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Struktur-Funktions-Modelle von Pflanzen - Sommersemester 2010 - Winfried Kurth

Struktur-Funktions-Modelle von Pflanzen - Sommersemester 2010 - Winfried Kurth Universität Göttingen, Lehrstuhl Computergrafik und Ökologische Informatik 11. Vorlesung: 1. 7. 2010. letztes Mal: Bemerkungen zur Analyse der gemessenen Daten erste Vorstufen des Pappelmodells

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Struktur-Funktions-Modelle von Pflanzen - Sommersemester 2010 - Winfried Kurth

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  1. Struktur-Funktions-Modelle von Pflanzen - Sommersemester 2010 - Winfried Kurth Universität Göttingen, Lehrstuhl Computergrafik und Ökologische Informatik 11. Vorlesung: 1. 7. 2010

  2. letztes Mal: • Bemerkungen zur Analyse der gemessenen Daten • erste Vorstufen des Pappelmodells • Modellierung von Transportvorgängen • Modellierung von Beschattung durch höherliegende Objekte • (cone-Funktion)

  3. als nächstes: • Analyse des Fichtenmodells • Fortsetzung: Vorstufen des Pappelmodells • Beschreibung des Pappelmodells • Aufgabenstellung der Hausarbeit • Bewertungskriterien

  4. Fichtenmodell in XL /* Fichtenmodell sm09_fichte.rgg, W.K. 11. 6. 2009 */ module T; /* terminale Knospe */ module M1; /* Seitenzweigknospe 1. Ordn., mediale Position */ module S1; /* Seitenzweigknospe 1. Ordn., subapikale Pos. */ module M2; /* Seitenzweigknospe 2. Ordn., mediale Pos. */ module S2; module M3; module S3; module GU(float incd, int age) extends F0; /* growth unit */ module BA(int age, super.angle) extends RL(angle); module GA(int age, super.angle) extends RL(angle); module HA(int age, super.angle) extends RL(angle); const int ang = 45; const int x3 = 50; const int[] a = { 0, 15, 25, 32, 37, 40 }; const int[] gg = { 0, 0, 4 }; const int[] hh = { 0, 0, 2, 4, 8 }; int n, k; const float[] prob_n = {0.1, 0.4, 0.3, 0.2}; const int[] n_subap = {5, 6, 7, 8};

  5. protected void init() [ Axiom ==> P(2) D(1) L(100) T; ] public void grow() [ x:T ==> Nl(80*TurtleState.length(x)) GU(2.2, 0) RH(random(0, 360)) { k = 0; } for ((1:3)) /* 3 mediale Seitenäste 1. Ordnung */ ( [ MRel(random(0.2, 0.85)) RH(k*120+normal(0, 5.5)) { k++; } RL(x3+normal(0, 2.2)) BA(0, 0) LMul(0.4) M1 ] ) RH(random(0, 360)) { n = n_subap[distribution(prob_n)]; k = 0; } for ((1:n)) /* n subapikale Seitenäste 1. Ordnung */ ( [ MRel(random(0.85, 1)) RH(k*360/n+normal(0, 3.1)) { k++; } RL(x3+normal(0, 2.2)) BA(0, 0) LMul(0.65) S1 ] ) T; x:S1 ==> Nl(80*TurtleState.length(x)) GU(1.3, 0) [ MRel(random(0.85, 1)) RH(15) RU(ang+normal(0, 2.2)) AdjustLU LMul(0.7) S2 ] [ MRel(random(0.85, 1)) RH(-15) RU(-ang+normal(0, 2.2)) AdjustLU LMul(0.7) S2 ] GA(0, 0) S1; x:M1 ==> Nl(80*TurtleState.length(x)) GU(0.8, 0) [ MRel(random(0.85, 1)) RH(15) RU(ang+normal(0, 2.2)) AdjustLU LMul(0.7) M2 ] [ MRel(random(0.85, 1)) RH(-15) RU(-ang+normal(0, 2.2)) AdjustLU LMul(0.7) M2 ] HA(0, 0) M1;

  6. x:S2 ==> Nl(80*TurtleState.length(x)) GU(1.3, 0) [ MRel(random(0.85, 1)) RH(10) RU(ang) AdjustLU LMul(0.7) S3 ] [ MRel(random(0.85, 1)) RH(-10) RU(-ang) AdjustLU LMul(0.7) S3 ] S2; x:M2 ==> Nl(80*TurtleState.length(x)) GU(0.8, 0) [ MRel(random(0.85, 1)) RH(10) RU(ang) AdjustLU LMul(0.7) M3 ] [ MRel(random(0.85, 1)) RH(-10) RU(-ang) AdjustLU LMul(0.7) M3 ] M2; x:S3 ==> Nl(80*TurtleState.length(x)) GU(1.3, 0); x:M3 ==> Nl(80*TurtleState.length(x)) GU(0.8, 0); GU(incd, t) ==> DlAdd(incd*(t+1)) GU(incd, t+1); DlAdd(arg) ==> ; BA(age, angle) ==> BA(age+1, a[age<5 ? age+1 : 5]); GA(age, angle) ==> GA(age+1, gg[age<2 ? age+1 : 2]); HA(age, angle) ==> HA(age+1, hh[age<4 ? age+1 : 4]); ]

  7. Notieren Sie alles, was Ihnen unklar ist. Versuchen Sie, folgende Fragen zu beantworten: - wie lässt sich das Dickenwachstum verstärken - für alle Wachstumseinheiten (growth units, GU)? - nur für den Stamm? - wie lässt sich (durch Veränderung des Längenwachstums) eine schlankere Kronenform erreichen? - wie lässt sich die Zahl der Haupt-Seitenäste vermindern?

  8. weitere Vorstufen zum Pappelmodell • sm09_b44.gsz • sm09_b45.gsz • in pappel.gsz kommt jetzt nur noch hinzu: • Einfügen eines Regelblocks für die Winkel, Veränderung • von Winkeln während des Wachstums • Einfügen eines Objekts „Sonne“, das seine Stellung relativ • zur Pflanze im Tagesverlauf ändert

  9. Aufgabenstellung der Hausarbeit Struktur-Funktions-Modelle 2010 (I) Gründliche kritische Analyse des vorliegenden Modells pappel.gsz - Bitte analysieren Sie das zugrundeliegende Konzept und den Modellaufbau - einschließlich einer Beschreibung des Photosynthese- teils (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.

  10. (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). 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?

  11. Bitte beachten: Das Pappelmodell in der vorliegenden Fassung ist kein vollständiges, abgeschlossenes, komplett getestetes und kalibriertes Struktur-Funktions-Modell. Es kann noch Fehler enthalten! Das Auffinden möglicher Mängel und Fehler ist Teil der Aufgabenstellung für die Hausarbeit.

  12. Mögliche Erweiterungen des Modells (1) (weitergehende) Modellanpassung an die Messdaten Photosyntheseparameter, Maximalgrößen der Organe, Winkel, Wachstumsraten, Wachstumsregeln (2) Ausgleichen der Stoffbilanz der Pflanze Einbeziehen der Assimilat-Senken, insbes. des Assimilat-Bedarfs für das Organwachstum (3) Steuerung des Wachstums Lichtabhängigkeit; Abhängigkeit von vorhandener Assimilatmenge; evtl. Dichtesensitivität... (4) Steuerung der Bildung neuer Metamere analog zur Steuerung des Wachstums

  13. Mögliche Erweiterungen des Modells (Fortsetzung) • Einbeziehung des Blattabwurfs • Einbez. von sylleptischer Triebbildung / freiem Wachstum • (7) Einbez. von Verzweigung im nächsten Jahr • (8) Verbesserung der Modellierung des Dickenwachstums • (z.B. mittels des Pipe-Modells) • (9) Photosynthese und Beschattung • z.B. Reduktion der Photosynthese bei Beschattung des • Blattes; Verbesserung der Beschattungsfunktion; • Einsatz des Photontracing-Lichtmodells von GroIMP • (10) Verbesserung des Assimilat-Allokationsmodells • z.B. Veränderung der Transportraten für junge Blätter; • Einbeziehung eines zentralen C-Vorrats (Stärkepool)

  14. Bewertungskriterien für die Hausarbeit Anteil (in Siebteln) Gliederung, Einleitung und Theorie 1 Inhalt 3 Analyse des Modells 0,6 Datenanalyse, Einbau der Daten 0,6 Konzeptionelle Verbesserung (Ideen) 0,6 Konkrete Verbesserung des Modells 0,6 Sensitivitätsanalyse 0,6 Literatur 0,5 Präzision 1 Sprache 0,5 Originalität 1

  15. Hausaufgabe zur letzten Vorlesungsstunde: - Fertigstellung der dtd-Datei auf Grundlage Ihrer Messdaten - erste Plausibilitätsprüfung - erste Sichtung des Pappelmodells; Fragen dazu sammeln!

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