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Struktur-Funktions-Modelle von Pflanzen Masterstudium, Schwerpunkt WI - Sommersemester 2010 - Winfried Kurth Universität Göttingen, Lehrstuhl Computergrafik und Ökologische Informatik gemeinsam mit Abteilung Forstbotanik und Baumphysiologie

Struktur-Funktions-Modelle von Pflanzen Masterstudium, Schwerpunkt WI - Sommersemester 2010 - Winfried Kurth Universität Göttingen, Lehrstuhl Computergrafik

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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

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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

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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)

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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

Strukturmodelle

Morphologie

Prozessmodelle

Physiologie

Struktur-Funktions-

Modelle

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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:

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)

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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

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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 einesVerzweigungssystems:

Beschreibung des dtd-Codes siehehttp://www.uni-forst.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 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.

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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)

ttin

gen

M

ont

pel

lier

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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

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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“

http://elan.forst.uni-goettingen.de/grogracd/

• Einführung

• Zu dieser CD

• Wissenschaftliche Einordnung