Struktur-Funktions-Modelle von Pflanzen

Präsentation zum Thema: "Struktur-Funktions-Modelle von Pflanzen"—  Präsentation transkript:

1 Struktur-Funktions-Modelle von Pflanzen
- Sommersemester Winfried Kurth Universität Göttingen, Lehrstuhl Computergrafik und Ökologische Informatik 4. Vorlesung:

2 letztes Mal: einfache L-Systeme (Zeichenkettenersetzungssysteme)
ihre Ausführung mit GroIMP einfache Verzweigungsmuster, modelliert mit L-Systemen

3 als nächstes: parametrische L-Systeme, weitere L-System-Beispiele
Vorbereitung der morphologischen Messungen (12. 5., 8:15 Uhr, Gewächshaus der Forstbotanik)

4 welche Struktur liefert
Axiom ==> F(10) A ; A ==> [ RU(-60) F(6) RH(180) A Sphere(3) ] [ RU(40) F(10) RH(180) A Sphere(3) ]; Sphere ==> Z; ? (F(n) liefert Linie der vorgegebenen Länge n, Sphere(n) eine Kugel mit Radius n)

5 Erweiterung des Symbol-Konzepts:
Lasse reellwertige Parameter nicht nur bei Turtle-Kommandos wie "RU(45)" und "F(3)" zu, sondern bei allen Zeichen parametrische L-Systeme beliebig lange, endliche Parameterlisten Parameter werden bei Regel-Matching mit Werten belegt Beispiel: Regel A(x, y) ==> F(7*x+10) B(y/2) vorliegendes Zeichen z.B.: A(2, 6) nach der Regelanwendung: F(24) B(3) Parameter können in Bedingungen abgeprüft werden (logische Bedingungen mit Java-Syntax): A(x, y) (x >= 17 && y != 0) ==> ....

6 Beispiel:

7 Welche Struktur wird von folgendem L-System erzeugt?
Axiom ==> [ RU(90) M(1) RU(90) A(1) ] A(1); A(n) ==> F(n) RU(90) A(n+1);

8 Welche Struktur wird von folgendem L-System erzeugt?
Axiom ==> [ RU(90) M(1) RU(90) A(1) ] A(1); A(n) ==> F(n) RU(90) A(n+1); Variante: in der zweiten Regel "RU(90)" etwa durch "RU(92)" ersetzen.

9 Beispiele: sm09_b04.rgg Zwei Regelblöcke sm09_b05.rgg wechselständiges Wachstum sm09_b06.rgg gegenständiges Wachstum sm09_b07.rgg Farbgebung für einzelne Elemente durch imperativen Code sm09_b08.rgg Verwendung eigener Module sm09_b21.rgg Seitenzweig-Positionierung

10 Morphologische Messungen, 12. und 19. 5. 2017
Bitte mitbringen: Smartphone bzw. Kamera farbige Stifte Lineal, Geodreieck (sofern vorhanden) Schublehre (sofern vorhanden) kleine Haftetiketten (sofern vorhanden), alternativ Tesafilm Notebook zum Eingeben der dtd-Dateien

11 Untersuchungsobjekte:
junge Eschen- / Kirschpflanzen 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

12 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)

13 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!)

14 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)

15 entsprechende dtd-Datei:
T1 L75 ## O D2.3 T2 L50 #T1 V D1.9 T3 L67 #T2 V D1.5 T4 L31 #T3 V D1.1 S1 L40 #T W65 D1.1 S2 L36 #T W60 D0.9 S3 L20 #T3 S315 W50 D0.8 B1 L45 #S1 V R5 W C4 < B30 > B2 L57 #S2 V R5 W C4 < B35 > B3 L28 #S3 V R5 W 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).

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

17 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 #T 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 #T 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 #T 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 #T W40 D1.1 S9-2 L0.5 #S9-1 V d1.1 S10-1 L5 #T W60 d1.3 S10-2 L5 #S10-1 V D1.3 B1 L29 #S W C4 <B19> B2 L32 #S W C4 <B21> B3 L23 #S W C4 <B15> B4 L43 #S W C4 <B29> B5 L52 #S W C4 <B33> B6 L24 #S W C4 <B15> B7 L40 #S W C4 <B23> B8 L50 #S W C4 <B34> B9 L29 #S W C4 <B17> B10 L44 #S W C4 <B26> B11 L54 #S W C4 <B31> B12 L59 #S W C4 <B38> B13 L46 #T W C4 <B31> B14 L66 #T W C4 <B43> B15 L70 #T W C4 <B45> B16 L67 #T W C4 <B41> B17 L56 #T W C4 <B30> Beispiel für kleine Buche: dtd-Datei:

18 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

19 zur Analyse der gemessenen Daten
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

20 Laden von dtd-Dateien in GroIMP
File / Open: dtd-Datei wählen (öffnen) Verzweigungsstruktur erscheint in der 3D-Ansicht ggf. Kameraeinstellungen ändern Verändern der Datei und speichern  Änderung wird im Display sichtbar

21 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?

22 Einfache Analysen einige Möglichkeiten wurden aus der Vorgängersoftware GROGRA übernommen Panels / RGG Panels / GROGRA functions / Analysis dort: - list of all shoots (erzeugt komplette Liste) - elementary analysis - basic tree parameters - topological analysis (später mehr)

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

24 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.

25 Hausaufgabe: Lesen Sie Chapter 1, Section 1.6 – 1.7 und 1.10/ im Buch „The Algorithmic Beauty of Plants“ von P. Prusinkie-wicz und A. Lindenmayer (online verfügbar, siehe Literatur-seite zur Veranstaltung). (= S und 40-43).