Struktur-Funktions-Modelle von Pflanzen Masterstudium, Schwerpunkt Ökosystemanalyse und Modellierung - Sommersemester 2016 - Winfried Kurth Universität.

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1 Struktur-Funktions-Modelle von Pflanzen Masterstudium, Schwerpunkt Ökosystemanalyse und Modellierung - Sommersemester 2016 - Winfried Kurth Universität Göttingen, Lehrstuhl Computergrafik und Ökologische Informatik gemeinsam mit Abteilung Forstbotanik und Baumphysiologie 2. Vorlesung: 21. 4. 2016 (aktualisierte Fassung)

2 Struktur-Funktions-Modelle von Pflanzen auf ökophysiologischer Grundlage Umfang: 6 ECTS Vorlesung + Übung + Selbststudium Homepage der Lehrveranstaltung: http://www.uni-forst.gwdg.de/~wkurth/sm16_home.htm dort auch Folienskript (unter Verwendung von Material von Katarína Streit) zusätzliches Material: http://www.studip.uni-goettingen.de - Lernmodule Literatur: http://www.uni-forst.gwdg.de/~wkurth/sm09_lit.htm Software-Beschreibung und -Download: http://www.grogra.de

3 Organisatorisches Teile der Lehrveranstaltung: 1. Modellieren mit XLjeden Do 14 15 - 16 00 2. Vorlesung zur Photosynthese (Einzeltermin) (hat schon stattgefunden) Do, 14. 4., 14 15 - 16 00 3. Messungen zur Photosynthese 4. Messungen zur Morphologie 5. Hausarbeit bis Ende September - Analyse und Weiterentwicklung eines Modells - Zusammenfassung zur physiologischen Modellierung (Photosynthese) } Blöcke: Di, 26. 4. u. 3. 5., 08 15 – ca. 12 00, Gewächshaus

4 heute: Modelldreieck für Pflanzenmodelle reine Strukturmodelle, Motivation 3 Ebenen der Strukturbeschreibung 2 Arten der statischen Beschreibung - tabellarisch (dtd-Format) - imperativ (turtle geometry) Hinweise zu den morphologischen Messungen

5 Was sind Struktur-Funktions-Modelle? (engl.: functional-structural plant models, FSPM)

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13 schematischer Aufbau eines Beispiel-FSPMs aus der Literatur:

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15 Motivation für FSPMs von Bäumen Ökosystemforschung: Wälder als strukturreiche Lebensgemeinschaften konkrete Fragestellungen: Einfluss der Baumarchitektur - auf den Kohlenstoffhaushalt - auf Wasserhaushalt / Trockenstress-Resistenz Deutung von Kronenverlichtungsmustern Simulation: Konkurrenz, forstliche Eingriffe

16 Motivation für FSPMs von Bäumen Grundlagenorientierte Forschung: - Baumkronen (+ Wurzelsysteme) = komplexe Strukturen Informationsverdichtung? - botanische Wissensbasis Überbrückung der Kluft: forstlich-botanische Ansprache -- Ökosystemmodelle - Modellkopplung Veranschaulichung Visualisierung zukünftiger Entwicklung Virtuelle Landschaften als Planungs- und Entscheidungs- hilfe

17 Motivation für FSPMs von Bäumen spezielle Erfordernisse der Modellierung von - Licht im Bestand - Mechanik - Wasserfluss im Baum - Konkurrenz Brücke zwischen Prozessmodellen und botanischen Beobachtungen gemeinsame Basis für verschiedene Prozesse im/am Baum (Erhöhung der Konsistenz verschiedener Modelle)

18 Ursprünge, Schulen, Motivationen zur Pflanzenmodellierung französische Schule (Hallé et al.: Botanik; CIRAD) tropische Wälder; Agronomie

19 Ursprünge, Schulen, Motivationen zur Pflanzenmodellierung französische Schule (Hallé et al.: Botanik; CIRAD) tropische Wälder; Agronomie 23 Architekturmodelle

20 Ursprünge, Schulen, Motivationen zur Pflanzenmodellierung französische Schule (Hallé et al.: Botanik; CIRAD) tropische Wälder; Agronomie theoretische Biologen (vor allem in Großbritannien) theoretische Informatik L-Systeme: Grammatik der Formbildung Mathematisierung

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23 Pflanzenmodelle mit L-Systemen

24 Ursprünge, Schulen, Motivationen zur Pflanzenmodellierung französische Schule (Hallé et al.: Botanik; CIRAD) tropische Wälder; Agronomie theoretische Biologen (vor allem in Großbritannien) theoretische Informatik L-Systeme: Grammatik der Formbildung Mathematisierung Computergrafiker Virtual Reality Effizienz von Algorithmen

25 Pflanzenmodelle aus der Computergrafik

26 Ursprünge, Schulen, Motivationen zur Pflanzenmodellierung Waldökologen und Forstwirte - einzelbaumorientierte Wachstumsmodelle - heterogene Bestände - Prozesse  morphologisches Erscheinungsbild - Ökosystemforschung Bioklimatologen und Baumphysiker - Heterogenität: nichtlineare Lichtantwort der Photosynth. - Baum-Mechanik, -Hydraulik Insektenkundler Wechselwirkung Herbivoren - Pflanzenstruktur (Agronomie) CPAI Brisbane

27 Messung von 3D-Strukturen von Pflanzen Datenaufnahme mit klassischen Mitteln: Kombination Lineal - Messschieber - Winkelmesser - Skizzenblock

28 halbautomatische / vollautomatische Digitalisierung: Kombination digitale Schublehre - digitaler Kompass - Schnittstellensoftware (Oppelt et al. 2000) elektromagnetische Sonde (Polhemus FASTRAK, Sinoquet et al., Clermont-Ferrand ) Ultraschall-Sonde mechanische Ausleger 3D-Laserscanner Auswertung stereoskopischer Fotos

29 elektromagnetisches 3D-Trackingsystem Polhemus FASTRAK

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32 Strukturmodelle 3 Ebenen: 1.statische Strukturbeschreibung Pflanze zu einem festen Zeitpunkt (z.B. am 16. April 2015) 2.dynamische Strukturbeschreibung, nichtsensitiv Beschreibung der Entwicklung (Ontogenese) einer Pflanze: Zeitreihe dreidimensionaler Strukturen 3.Dynamik mit Berücksichtigung von kausalen Einflüssen / Bedingungen (sensitive Modelle) verschiedene Entwicklungspfade logische Bedingungen für die Gabelung (im einfachsten Fall stochastisch)

33 zu 1.: statische Strukturbeschreibung zwei Ansätze: (a)tabellarisch jeder Pflanzenbaustein = eine Zeile dtd-Code „descriptive tree data“ (b) imperativ (befehlsgesteuert): „Turtle-Geometrie“ virtuelle Schildkröte „konstruiert“ die Struktur, die Beschreibung sind die Befehle, die sie steuern turtle geometry (siehe später)

34 topologisch- metrische Skizze

35 Der dtd-Code (digitized tree data format) Grundeinheit: Jahrestrieb (bzw. Wachstumseinheit) je nach Auflösung des Modells auch Internodium mögl. pro Jahrestrieb eine Zeile 1. Sp.: Name (bzw. Nummer) des Jahrestriebs 2. Sp.: L Länge (in mm) 3. Sp.: # Name des Muttertriebes (  Verzweigungs-Topologie) weitere Spalten: A Position R Richtungswinkel W Verzweigungswinkel D Durchmesser B Blattzahl E Internodienzahl C Farbindex F Anzahl Früchte

36 Beispiel für die dtd- Codierung eines Verzweigungssystems: Beschreibung des dtd-Codes siehe http://www.uni-forst.gwdg.de/~wkurth/dtd_code.pdf

37 Konsistenzprüfung der dtd-Datei: optische Kontrolle (beachte besonders den Basis-Spross, gibt es an der Basis noch mehr (zuviele) Sprosse?) Kontrolle der Alters-Zählung: Grogra-Analyse-Option F, 5. Spalte der erzeugten Tabelle: Kommt Alter 0 zu selten vor?

38 anderes (flexibleres) Datenformat: MTG (Multiscale Tree Graph)

39 Morphologische Messungen, 26. 4. und 3. 5. 2016 Bitte mitbringen: Digitalkamera farbige Stifte Lineal, Geodreieck (sofern vorhanden) Schublehre (sofern vorhanden) kleine Haftetiketten (sofern vorhanden), alternativ Tesafilm Notebook zum Eingeben der dtd-Dateien

40 Untersuchungsobjekte: junge Buchenpflanzen (möglichst) dieselben wie für Photosynthesemessung Vor den Detailmessungen: Baum mit einem Namen versehen (Namensschild!) auf Besonderheiten überprüfen Referenzrichtung (im Topf) festlegen den Baum von mehreren Seiten fotografieren (mit Referenzrichtung und Namensschild) gesamtbaumbezogene Messgrößen aufnehmen

41 gesamtbaumbezogene Messgrößen: Höhe Durchmesser an der Basis Anzahl der Blätter Anzahl der Seitenzweige 1. Ordnung Datum der Messung Maßeinheiten: für Längen und Durchmesser: mm für Winkel: Grad für Massen: g (aber in GroIMP i.d.R. SI-Einheit: kg)

42 Vorbereitung der topologischen und geometrischen Detailvermessung des Baumes: Auffinden der Jahrestriebgrenzen (Triebbasisnarben), soweit möglich! Nummerierung der Internodien der Hauptachse (trunk) von unten nach oben (mit Berücksichtigung der Jahrestrieb- Zuordnung); entsprechend auch der (apikal abgehenden) Seitenzweige, ggf. Kurztriebe und Blätter bei Seitenzweigen: innerhalb jedes Seitenzweigs weiternummerieren topologische Skizze des gesamten Baumes mit allen Blättern auf großem Zeichenbogen (evtl. mehrere Bögen verwenden – genügend Platz für Längen- und Winkelangaben vorsehen!)

43 Rot: Namen der Internodien, (Blattstiele und) Blattspreiten Schwarz: Längen (L), Durchmesser (D), Breiten (bei Blattspreiten; B) Grün: Winkelangaben. Divergenzwinkel (Abweichung von der Wuchsrichtung der Mutterachse): W (in Grad), Azimutwinkel (bez. auf Referenzrichtung am Boden): S (in Grad); beachte: zur Zeit keine negativen Winkel- angaben möglich. optional: Winkel zwischen zwei aufeinanderfolgenden Inter- nodien (W-Angabe)

44 entsprechende dtd-Datei: T1 L75 ## O0 D2.3 T2 L50 #T1 V D1.9 T3 L67 #T2 V D1.5 T4 L31 #T3 V D1.1 S1 L40 #T1 - W65 D1.1 S2 L36 #T2 + W60 D0.9 S3 L20 #T3 S315 W50 D0.8 B1 L45 #S1 V R5 W30 C4 B2 L57 #S2 V R5 W10 C4 B3 L28 #S3 V R5 W45 C4 # Name des Muttersegments, V steht für „Verlängerung“ (der Achse), + für S90 (Wuchsrichtung rechts), – für S270 (Wuchsrichtung links), R5 für Richtung nach unten (= S180), C4 für rote Farbmarkierung (willkürl.). Die B-Angaben für die Blattspreiten sind in Kommentarklammern geschrieben (z.Zt. keine automatische Verarbeitung durch GroIMP).

45 Kurztriebketten (bei der Buche): zusammenfassende Angabe möglich durch Q n anstatt der Längenangabe L x steht für Kurztriebkette aus n Kurztrieben (keine Längenangabe vorgesehen)

46 Beispiel für kleine Buche: T1 L33 ## D2.8 T2-1 L3 #T1 V d2.4 T2-2 L6 #T2-1 V D2.4 T2-3 L9 #T2-2 V d2.4 T3-1 L3 #T2-3 V d2.4 T3-2 L5 #T3-1 V D2.4 T3-3 L5 #T3-2 V d2.4 T4-1 L2 #T3-3 V - w1 d2.2 T4-2 L5 #T4-1 V + w2 d2.2 T4-3 L9 #T4-2 V - w2 d2.2 T4-4 L15 #T4-3 V + W10 D2.2 T4-5 L12 #T4-4 V - W30 d2.2 T5-1 L4 #T4-5 V d1.9 T5-2 L7 #T5-1 V + W15 d1.9 T5-3 L15 #T5-2 V - W10 D1.9 T5-4 L12 #T5-3 V + W20 d1.9 T6-1 L1 #T5-4 V d1.6 T6-2 L4 #T6-1 V - w2 d1.6 T6-3 L9 #T6-2 V + w3 d1.6 T6-4 L11 #T6-3 V - W20 D1.6 T6-5 L12 #T6-4 V + W20 D1.4 T7-1 L4 #T6-5 V d1.5 T7-2 L8 #T7-1 V + w1 d1.5 T7-3 L13 #T7-2 V - w2 D1.5 T7-4 L20 #T7-3 V + W5 D1.2 T7-5 L18 #T7-4 V - W15 D1.1 S1 L2 #T4-3 - W70 D1.7 S2 L1 #S1 V d1.7 S3-1 L1 #S2 V d1.7 S3-2 L1 #S3-1 V d1.5 S4-1 L2 #T4-4 + W60 d1.5 S4-2 L3 #S4-1 V D1.5 S5-1 L2 #S4-2 V d1.5 S5-2 L1 #S5-1 V D1.5 S5-3 L3 #S5-2 V d1.5 S6-1 L1 #S5-3 V d1.2 S6-2 L1 #S6-1 V d1.2 S6-3 L2 #S6-2 V D1.2 S7-1 L2 #T5-3 - W70 d1.2 S7-2 L3 #S7-1 V D1.2 S8-1 L1 #S7-2 V d1.2 S8-2 L1 #S8-1 V d1.2 S8-3 L2 #S8-2 V d1.2 S9-1 L1 #T6-3 + W40 D1.1 S9-2 L0.5 #S9-1 V d1.1 S10-1 L5 #T6-4 - W60 d1.3 S10-2 L5 #S10-1 V D1.3 B1 L29 #S3-1 - W50 C4 B2 L32 #S3-2 + W15 C4 B3 L23 #S6-1 + W120 C4 B4 L43 #S6-2 - W80 C4 B5 L52 #S6-3 + W0 C4 B6 L24 #S8-1 - W100 C4 B7 L40 #S8-2 + W40 C4 B8 L50 #S8-3 - W30 C4 B9 L29 #S9-1 - W30 C4 B10 L44 #S9-2 + W20 C4 B11 L54 #S10-1 - W60 C4 B12 L59 #S10-2 + W0 C4 B13 L46 #T7-1 - W80 C4 B14 L66 #T7-2 + W60 C4 B15 L70 #T7-3 - W60 C4 B16 L67 #T7-4 + W35 C4 B17 L56 #T7-5 - W20 C4 dtd-Datei:

47 zu den geometrischen Detailmessungen: Länge von Internodien und Blattstielen: auf mm genau Durchmesser von Internodien (pro Jahrestrieb mind. 1 mal) : auf 1/10 mm genau; mittig gemessen Länge eines Blattes: gemessen vom Stielanfang bis zur Blattspitze, auf mm genau (die Blattmessungen entfallen diesmal) Breite eines Blattes: gemessen an der breitesten Stelle Blattfläche (nur bei destruktiver Messung): gemessen über Blattkopien mit speziellem Messgerät nach Zerlegung des Baumes Winkel: auf 5° genau (Azimutwinkel: 10°); Messung zwischen Internodium und Mittelrippe der Blattspreite. Massen: Trockenmassen für alle Jahrestriebe (pro Jahrestrieb)

48 zur Analyse der gemessenen Buchendaten dtd-Datei: - in GroIMP laden, visuelle Überprüfung auf Plausibilität - Darstellung der Blätter mit Breite und Fläche derzeit nicht möglich (Blattdaten in Extra-Tabelle übertragen) - erste Analysen: Erzeugung von Tabellen mit GroIMP (elementare Analyse; Längen und Winkel); auch mit Queries von der GroIMP-Konsole aus möglich - statistische Auswertung der Tabellen (R oder Statistica) (vgl. Beschreibung auf Grogra-CD, anzupassen!) Ziele: Verläufe von morphologischen Größen entlang der Achsen und bei Verzweigung; Korrelations- und Regressionsanalyse der Größen untereinander; Mittelwerte und Standardabweichungen; nichtlineare Anpassung einer Lichtantwortkurve an die Photosynthesedaten

49 Beispiele: Trend der Blattlängen entlang der Stammachse (für Pappel) (aus Hausarbeit von René Degenhard, 2008)

50 Korrelation zwischen Blattlänge und -breite (Pappel) (aus Hausarbeit von René Degenhard, 2008) Die Durchführung der Datenanalysen wird Teil der Hausarbeit sein und wird hier nicht weiter spezifiziert.