Struktur-Funktions-Modelle von Pflanzen - Sommersemester 2015 - Winfried Kurth Universität Göttingen, Lehrstuhl Computergrafik und Ökologische Informatik 7. Vorlesung: 25. 6. 2015

zuletzt: kontextsensitive Regeln Interpretationsregeln Graph als mathematische Grundstruktur Graph-Ersetzungsregeln zwei Regelsorten: L-System- und SPO-Regeln

als nächstes: Vorbereitung der morphologischen Messungen (26. 6., 9:15 Uhr, Gewächshaus der Forstbotanik) ein weiterer Regeltyp: Aktualisierungsregeln Notation von Graphen in XL der aktuelle Graph in GroIMP ein einfaches Fichtenmodell in XL

Morphologische Messungen, 26. 6. und 3. 7. 2015 Bitte mitbringen: Digitalkamera farbige Stifte Lineal, Geodreieck (sofern vorhanden) Schublehre (sofern vorhanden) kleine Haftetiketten (sofern vorhanden), alternativ Tesafilm Notebook zum Eingeben der dtd-Dateien

Untersuchungsobjekte: junge Ahorn- / Buchenpflanzen 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

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)

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!)

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)

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 < B30 > B2 L57 #S2 V R5 W10 C4 < B35 > B3 L28 #S3 V R5 W45 C4 < B19 > # 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).

Kurztriebketten (bei der Buche): zusammenfassende Angabe möglich durch Qn anstatt der Längenangabe Lx steht für Kurztriebkette aus n Kurztrieben (keine Längenangabe vorgesehen)

Beispiel für kleine Buche: dtd-Datei: 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 <B19> B2 L32 #S3-2 + W15 C4 <B21> B3 L23 #S6-1 + W120 C4 <B15> B4 L43 #S6-2 - W80 C4 <B29> B5 L52 #S6-3 + W0 C4 <B33> B6 L24 #S8-1 - W100 C4 <B15> B7 L40 #S8-2 + W40 C4 <B23> B8 L50 #S8-3 - W30 C4 <B34> B9 L29 #S9-1 - W30 C4 <B17> B10 L44 #S9-2 + W20 C4 <B26> B11 L54 #S10-1 - W60 C4 <B31> B12 L59 #S10-2 + W0 C4 <B38> B13 L46 #T7-1 - W80 C4 <B31> B14 L66 #T7-2 + W60 C4 <B43> B15 L70 #T7-3 - W60 C4 <B45> B16 L67 #T7-4 + W35 C4 <B41> B17 L56 #T7-5 - W20 C4 <B30> Beispiel für kleine Buche: dtd-Datei:

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 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: Internodien, Blätter: Trockenmassen für gesamten Baum

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

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

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.

Wiederholung: Relationale Wachstumsgrammatiken (RGG: Relational Growth Grammars, parallele Graph-Gramm.) Zusammenfassung: Aufbau einer Regel einer RGG

ein weiterer Regeltyp: Aktualisierungsregeln manchmal will man gar nichts an der Graph-Struktur ändern, sondern nur Attribute eines einzelnen Knotens verändern (z.B. Berechnung der Photosyntheseleistung für ein Blatt). Dazu gibt es einen eigenen Regeltyp: A ::> { imperativer Code }; Testen Sie die Beispiele sm09_b25.rgg, sm09_b16.rgg, sm09_b18.rgg

Darstellung von Graphen in der Programmiersprache XL ● (neue) Knotentypen müssen mit „module“ deklariert werden ● Knoten können alle Java-Objekte sein. Bei eigenen module-Deklarationen können auch Methoden (Funktionen) und zusätzliche Variablen mitdeklariert werden, wie in Java ● Notation für Knoten in einem Graphen: Knotentyp, optional davor: bezeichner: Beispiele: A, Meristem(t), b:Bud ● Notation für Kanten: -Kantenbezeichner->, <-Kantenbezeichner- ● Spezielle Kantentypen: Nachfolgerkante: > Verzweigungskante: +> Verfeinerungskante: />

Darstellung von Graphen

selbstdefinierte Kantentypen ... const int xxx = EDGE_0; // oder EDGE_1, ..., EDGE_14 ... Verwendung im Graphen: -xxx->, <-xxx-, -xxx-

(vgl. Kniemeyer 2008, S. 150 und 403)

Notation von Graphen in XL Beispiel: wird im Programmcode dargestellt als (die Darstellung ist nicht eindeutig!) ( >: Nachfolgerkante, +: Verzweigungskante)

wie lässt sich der folgende Graph im Code textuell beschreiben? Bud > 1 X + Leaf

RU(30), A, B: normalerweise nicht (wenn nicht mit „extends“ Der aktuelle Graph GroIMP führt immer einen Graphen mit, der die gesamte aktuelle Strukturinformation beinhaltet. Dieser wird durch Anwendung der Regeln umgeformt. Achtung: Nicht alle Knoten des Graphen werden in der 3D-Ansicht durch sichtbare Objekte dargestellt! F0, F(x), Box, Sphere: ja RU(30), A, B: normalerweise nicht (wenn nicht mit „extends“ aus sichtbaren Objekten abgeleitet) Der Graph kann in der 2D-Graphansicht komplett dargestellt werden (in GroIMP: Panels - 2D - Graph).

Verfolgen Sie die Veränderung des Graphen, wenn Sie die Regeln Laden Sie eine Beispiel-rgg-Datei in GroIMP und führen Sie einige Schritte aus (verwenden Sie keine zu komplexe Struktur). Öffnen Sie die 2D-Graphansicht, verankern Sie mit der Maus das Fenster in der GroIMP-Oberfläche und testen Sie verschiedene Layouts (Layout - Edit): GeneralPurpose Tree Sugiyama Square Circle Random SimpleEdgeBased Fruchterman Verfolgen Sie die Veränderung des Graphen, wenn Sie die Regeln anwenden (redraw anklicken)!

was ist von der in XL erzeugten Graph-Struktur sichtbar (in der 3D-Ansicht) ? alle Geometrieknoten, die von der Wurzel (Zeichen: ^) des Graphen über genau einen Pfad, der nur aus "successor"- und "branch"-Kanten besteht, erreichbar sind. Erzwingen, dass ein Objekt auf jeden Fall sichtbar ist: ==>> ^ Objekt