PowerPoint-Pr

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Struktur-Funktions-Modelle von Pflanzen Masterstud
ium, Schwerpunkt WI - Sommersemester 2011
- Winfried Kurth Universität Göttingen,
Lehrstuhl Computergrafik und Ökologische
Informatik gemeinsam mit Abteilung Forstbotanik
und Baumphysiologie 1. Vorlesung 14. 4. 2011
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Struktur-Funktions-Modelle von Pflanzen auf
ökophysiologischer Grundlage Umfang 6
ECTS Vorlesung Übung Selbststudium Homepage
der Lehrveranstaltung http//www.uni-forst.gwdg.d
e/wkurth/sm11_home.htm zusätzliches
Material http//www.studip.uni-goettingen.de -
Lernmodule Software-Beschreibung und
-Download http//www.grogra.de
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Organisatorisches Teile der Lehrveranstaltung 1.
Modellieren mit XL jeden Do 1415 - 1600 2.
Vorlesung zur Photosynthese (Polle) Di, 7.
6., 800-1000 3. Messungen zur Photosynthese
Di, 14. 6., 800-1000 4. Messungen zur Morphologie
Block 5. Hausarbeit bis Ende
September - Analyse und Weiterentwicklung
eines Modells - Zusammenfassung zur
physiologischen Modellierung (Photosynthese)
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• 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

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• 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
Struktur-Funktions- Modelle
Strukturmodelle Morphologie
Prozessmodelle Physiologie
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• 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

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• 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

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• 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)

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• 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

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• 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

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• Strukturmodelle
• 3 Ebenen
• statische Strukturbeschreibung
• Pflanze zu einem festen Zeitpunkt (z.B. am
  5. Mai 2010)
• dynamische Strukturbeschreibung, nichtsensitiv
• Beschreibung der Entwicklung (Ontogenese)
  einer
• Pflanze
• Zeitreihe dreidimensionaler Strukturen
• Dynamik mit Berücksichtigung von kausalen
  Einflüssen /
• Bedingungen (sensitive Modelle)
• verschiedene Entwicklungspfade
• logische Bedingungen für die Gabelung
• (im einfachsten Fall stochastisch)

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• zu 1. statische Strukturbeschreibung
• zwei Ansätze
• 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

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topologisch- metrische Skizze
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• 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

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• 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

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Beispiel für die dtd- Codierung
eines Verzweigungssystems
Beschreibung des dtd-Codes siehe http//www.uni-fo
rst.gwdg.de/wkurth/dtd_code.pdf
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• 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?

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• Der Übergang zur 2. Beschreibungsebene
• Dynamische Beschreibung von Pflanzenstrukturen
• wie verändern sich Pflanzen im Verlauf der
  Ontogenese?

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AMAP Atelier de Modélisation de lArchitecture
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) Modellieru
ng 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.
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• Modellierungsansatz
• Baumgestalt Trajektorie der Meristeme
• primäres Meristem
• Verzweigung
• sekundäres Meristem
• (hinzu kommen
• mechanische Verformungen, Verformungen mit
  physiologischen Ursachen, Verletzungen,
  Absterbeprozesse)

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• 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

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Beschreibung
Synthese multiskalierte Graphen
Axe de référence
(AMAPsim,
GreenLab) dtd-Code
L-Systeme, relationale

Wachstumsgrammatiken
(Grogra, GroIMP)
Göttingen Montpellier
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Kombination 1. 2. Beschreibungsebene
morphologische Messungen
Astkartierung
statisch
Verschlüsselung
Grogra/GroIMP
statistische Datenanalyse
Wachstumsgrammatik mit Parametern
dynamisch
Grogra/GroIMP
Zeitreihen dreidimensionaler Strukturen
Grafik
andere Simulationsprogramme
statist. DA
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• 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

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• E-Learning-Aufgabe zum nächsten Mal
• Studieren Sie die ersten 3 Kapitel der
  Grogra-CD
• StudIP (Lernmodule) auch unter
• http//elan.forst.uni-goettingen.de/grogracd/
• Einführung
• Zu dieser CD
• Wissenschaftliche Einordnung