![Page 1: Struktur-Funktions-Modelle von Pflanzen Masterstudium, Schwerpunkt WI - Sommersemester 2010 - Winfried Kurth Universität Göttingen, Lehrstuhl Computergrafik](https://reader036.vdokument.com/reader036/viewer/2022070310/55204d6849795902118be120/html5/thumbnails/1.jpg)
Struktur-Funktions-Modelle von Pflanzen
Masterstudium, Schwerpunkt WI
- Sommersemester 2010 -
Winfried Kurth
Universität Göttingen, Lehrstuhl Computergrafik und Ökologische Informatikgemeinsam mit Abteilung Forstbotanik und Baumphysiologie
1. Vorlesung: 8. 4. 2010
![Page 2: Struktur-Funktions-Modelle von Pflanzen Masterstudium, Schwerpunkt WI - Sommersemester 2010 - Winfried Kurth Universität Göttingen, Lehrstuhl Computergrafik](https://reader036.vdokument.com/reader036/viewer/2022070310/55204d6849795902118be120/html5/thumbnails/2.jpg)
Struktur-Funktions-Modelle von Pflanzen
Umfang: 6 ECTS
Vorlesung + Übung + Selbststudium
Homepage der Lehrveranstaltung:
http://www.uni-forst.gwdg.de/~wkurth/sm10_home.htm
zusätzliches Material:
http://www.elan.forst.uni-goettingen.de/grogracd
Software-Beschreibung und -Download:
http://www.grogra.de
![Page 3: Struktur-Funktions-Modelle von Pflanzen Masterstudium, Schwerpunkt WI - Sommersemester 2010 - Winfried Kurth Universität Göttingen, Lehrstuhl Computergrafik](https://reader036.vdokument.com/reader036/viewer/2022070310/55204d6849795902118be120/html5/thumbnails/3.jpg)
Organisatorisches
Teile der Lehrveranstaltung:
1. Modellieren mit XL jeden Do 1415 - 1600
2. Vorlesung zur Photosynthese (Polle) noch festzulegen
3. Messungen zur Photosynthese Block
4. Messungen zur Morphologie Block
5. Hausarbeit bis Ende September
- Analyse und Weiterentwicklung eines Modells
- Zusammenfassung zur physiologischen Modellierung (Photosynthese)
![Page 4: Struktur-Funktions-Modelle von Pflanzen Masterstudium, Schwerpunkt WI - Sommersemester 2010 - Winfried Kurth Universität Göttingen, Lehrstuhl Computergrafik](https://reader036.vdokument.com/reader036/viewer/2022070310/55204d6849795902118be120/html5/thumbnails/4.jpg)
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
![Page 5: Struktur-Funktions-Modelle von Pflanzen Masterstudium, Schwerpunkt WI - Sommersemester 2010 - Winfried Kurth Universität Göttingen, Lehrstuhl Computergrafik](https://reader036.vdokument.com/reader036/viewer/2022070310/55204d6849795902118be120/html5/thumbnails/5.jpg)
Was sind Struktur-Funktions-Modelle?(engl.: functional-structural plant models, FSPM)
„Modell-Dreieck“:
• Verbindung von botanischen Strukturen und Funktionen (z.B. Lichtinterzeption, Wasserfluss) in einem einheitlichen Modell
• Prozesse an morphologische Objekte gebunden
zunächst: reine Strukturmodelle
Statistik
aggregierte Modelle
Strukturmodelle
Morphologie
Prozessmodelle
Physiologie
Struktur-Funktions-
Modelle
![Page 6: Struktur-Funktions-Modelle von Pflanzen Masterstudium, Schwerpunkt WI - Sommersemester 2010 - Winfried Kurth Universität Göttingen, Lehrstuhl Computergrafik](https://reader036.vdokument.com/reader036/viewer/2022070310/55204d6849795902118be120/html5/thumbnails/6.jpg)
Motivation für Strukturmodelle 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
![Page 7: Struktur-Funktions-Modelle von Pflanzen Masterstudium, Schwerpunkt WI - Sommersemester 2010 - Winfried Kurth Universität Göttingen, Lehrstuhl Computergrafik](https://reader036.vdokument.com/reader036/viewer/2022070310/55204d6849795902118be120/html5/thumbnails/7.jpg)
Motivation für Strukturmodelle 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
![Page 8: Struktur-Funktions-Modelle von Pflanzen Masterstudium, Schwerpunkt WI - Sommersemester 2010 - Winfried Kurth Universität Göttingen, Lehrstuhl Computergrafik](https://reader036.vdokument.com/reader036/viewer/2022070310/55204d6849795902118be120/html5/thumbnails/8.jpg)
Motivation für Strukturmodelle 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)
![Page 9: Struktur-Funktions-Modelle von Pflanzen Masterstudium, Schwerpunkt WI - Sommersemester 2010 - Winfried Kurth Universität Göttingen, Lehrstuhl Computergrafik](https://reader036.vdokument.com/reader036/viewer/2022070310/55204d6849795902118be120/html5/thumbnails/9.jpg)
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
![Page 10: Struktur-Funktions-Modelle von Pflanzen Masterstudium, Schwerpunkt WI - Sommersemester 2010 - Winfried Kurth Universität Göttingen, Lehrstuhl Computergrafik](https://reader036.vdokument.com/reader036/viewer/2022070310/55204d6849795902118be120/html5/thumbnails/10.jpg)
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
![Page 11: Struktur-Funktions-Modelle von Pflanzen Masterstudium, Schwerpunkt WI - Sommersemester 2010 - Winfried Kurth Universität Göttingen, Lehrstuhl Computergrafik](https://reader036.vdokument.com/reader036/viewer/2022070310/55204d6849795902118be120/html5/thumbnails/11.jpg)
Strukturmodelle
3 Ebenen:
1. statische Strukturbeschreibung
Pflanze zu einem festen Zeitpunkt (z.B. am 5. Mai 2010)
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)
![Page 12: Struktur-Funktions-Modelle von Pflanzen Masterstudium, Schwerpunkt WI - Sommersemester 2010 - Winfried Kurth Universität Göttingen, Lehrstuhl Computergrafik](https://reader036.vdokument.com/reader036/viewer/2022070310/55204d6849795902118be120/html5/thumbnails/12.jpg)
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
![Page 13: Struktur-Funktions-Modelle von Pflanzen Masterstudium, Schwerpunkt WI - Sommersemester 2010 - Winfried Kurth Universität Göttingen, Lehrstuhl Computergrafik](https://reader036.vdokument.com/reader036/viewer/2022070310/55204d6849795902118be120/html5/thumbnails/13.jpg)
topologisch-
metrische
Skizze
![Page 14: Struktur-Funktions-Modelle von Pflanzen Masterstudium, Schwerpunkt WI - Sommersemester 2010 - Winfried Kurth Universität Göttingen, Lehrstuhl Computergrafik](https://reader036.vdokument.com/reader036/viewer/2022070310/55204d6849795902118be120/html5/thumbnails/14.jpg)
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
![Page 15: Struktur-Funktions-Modelle von Pflanzen Masterstudium, Schwerpunkt WI - Sommersemester 2010 - Winfried Kurth Universität Göttingen, Lehrstuhl Computergrafik](https://reader036.vdokument.com/reader036/viewer/2022070310/55204d6849795902118be120/html5/thumbnails/15.jpg)
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
![Page 16: Struktur-Funktions-Modelle von Pflanzen Masterstudium, Schwerpunkt WI - Sommersemester 2010 - Winfried Kurth Universität Göttingen, Lehrstuhl Computergrafik](https://reader036.vdokument.com/reader036/viewer/2022070310/55204d6849795902118be120/html5/thumbnails/16.jpg)
Beispiel für die dtd-Codierung einesVerzweigungssystems:
Beschreibung des dtd-Codes siehehttp://www.uni-forst.gwdg.de/~wkurth/dtd_code.pdf
![Page 17: Struktur-Funktions-Modelle von Pflanzen Masterstudium, Schwerpunkt WI - Sommersemester 2010 - Winfried Kurth Universität Göttingen, Lehrstuhl Computergrafik](https://reader036.vdokument.com/reader036/viewer/2022070310/55204d6849795902118be120/html5/thumbnails/17.jpg)
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 Tab. Kommt Alter 0 zu selten vor?
![Page 18: Struktur-Funktions-Modelle von Pflanzen Masterstudium, Schwerpunkt WI - Sommersemester 2010 - Winfried Kurth Universität Göttingen, Lehrstuhl Computergrafik](https://reader036.vdokument.com/reader036/viewer/2022070310/55204d6849795902118be120/html5/thumbnails/18.jpg)
Der Übergang zur 2. Beschreibungsebene:
Dynamische Beschreibung von Pflanzenstrukturen
• wie verändern sich Pflanzen im Verlauf der Ontogenese?
![Page 19: Struktur-Funktions-Modelle von Pflanzen Masterstudium, Schwerpunkt WI - Sommersemester 2010 - Winfried Kurth Universität Göttingen, Lehrstuhl Computergrafik](https://reader036.vdokument.com/reader036/viewer/2022070310/55204d6849795902118be120/html5/thumbnails/19.jpg)
AMAP
Atelier de Modélisation de l‘Architecture des Plantes
Montpellier, Paris, Straßburg, 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
1. AMAP-Version (Grundlage der heutigen kommerziellen Software): Rückgriff auf die 23 „Architekturmodelle“ von Hallé et al.
![Page 20: Struktur-Funktions-Modelle von Pflanzen Masterstudium, Schwerpunkt WI - Sommersemester 2010 - Winfried Kurth Universität Göttingen, Lehrstuhl Computergrafik](https://reader036.vdokument.com/reader036/viewer/2022070310/55204d6849795902118be120/html5/thumbnails/20.jpg)
Modellierungsansatz:
Baumgestalt = Trajektorie der Meristeme
• primäres Meristem
• Verzweigung
• sekundäres Meristem
(hinzu kommen:mechanische Verformungen, Verformungen mit physiologischen Ursachen, Verletzungen, Absterbeprozesse)
![Page 21: Struktur-Funktions-Modelle von Pflanzen Masterstudium, Schwerpunkt WI - Sommersemester 2010 - Winfried Kurth Universität Göttingen, Lehrstuhl Computergrafik](https://reader036.vdokument.com/reader036/viewer/2022070310/55204d6849795902118be120/html5/thumbnails/21.jpg)
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
![Page 22: Struktur-Funktions-Modelle von Pflanzen Masterstudium, Schwerpunkt WI - Sommersemester 2010 - Winfried Kurth Universität Göttingen, Lehrstuhl Computergrafik](https://reader036.vdokument.com/reader036/viewer/2022070310/55204d6849795902118be120/html5/thumbnails/22.jpg)
Beschreibung Synthese
multiskalierte Graphen Axe de référence
(AMAPsim, GreenLab)
dtd-Code L-Systeme, relationale Wachstumsgrammatiken
(Grogra, GroIMP)
Gö
ttin
gen
M
ont
pel
lier
![Page 23: Struktur-Funktions-Modelle von Pflanzen Masterstudium, Schwerpunkt WI - Sommersemester 2010 - Winfried Kurth Universität Göttingen, Lehrstuhl Computergrafik](https://reader036.vdokument.com/reader036/viewer/2022070310/55204d6849795902118be120/html5/thumbnails/23.jpg)
Kombination 1. + 2. Beschreibungsebene:
morphologische Messungen
Astkartierung
Verschlüsselung
Grogra/GroIMP
statistische Datenanalyse
Wachstumsgrammatik mit Parametern
Grogra/GroIMP
Zeitreihen dreidimensionaler Strukturen
Grafik andere Simulationsprogramme statist. DA
statisch
dynamisch
![Page 24: Struktur-Funktions-Modelle von Pflanzen Masterstudium, Schwerpunkt WI - Sommersemester 2010 - Winfried Kurth Universität Göttingen, Lehrstuhl Computergrafik](https://reader036.vdokument.com/reader036/viewer/2022070310/55204d6849795902118be120/html5/thumbnails/24.jpg)
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
![Page 25: Struktur-Funktions-Modelle von Pflanzen Masterstudium, Schwerpunkt WI - Sommersemester 2010 - Winfried Kurth Universität Göttingen, Lehrstuhl Computergrafik](https://reader036.vdokument.com/reader036/viewer/2022070310/55204d6849795902118be120/html5/thumbnails/25.jpg)
E-Learning-Aufgabe zum nächsten Mal:
Studieren Sie die ersten 3 Kapitel der „Grogra-CD“
http://elan.forst.uni-goettingen.de/grogracd/
• Einführung
• Zu dieser CD
• Wissenschaftliche Einordnung