Ökoinformatik, Biometrie und Waldwachstum

AG Pflanzenmodellierung

Laufende und abgeschlossene Projekte seit 2008




Mehrskalige Funktions-Struktur-Modelle von Pflanzen am Beispiel von Apfelbäumen
gefördert durch: DFG und ANR
Zusammenfassung:
Prozessbasierte Nutzpflanzenmodelle ermöglichen die Vorhersage des Wachstums von Pflanzenkompartimenten unter homogenen Bedingungen und Nutzungsformen. Sie sind weniger gut geeignet für Anwendungen, bei denen einzelne Pflanzenorgane im Mittelpunkt der Betrachtung stehen. Funktions-Struktur-Modelle von Pflanzen (FSPMs) sind entwickelt worden, um diese Beschränkung zu überwinden durch die Darstellung der 3-dimensionalen Pflanzenstrukturen und zugleich der physiologischen Funktionen, unter Berücksichtigung der gegenseitigen Wechselwirkungen beider Aspekte. Wenn allerdings mehrere Prozesse involviert sind und die Pflanzen auf Organebene dargestellt werden, können die Rechenzeiten für FSPMs sehr groß werden, insbesondere für größere Pflanzen. Ein weiteres Problem ist das der Komplexität: Die notwendigen Schritte der Parameterschätzung und Sensitivitätsanalyse sind nicht trivial, da es viele Modellparameter gibt und zwischen den modellierten Prozessen oft nichtlineare Abhängigkeiten bestehen.

Wir werden diese Probleme in einem Projekt in Angriff nehmen, das vier Teams umfasst. Sie repräsentieren Expertise in den Bereichen Botanik, gartenbauliche Nutzpflanzenmodellierung, Mathematik und Informatik. Unser Projekt wird sich auf zwei Forschungsschwerpunkte konzentrieren: F1 - "Modellentwicklung, Kalibrierung, Analyse und entsprechende Software-Werkzeuge" und F2 - "Fallstudie: Modellierung von Apfelbäumen auf Organ-, Zweig- und Baum-Ebene". In Schwerpunkt F1 werden wir mathematische und algorithmische Werkzeuge aufbauen, um die Lücken zwischen den räumlichen und zeitlichen Skalen zu schließen (räumlich: Organ - Zweigachse - individueller Baum - Pflanzung; zeitlich: von Stunden bis zu Jahren). Methoden für das Hochskalieren, Herunterskalieren und zur Aufrechterhaltung simultaner Pflanzen-Repräsentationen (einschließlich Prozessen) auf mehreren Skalenebenen werden entwickelt. Dabei verwenden wir die Open-source Simulationssoftware GroIMP. Außerdem wird ein Vorrat von Werkzeugen für das Parameterfitting,
für die Sensitivitätsanalyse und für die Validierung solcher mehrskaligen Modelle entwickelt und implementiert.

Eine weitere Lücke, eng verbunden mit der zwischen den Skalen, ist diejenige zwischen mechanistischen und empirisch basierten Modellen. Wir werden diese Lücke in der Fallstudie in F2 überbrücken, wobei wir von zwei Seiten kommen: Ein existierendes, empirisches, auf L-Systemen beruhendes Apfelbaummodell wird an verschiedene Genotypen und Umweltbedingungen angepasst. Parallel dazu wird ein biophysikalisch basiertes Wasserfluss- und Kohlenstofftransport- Modell auf Organ- und Zweig-Ebene entwickelt, wobei ein existierendes Werkzeug aus GroIMP zur einfachen Spezifikation und numerisch stabilen Lösung von Differentialgleichungen auf Netzwerken zum Einsatz kommen soll. Dieses Modell soll dann Schätzungen der Fruchtqualität unter verschiedenen Wasserverfügbarkeits-Szenarien ermöglichen. Am Ende sollen beide Entwicklungslinien in einem integrierten, mehrskaligen Apfelbaum-Wachstumsmodell mit einer hydraulischen und einer C-Transport-Komponente zusammengeführt werden. Dieses wird aufgebaut, analysiert und validiert unter Verwendung der in F1 entwickelten Werkzeuge. Zugleich wird die ständige Konfrontation der Entwickler aus F1 mit den Anforderungen der Modellierer aus F2 die Entwicklung der Methoden und Werkzeuge leiten und ihre Integration in FSPM-Plattformen vorantreiben.

Projektpartner:
Evelyne Costes, INRA Montpellier
Gerhard Buck-Sorlin, Agrocampus Ouest, Angers
Paul-Henry Cournède, Ecole Centrale de Paris


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Komponentenbasierte, multiskalierte Funktions-Struktur-Modellierung von Pflanzen in der Sprache XL
(Mitarbeiter: Dr. Katarína Smoleňová, Dipl.-Inf. Michael Henke)
gefördert durch: DFG
Zusammenfassung:
Der am häufigsten genutzte Ansatz für Funktions-Struktur-Modelle von Pflanzen (FSPMs) beruht auf Lindenmayer-Systemen (L-Systemen). Die Programmiersprache XL (eXtended L-system language) kombiniert L-Systeme (oder, allgemeiner, Graph-Grammatiken) mit der Mächtigkeit der universellen, objektorientierten Sprache Java und unterstützt so die Verknüpfung von prozessbasierten und regelbasierten Teilmodellen. Bei Anwendung auf komplexe Modellierungsaufgaben, die mehrere Skalenebenen umfassen, tendieren jedoch in XL geschriebene Modelle immer noch dazu, auf intransparente Weise anzuwachsen. Methoden und Werkzeuge, die in der Softwaretechnik gängig sind (z.B. komponentenbasiertes Programmieren, Versionskontrolle, grafische Software-Visualisierung) werden noch nicht unterstützt. Als weiteren Schritt hin zu einem transparenteren und flexibleren Modellierungsprozess für FSPMs wollen wir die Sprache XL und die Open-source-Entwicklungsplattform GroIMP erweitern durch Werkzeuge, die die Schaffung voneinander unabhängiger Komponenten unterstützen, wodurch auch die Austauschbarkeit und Vergleichbarkeit von Submodellen (z.B. für Photosynthese, Strukturbildung, genetische Prozesse etc.) gefördert werden. Interaktive, auf Graphen basierende Visualisierungswerkzeuge werden diesen Ansatz auch für Nicht-Informatiker zugänglich machen. Als Nachweis seiner erfolgreichen Einsetzbarkeit wird der komponentenbasierte Ansatz in internationaler Zusammenarbeit getestet werden an Neuimplementierungen der bereits etablierten, komplexen FSPMs LIGNUM (METLA, Finnland) und GreenLab (INRIA / Ecole Centrale de Paris, Frankreich).


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Eine Erweiterung der Sprache XL für die Spezifikation und Lösung von gewöhnlichen Differentialgleichungen auf dynamischen Netzwerken
(Mitarbeiter: Dipl.-Inf. Reinhard Hemmerling)
gefördert durch: DFG
Zusammenfassung:


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Extension of the rule-based programming language XL by concepts for multi-scaled graphical modeling and level-of-detail visualization, and implementation as part of the open-source project GroIMP
(Mitarbeiter: M.Sc. Yongzhi Ong)
gefördert durch: DAAD
Zusammenfassung:
Die Programmiersprache XL kombiniert den objektorientierten Ansatz der universellen Programmiersprache Java mit der Möglichkeit parallele Graphtransformationsreglen so zu spezifizieren, dass sie den bekannten grammatikalischen Formalismus der L-Systemen erweitern.

Das Hauptanwendungsgebiet von XL ist die Implementierung von realistischen, dynamischen und dreidimensionalen Modellen wachsender Pflanzen, die mit ihrer Umwelt interagieren. Anwendungen in der Architektur und dem Design wurden ebenfalls untersucht.

Um das Rendering einer komplexen Szene wie eine mit Vegetation bedeckten Landschaft oder ein detailliertes Modelle einer städtischen Szene zu beschleunigen, sind Level-of-detail (LOD) Methoden ein üblicher Ansatz in der Computergrafik. Eine Voraussetzung dafür ist ein multiskalare Representation der zu renderen virtuellen Szene. Solche multiskalare Modelle werden ebenfalls bei Pflanzen benötigt, wo verschiedene räumlich und funtkionale Ebenen (Genom, Zelle, Gewebe, Organ, Zweig, Individuum und Bestand) unterschieden werden müssen.

Das Ziel dieses PhD Projektes ist es ein Konzept multiskalierter Strukturen (als Erweiterung der Sprache XL) zu entwerfen und umzusetzen. Des Weiteren sollen Algorithmen und Methoden zur Erstellung, Bearbeitung und Verwaltung, zur Durchführung von konsistenz Test und von Transformation, sowie zum Rendering und der Analyse zur entwickelt werden.

Die multiskalaren Strukturen werden als Teil der existierenden Open-Source Software GroIMP, die einen XL Kompiler und eine integrierte 3-D Modellierungsumgebung bereitstellt, implementiert.

Level-of-detail Methoden für das Rendering der multiskalaren Modelle sollen etabliert und implementiert werden. Prototypische Anwendungen im Bereich der Vegetationsmodellierung und Architektur sollen entworfen und evaluiert werden.


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