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56000字硕士毕业论文基于人工智能的虚拟树木生长过程模拟

论文类型:硕士毕业论文
论文字数:56000字
论点:树木,虚拟,植物
论文概述:

虚拟树木的研究对人类日常生活及农林业的发展意义重大。课题针对当前树木形态研究的现状,将树木生长过程中生物量的变化添加到模型中,使模型实现树木生长的部分过程。

论文正文:

1导言

进入21世纪以来,党中央、国务院做出了全面落实科学发展观、构建社会主义和谐社会、建设社会主义新农村等一系列重大战略决策,对林业发展提出了新的更高要求,赋予林业新的重大使命。
根据定义,林业是培育、保护、管理和利用森林的事业。人们普遍认为,林业是大型农业不可分割的一部分,与农业耕作相似,不同之处在于其种植对象是木本植物。这种认识在20世纪以前仍然是传统林业概念的代表,但是随着人类文明的进步和社会经济的发展,林业的内涵和范畴发生了巨大的变化。古代林业主要开发和利用原始森林获取燃料、木材和其他林产品。中世纪以后,随着人口的增加和森林资源的逐渐减少,一些地区出现了森林和木材的短缺。人们开始关心森林的恢复和培育,森林保护和人工培育逐渐成为林业的管理内容。现代林业已经认识到森林资源特别是木材的可持续利用和必要性。为了使森林的开发利用与森林的培育和保护相对平衡,林业管理被置于更加科学的基础上。另一方面,现代林业正在逐步摆脱单纯生产和经营木材的传统观念,注重森林的生态和社会效益,其特点是森林的多用途综合管理和森林资源的高效和深度利用(小钟繇,2009)。

1.1研究的目的和意义

自然界树木的生长发育是一个复杂的过程,具有长周期的生长周期。它明显受到各种内外因素的影响,在空和时间上表现出一定的随机性和突变性。内因主要是遗传基因、光合作用、呼吸作用、矿物质营养、水分代谢、营养生长、生殖生长等。外部因素包括环境因素,如光分布和强度、水条件、温度条件、随机因素和人类行为。因此,研究树木的生长和改良是一个漫长而复杂的过程。随着现代科学技术的进步和计算机技术的快速发展,虚拟植物的研究方法逐渐显示出其优势并受到科学家的重视。虚拟植物技术的使用可以大大简化树木生长发育的研究和改进,提高效率。
虚拟植物(也称为植物可视化)是虚拟现实技术的运用,以单个植物为研究中心,植物形态结构为研究重点。所建立的模型能够反映植物的形态结构,并产生真实的个体植物或群体(郭忠,2001)。虚拟植物形态模拟技术已经相对成熟,并已广泛应用于娱乐、虚拟场景等领域。虚拟植物生长模拟(Virtual plant growth simulation)以植物在三维空间空中的结构发育和生长过程为重点,逐渐成为研究的焦点。
植物生长的可视化模拟主要解决如何在计算机上以可视化的方式实现现实中极其复杂的植物信息,为科研人员研究各种植物学问题提供一个易于操作、控制和交互的平台。这对农林研究非常重要。一方面,虚拟植物改变了传统研究者的研究方法和手段,能够提供准确的植物生长空。对于过去无法通过实验直接验证的假设,虚拟实验可以用来检验它们。另一方面,利用虚拟植物的视觉特性,更好地理解和理解植物生长过程中的基本规律和数量关系,可以开发出树木栽培系统。通过在计算机上实施不同的栽培方案,计算机模拟其效果,预测生长系统的动态行为和最终产量,提高树木的产量和质量。虚拟农场也可以通过使用虚拟植物、虚拟农田等模型来建立。虚拟植物可以种植在计算机上,虚拟农场管理也可以进行。此外,虚拟植物在工程设计、小流域土壤侵蚀控制方案的确定、生态脆弱区(如沙地)种植方案的确定等领域也具有重要的指导意义(陈敏之,2007)。
此外,植物生长的可视化模拟显示了娱乐、商业、教育和其他行业的巨大潜在市场。例如,在人工生命领域,生物学家希望借助虚拟植物更方便地研究植物的生长规律。在建筑环境总体规划、园林景观布局设计、虚拟环境中自然景观的生成和艺术造型等领域,虚拟植物也充分展示了它们的优势(崔敏美,2007)。

1.2国内外研究现状及发展趋势

虚拟现实(Virtual Reality)最早由美国的拉尼尔于1989年提出。在不同的应用领域,它的含义略有不同。本质上,它是一个人机界面,高度逼真地模拟了现实世界中人的行为,如看、听和动。它使用计算机技术生成一个真实的三维视觉、听觉、触觉或嗅觉综合虚拟感觉世界。用户可以从自己的角度出发,借助必要的设备,以自然的方式与虚拟环境中的对象进行交互和影响,从而产生身临其境的感觉和体验。虚拟现实技术融合了计算机图形学、图像处理技术、多媒体技术、传感器技术、网络技术、仿真技术、人工智能技术等学科。自20世纪90年代初以来,它已被广泛应用于科学研究、教育培训、工程设计、商业、军事、医学、电影和电视等许多领域。它被认为是21世纪重要的发展学科和影响人们生活的重要技术之一(周秋树,2008)。虚拟植物是虚拟现实技术在农林领域应用的一个方面。目前,虚拟植物的研究有两个方向,一是农业中作物的模拟,二是林业中树木的模拟。因为研究目的不同,方法也会不同。

3.3.4水分对树木生长的影响……31[/比尔/] 3.4森林窗户模型……31-33 [/BR/] 3.5本章概述……33-35[/比尔/] 4……35-45
4.1支持向量机……35-36
4.2遗传算法……36-39
4.3选择……39-43[/比尔/] 4.3.1树高生长过程中的核心……40 [/BR/] 4.3.2参数遗传算法优化……40-41[/巴西/] 4.3.3支持向量回归增长模型……41-43 [/BR/] 4.4本章概述……43-45[/比尔/] 5树木生长模拟……45-61 [/BR/]基于L-系统5.1仿真工具介绍……45-46[/比尔/] 5.2升系统算法计算机……46-47 [/BR/] 5.3 2D树木模拟平台……47-51 [/BR/] 5.3.1无背景的2D……47-50[/溴/] 5.3.2随机线性系统……50[/比尔/] 5.3.3 2D树模拟……50-51 [/BR/] 5.4 3D树木模拟平台……51-61
5.4.1无背景3D……51-54
5.4.1.1 3D……51-53
5.4.1.2 3D无背景左-……53-54
5.4.2参数L-系统……54-61
5.4.2.1 L系统代表……54
5.4.2.2环境参数树……54-58[/比尔/]5.4.2.3参数线性系统树……58-61

虚拟树木的研究对人类日常生活和农林发展具有重要意义。根据树木形态学的研究现状,在模型中加入了树木生长过程中生物量的变化,使模型实现了树木生长过程的一部分。在研究过程中,经过查阅大量文献和调查研究,确定了L-1系统的基本框架结构,建立了三维模型。引入参数控制,以年龄和树高作为迭代替换L系统的判断条件。添加随机变量,一方面使用随机L系统,另一方面,在树木分枝时添加一些随机性;利用支持向量机对树高随年龄的变化过程进行数学建模,利用遗传算法优化支持向量机的参数,提高支持向量机的计算精度。算法过程在MATLAB中实现。用可视化语言和OpenGL对树模型进行了仿真,建立了仿真平台。
本文中的树模型具有以下特点:
(1)利用改进的L-1系统建立了一个具有更好可视性的三维模型;引用时间等参数将模型从离散状态的叠加转换为连续模型;随机变量使模型更接近自然界不确定因素造成的不同树形。在l1系统中,树干和树枝用不同的字符表示,因此可以灵活地控制树的结构。与其他方法建立的树相比,该模型具有良好的可视性和可控性,可以更好地应用于其他实验。