虚拟植物是数字农业的重要研究内容之一,是农业信息化研究的重要组成部分,具有重大的理论意义与实用价值。具有多学科交叉背景的虚拟植物研究由于其本身的复杂性使得目前的研究工作与实际应用之间还存在着一定的差距,如植物生长规则难以提取、系统参数繁多难以配置、基于迭代的L系统难以适应器官功能结构的复杂化、集成于结构模型中的物质运输和分配过于粗糙、虚拟植物建模方式过于老旧无法满足植物智能行为的模拟等等。针对现有系统和模型的局限和不足,本文围绕虚拟植物建模方式及关键技术进行了深入研究。论文工作的特殊贡献在于将人工生命、机器学习、智能计算、仿真技术、植物学、植物生理学、系统生物学等理论、方法与技术整合到虚拟植物智能生理引擎中,能够在专家数据支持有限的情况下自动地学习、发现植物生长的规律,用相对简单的生理过程和规则产生植物生长发育的复杂智能行为,为虚拟植物提出了新的研究方法和建模方式。具体的研究成果如下:论文采用基于多视角图像采集、轮廓识别和三维骨架恢复等方法自动测量植物生长单元和叶元的形态、拓扑与空间位置关系,利用隐马尔可夫树模型按照植物生长发育的时序进行分析,取得植物各顶端分生组织和侧生分生组织在不同生长阶段的隐含状态,并将隐含状态及其转移关系通过构建二维层次自动机的方式转换为植物的生长规则。论文采用基于智能Agent的建模技术,构建了叶元虚拟器官的功能结构模型,模拟了其生理状态、生理过程、状态-形变关系、行为推理,使虚拟器官其能够根据其生长阶段和生理状态自动执行预定义的生理过程,并且能够在同化物的生产、存储、消耗与传输上取得动态的平衡与最优化,还可以为新生虚拟器官选择最优的位置以便获得更多的光照,实现植物的向光性模拟。论文在离散化维管束模型上建立了基于图自动机的并行离散压力流模型,同时考虑了水、矿物质和同化物的传输,模拟了木质部和韧皮部之间由于水势差而导致的横向渗透,实验结果表明离散压力流模型符合植物生理学研究结果。论文分析了植物模块化的结构特点、用相对简单的生理过程和相互作用造成植物基于显型可塑性的智能特征,采用了基于复杂适应系统的方式模拟植物生长过程中由简单生理规则涌现的系统复杂性。将植物离散化为基于智能Agent的叶元,能自主地执行生理过程、响应外界环境刺激、并且能和周边叶元进行通信、物质交换。仿真实验结果呈现了与复杂适应系统相容的涌现行为。论文实现了虚拟植物智能生理引擎,它是由用户接口、虚拟环境、动态分枝网络、物质传输引擎、分枝控制器和智能器官库等组件以基于消息的松散耦合方式搭建起来的虚拟植物仿真平台,能将虚拟器官通过提取的生长规则整合起来,形成植物的空间结构,并且能够和虚拟环境交互,动态地调整其生理状态和生长发育,并能将虚拟器官的生理数据输出到图形引擎进行三维渲染。最后进行了以虚拟植物智能生理引擎为仿真平台,以茄子为目标植物的仿真实验,分别展现了茄子在正常、弱光、低温、缺水、缺氮等不同环境下的生长过程和三维形态,并且将仿真的图形效果、生理状态数据与真实环境茄子生长的采集图像和数据进行了对比,结果表明本文提出的虚拟植物智能生理引擎能够有效、真实地模拟植物的生长和发育规律及形态变化、初步实现了对植物智能特征和行为的模拟。