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

• Modellierung von Transportvorgängen

• Modellierung von Beschattung durch höherliegende Objekte (cone-Funktion)

als nächstes:

• Analyse des Fichtenmodells

• Fortsetzung: Vorstufen des Pappelmodells

• Beschreibung des Pappelmodells

• Aufgabenstellung der Hausarbeit

• Bewertungskriterien

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};

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;

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]);]

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?

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

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 undVerbesserung des Modells; dazu: Auswertung IhrerMessdaten, 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.

(III) Verbesserung und Erweiterung des Modells. Die Liste auf den folgenden Seiten zeigt mögliche Themenfelder,

wo Sie ansetzen können. Sie können auch eigeneThemenfelder entwickeln (bitte ggf. mit W. Kurthabsprechen).Pflicht für alle ist die Parametrisierung des Modellsmit Messdaten (einschließlich der Photosynthesedaten).Für die weiteren Verbesserungen können Sie Schwer-punkte setzen.

(IV) Sensitivitätsanalyse Ihrer Modellvariante: Wie starkwirken sich Änderungen von Parametern / von Regelnauf das Ergebnis aus?Sind die Ergebnisse biologisch plausibel?Was wäre noch weiter zu verbessern?

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.

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. desAssimilat-Bedarfs für das Organwachstum

(3) Steuerung des Wachstums

Lichtabhängigkeit; Abhängigkeit von vorhandenerAssimilatmenge; evtl. Dichtesensitivität...

(4) Steuerung der Bildung neuer Metamere

analog zur Steuerung des Wachstums

Mögliche Erweiterungen des Modells (Fortsetzung)

(5) Einbeziehung des Blattabwurfs

(6) 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 desBlattes; 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)

Bewertungskriterien für die Hausarbeit

Anteil (in Siebteln)

Gliederung, Einleitung und Theorie 1

Inhalt 3Analyse des Modells 0,6Datenanalyse, Einbau der Daten 0,6Konzeptionelle Verbesserung (Ideen) 0,6Konkrete Verbesserung des Modells 0,6Sensitivitätsanalyse 0,6

Literatur 0,5

Präzision 1

Sprache 0,5

Originalität 1

Hausaufgabe zur letzten Vorlesungsstunde:

- Fertigstellung der dtd-Datei auf Grundlage Ihrer Messdaten

- erste Plausibilitätsprüfung

- erste Sichtung des Pappelmodells; Fragen dazu sammeln!