方法。3.符合植物自身的生长机理,在构建虚拟植物描述性模型的基础上,基于自动机模型,深入研究植物生长的动态解释性模型相关的关键机制。(1)本文目标是对植物表型进行动态建模,而植物表型是与其生物学性状相关内容紧密相关的,因此成功建立植物表型动态模型的关键,是必须将植物性状产生的机理作为整个建模创建的出发点和基础。(2)结合双尺度自动机相关原理,从宏观和微观两个不同尺度再现植物动态生长过程。微观层面,在L-系统中引入“S”型玻尔兹曼函数的微分形式及弹性杆件模型实现节间及其上器官的形态随时间行进而变化;宏观层面,植物整体拓扑结构遵循植物生长规律不断完善。4.按照虚拟植物结构-功能建模的原理和方法,融合更多的生物学因素,提出一种基于构筑原理的虚拟植物表型动态建模方法。基于双尺度自动机及植物结构-功能建模的基本原理,提出生长单元、宏状态链及生长单元标记法等从宏观和微观两个层面来构建模型。符合植物生长自然规律,基于构筑模型的多层面,分层次建模方法大大提高了虚拟植物建模效率,拓宽了虚拟植物建模的应用领域。