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Struktur-Funktions-Modelle von Pflanzen Masterstudium, Schwerpunkt Ökosystemanalyse und Modellierung - Sommersemester 2014 - Winfried Kurth Universität.

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1 Struktur-Funktions-Modelle von Pflanzen Masterstudium, Schwerpunkt Ökosystemanalyse und Modellierung - Sommersemester Winfried Kurth Universität Göttingen, Lehrstuhl Computergrafik und Ökologische Informatik gemeinsam mit Abteilung Forstbotanik und Baumphysiologie 1. Vorlesung:

2 Struktur-Funktions-Modelle von Pflanzen auf ökophysiologischer Grundlage Umfang: 6 ECTS Vorlesung + Übung + Selbststudium Homepage der Lehrveranstaltung: dort auch Folienskript (unter Verwendung von Material von Katarína Streit) zusätzliches Material: - Lernmodule Literatur: Software-Beschreibung und -Download:

3 Organisatorisches Teile der Lehrveranstaltung: 1. Modellieren mit XLjeden Do Vorlesung zur Photosynthese (Einzeltermin) - noch festzulegen - 3. Messungen zur Photosynthese 4. Messungen zur Morphologie 5. Hausarbeit bis Ende September - Analyse und Weiterentwicklung eines Modells - Zusammenfassung zur physiologischen Modellierung (Photosynthese) } Blöcke, , 9:00 – 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) Einstieg in die Software GroIMP

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 24. April 2014) 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

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 Der Übergang zur 2. Beschreibungsebene: Dynamische Beschreibung von Pflanzenstrukturen wie verändern sich Pflanzen im Verlauf der Ontogenese?

40 AMAP Atelier de Modélisation de lArchitecture des Plantes Montpellier, Paris, Strasbourg, Nancy, Beijing (LIAMA)

41 AMAP Atelier de Modélisation de lArchitecture des Plantes Montpellier, Paris, Strasbourg, Nancy, Beijing (LIAMA) Ph. de Reffye, R. Lecoustre, M. Jaeger, E. Costes, P. Dinouard, F. Blaise, P.-H. Cournède et al. (Agronomen, Informatiker, Botaniker, Mathematiker) Modellierung der Aktivität von Meristemen Gestalt des Baumes = Trajektorie seiner Meristeme erste AMAP-Version (Grundlage der heutigen kommerziellen Software REALnat, Bionatics): Rückgriff auf die 23 Architekturmodelle von Hallé et al.

42 Modellierungsansatz: Baumgestalt = Trajektorie der Meristeme primäres Meristem Verzweigung sekundäres Meristem (hinzu kommen: mechanische Verformungen, Verformungen mit physiologischen Ursachen, Verletzungen, Absterbeprozesse)

43 meristembasierter Modellansatz Adrian D. Bell 1979: 3 grundlegende Prozesse - Bildung eines Triebes (Wachstum) - Übergang in Ruhezustand (und erneute Aktivierung) - Absterben ähnlich de Reffye 1981: 3 Meristemzustände - dormance (Schlaf) - croissance (Wachstum) - mortalité (Absterben) Zustandsübergänge mit Wahrscheinlichkeiten Binomialverteilung, Markoffketten

44 Beschreibung Synthese multiskalierte Graphen Axe de référence (AMAPsim, GreenLab) dtd-Code L-Systeme, relationale Wachstumsgrammatiken (Grogra, GroIMP) Göttingen Montpellier

45 Kombination Beschreibungsebene: morphologische Messungen Astkartierung Verschlüsselung Grogra/GroIMP statistische Datenanalyse Wachstumsgrammatik mit Parametern Grogra/GroIMP Zeitreihen dreidimensionaler Strukturen Grafikandere Simulationsprogrammestatist. DA statisch dynamisch

46 Die Software GroIMP Growth-grammar related Interactive Modelling Platform geschrieben in Java Download von Sourceforge (free & open source) rgg-Dateien, Projekte (gsz-Dateien) Editor, Entwicklungsumgebung 3D-Fenster 2D- (Graph-) Fenster (versteckt!) Attribut-Ansicht für jedes Objekt Kameraposition Navigation interaktives Modellieren Compiler für die Programmiersprache XL

47 E-Learning-Aufgabe zum nächsten Mal: Studieren Sie die ersten 3 Kapitel aus Modellieren mit Grogra V1.1 StudIP (Lernmodule); auch unter: Einführung Zu dieser CD Wissenschaftliche Einordnung


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