Struktur-Funktions-Modelle von Pflanzen - Sommersemester 2011 - Winfried Kurth Universität Göttingen, Lehrstuhl Computergrafik und Ökologische Informatik.

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1 Struktur-Funktions-Modelle von Pflanzen - Sommersemester 2011 - Winfried Kurth Universität Göttingen, Lehrstuhl Computergrafik und Ökologische Informatik 10. Vorlesung: 7. 7. 2011

2 letztes Mal: Analyse des Fichtenmodells Übersicht zu GroIMP Morphologische Messung, Erstellung von dtd-Dateien Schritte 1 und 2 zu einem einfachen Struktur-Funktions- Modell

3 als nächstes: Ergänzungen zur Theorie: sequenzieller und paralleler Ableitungsmodus in XL noch ein neuer Regeltyp: Instanzierungsregeln nächste Schritte zum FSPM Aufgabenstellung der Hausarbeit, Bewertungskriterien

4 Ableitungsmodi in XL standardmäßig voreingestellt: parallele Regelanwendung (wie bei L-Systemen) Umschalten auf sequenzielle Anwendung (in jedem Schritt wird dann höchstens eine Regel angewandt): setDerivationMode(SEQUENTIAL_MODE) Rückschaltung auf parallel: setDerivationMode(PARALLEL_MODE) testen Sie das Beispiel sm09_b32.rgg

5 Ein weiterer Regeltyp in XL: Instanzierungsregeln Zweck: Ersetzung einzelner Module durch kompliziertere Strukturen, nur für die Darstellung (wie bei Interpretationsregeln) aber: es wird weniger abgespeichert (Einsparen von Speicherplatz) anders als bei Interpretationsregeln dürfen keine Turtle- Befehle mit Wirkung auf andere Knoten verwendet werden weitere Möglichkeit: Replikator-Knoten zum Kopieren und Neuplatzieren von ganzen Strukturen

6 Instanzierungsregeln: Syntax kein neuer Regelpfeil Angabe der Instanzierungsregel direkt in der Moduldeklaration module A ==> B C D; ersetzt (instanziert) überall A durch B C D Beispiel sm09_b43.rgg

7 const int multiply = EDGE_0; /* selbstdefinierter Kantentyp */ module Tree ==> F(20, 1) [ M(-8) RU(45) F(6, 0.8) Sphere(1) ] [ M(-5) RU(-45) F(4, 0.6) Sphere(1) ] Sphere(2); module Replicator ==> [ getFirst(multiply) ] Translate(10, 0, 0) [ getFirst(multiply) ]; public void run1() [ Axiom ==> F(2, 6) P(10) Tree; ] public void run2() [ Axiom ==> F(2, 6) P(10) Replicator -multiply-> Tree; ] es wird eingefügt, was an der multiply- Kante hängt Tree wird mit der roten Struktur instanziert

8 dritte Version des einfachen FSPM: genaueres Timing für Erscheinen neuer Metamere (Internodium, Nodium, Blatt) Phyllochron = Zeitraum zwischen dem Erscheinen neuer Metamere in apikaler Position an derselben Sprossachse (oft gleichbedeutend gebraucht: Plastochron, dies ist aber eigentlich der Zeitraum zwischen zwei Initiierungen neuer Metamere) (Phyllochron: unabhängig davon, ob präformiertes oder neoformiertes Wachstum vorliegt) Zeitzählung im Modell in diskreten Zeitschritten (1 Schritt = 1 parallele Regelanwendung)

9 sfspm03.rgg module Bud (int ph, int order) extends Sphere(0.1) {{ setShader(RED); }}; module Node extends Sphere(0.07) {{ setShader(GREEN); }}; module Internode extends F; module Leaf extends Parallelogram(2, 1); const float G_ANGLE = 137.5; /* golden angle */ /* introducing a phyllochron */ const int phyllo = 25; protected void init() [ Axiom ==> Bud(phyllo, 0); ] public void run() [ Bud(p, o), (p > 0) ==> Bud(p-1, o); /* first parameter counted down until...*/ Bud(p, o), (p == 0 && o Internode Node [ RL(50) Bud(phyllo, o+1) ] [RL(70) Leaf] RH(G_ANGLE) Internode Bud(phyllo, o); /* (order restricted to 1... for efficiency) */ ]

10 sfspm04.gsz: mit Blütenbildung; texturierte Organe const ShaderRef leafmat = new ShaderRef("Leafmat"); const ShaderRef petalmat = new ShaderRef("Petalmat"); const ShaderRef internodemat = new ShaderRef("Internodemat"); const ShaderRef nodemat = new ShaderRef("Nodemat"); module Bud(int time, int ph, int order) extends Sphere(0.1) {{ setShader(nodemat); }}; module Node extends Sphere(0.07) {{ setShader(GREEN); }}; module NiceNode extends Sphere(0.07) {{ setShader(nodemat); }}; module Internode extends F(1, 0.1, 7); module NiceInternode extends Cylinder(1, 0.08) {{ setShader(internodemat); }}; module Leaf extends Parallelogram(2, 1) {{ setColor(0x82B417); }}; module NiceLeaf extends Parallelogram(2,2) {{ setShader(leafmat); }}; module Flower ==> /* Instanzierungsregel */ RU(180) Cone(0.3, 0.3).(setColor(0x82B417)) M(-0.25) RL(90) [ for (int i=1; i<=5; i++) ( [ RU(i*360/5) RL(20) Parallelogram(2, 1).(setColor(0xFF00FF)) ] ) ] RU(45) [ for (int i=1; i<=5; i++) ( [ RU(i*360/5) RL(40) F(0.3, 0.1, 14) RV(-0.3) F(0.3, 0.1, 14) RV(-0.3) F(0.3, 0.1, 14) ] ) ] RU(-45) [ for (int i=1; i<=5; i++) ( [ RU(i*360/5) RL(70) Frustum(0.7, 0.2, 0.05).(setColor(0x8DAF58)) ] ) module NiceFlower ==> RU(180) Cone(0.3, 0.3).(setShader(internodemat)) M(-0.25) RL(90) [ for (int i=1; i<=5; i++) ( [ RU(i*360/5) RL(20) Parallelogram(2, 1).(setShader(petalmat)) ] ) ] RU(45) [ for (int i=1; i<=2; i++) ( [ RU(i*360/3) RL(40) F(0.3, 0.1, 14) RV(-0.3) F(0.3, 0.1, 14) RV(-0.3) F(0.3, 0.1, 14) ] ) ] RU(-45) [ for (int i=1; i<=5; i++) ( [ RU(i*360/5) RL(70) Frustum(0.7, 0.2, 0.05).(setColor(0x8DAF58)) ] ) ];

11 // sfspm04.gsz, Fortsetzung const float G_ANGLE = 137.5; /* golden angle */ const int phyllo = 25; protected void init() [ Axiom ==> Bud(1, phyllo, 0); ] public void run() [ Bud(r, p, o), (p > 0) ==> Bud(r, p-1, o); Bud(r, p, o), (r RV(-0.1) NiceInternode NiceNode [ RL(50) Bud(r, phyllo, o+1) ] [ RL(70) NiceLeaf ] RH(G_ANGLE) RV(-0.1) NiceInternode Bud(r+1, phyllo, o); Bud(r, p, o), (r == 10) ==> RV(-0.1) NiceInternode RV(-0.1) NiceInternode NiceFlower; ] hinzu kommen noch Bilddateien für die verwendeten Texturen, die manuell in GroIMP mit den Shader-Namen Leafmat, Petalmat etc. verbunden werden (vgl. Vorlesung 5)

12 Aufgabenstellung der Hausarbeit Struktur-Funktions-Modelle 2011 (I)Gründliche kritische Analyse des vorliegenden Modells sfspm09.gsz - Bitte analysieren Sie das zugrundeliegende Konzept und den Modellaufbau - einschließlich einer Beschreibung der Modellierung der Lichtinterzeption und der Photosynthese (s. nächste Vorlesung!) (II)Vorschläge zur konzeptionellen Weiterentwicklung und Verbesserung des Modells; dazu: Auswertung Ihrer Messdaten, statistische Analyse, Anpassung des Modells - formulieren Sie auch theoretische Überlegungen zur verbesserten Modellierung, insbes. des Wachstums - verzichten Sie auf eine ausführliche Methodendarstellung zur statistischen Datenanalyse der Messdaten; eine Ergebnisdarstellung genügt.

13 (III)Verbesserung und Erweiterung des Modells. Die Liste auf den folgenden Seiten zeigt mögliche Themenfelder, wo Sie ansetzen können. Sie können auch eigene Themenfelder entwickeln (bitte ggf. mit W. Kurth absprechen). Pflicht für alle ist die Parametrisierung des Modells mit Messdaten (einschließlich der Photosynthesedaten - auch wenn letztere an anderen Pflanzen ermittelt wurden). Für die weiteren Verbesserungen können Sie Schwer- punkte setzen. (IV)Sensitivitätsanalyse Ihrer Modellvariante: Wie stark wirken sich Änderungen von Parametern / von Regeln auf das Ergebnis aus? Sind die Ergebnisse biologisch plausibel? Was wäre noch weiter zu verbessern?

14 Bitte beachten: Das Modell sfspm in der vorliegenden Fassung ist kein vollständiges, abgeschlossenes, komplett getestetes und kalibriertes Struktur-Funktions-Modell. Es kann noch Fehler enthalten! Es ist bisher für annuelle Pflanzen konzipiert. Der Einbau von Ruhephasen des Wachstums für die Buche wäre eine sinnvolle Erweiterung. Das Auffinden möglicher Mängel und Fehler ist Teil der Aufgabenstellung für die Hausarbeit.

15 Mögliche Erweiterungen des Modells (1)(weitergehende) Modellanpassung an die Messdaten Photosyntheseparameter, (Maximal-)Größen der Organe, Winkel, Wachstumsraten, Wachstumsregeln (2) Anpassung der Blätter (und Blüten/Früchte) an die Buche (3)Ausgleichen der Stoffbilanz der Pflanze Einbeziehen der Assimilat-Senken, insbes. des Assimilat-Bedarfs für das Organwachstum (4)Steuerung des Wachstums Lichtabhängigkeit; Abhängigkeit von vorhandener Assimilatmenge; evtl. Dichtesensitivität... (5)Steuerung der Bildung neuer Metamere analog zur Steuerung des Wachstums

16 Mögliche Erweiterungen des Modells (Fortsetzung) (6) Einbeziehung des Blattabwurfs und der Winterruhe (7) Einbez. von sylleptischer Triebbildung / freiem Wachstum (8) Steuerung der Verzweigung (nach Assimilatmenge oder Licht) (9)Verbesserung der Modellierung des Dickenwachstums (z.B. mittels des Pipe-Modells, s. Beispiel Tree based on pipe model of branch width in GroIMP) (10) Verbesserung des Assimilat-Allokationsmodells z.B. Veränderung der Transportraten für junge Blätter; Einbeziehung eines zentralen C-Vorrats (Stärkepool) und einer Reserve aus dem Samenkorn am Anfang; Einbeziehung der Wurzel

17 Bewertungskriterien für die Hausarbeit Anteil (in Siebteln) Gliederung, Einleitung und Theorie 1 Inhalt3 Analyse des Modells0,6 Datenanalyse, Einbau der Daten0,6 Konzeptionelle Verbesserung (Ideen)0,6 Konkrete Verbesserung des Modells0,6 Sensitivitätsanalyse0,6 Literatur0,5 Präzision1 Sprache0,5 Originalität1

18 Hausaufgabe zur letzten Vorlesungsstunde: - Fertigstellung der dtd-Dateien auf Grundlage Ihrer Messdaten - erste Plausibilitätsprüfung - erste Auswertungen - bitte noch Fragen zum sfspm-Modell (bisheriger Stand) und zu GroIMP / XL allgemein sammeln!