Schritte zum Pappelmodell, Aufgabenstellung für die Hausarbeit

Struktur-Funktions-Modelle von Pflanzen
- Sommersemester 2009 -
Winfried Kurth
Universität Göttingen, Lehrstuhl Computergrafik und
Ökologische Informatik
12. Vorlesung: 9. 7. 2009
als nächstes:
• Bemerkungen zur Analyse der gemessenen Daten
• Vorstufen des Pappelmodells
• Modellierung von Transportvorgängen
• Modellierung von Beschattung durch höherliegende Objekte
• Aufgabenstellung der Hausarbeit
• Bewertungskriterien
zur Analyse der gemessenen Daten
dtd-Datei:
- in GroIMP laden, visuelle Überprüfung auf Plausibilität
- Darstellung der Blätter mit Breite und Fläche
derzeit nicht möglich (Blattdaten in Extra-Tabelle übertragen)
- erste Analysen: Erzeugung von Tabellen mit GroIMP
(elementare Analyse; Längen und Winkel);
auch mit Queries von der GroIMP-Konsole aus möglich
- statistische Auswertung der Tabellen mit SAS oder R
(vgl. Beschreibung auf Grogra-CD, anzupassen!)
Ziele: Verläufe von morphologischen Größen entlang der
Achsen; Korrelations- und Regressionsanalyse der Größen
untereinander; Mittelwerte und Standardabweichungen;
nichtlineare Anpassung einer Lichtantwortkurve an die
Photosynthesedaten
Beispiele:
Trend der Blattlängen entlang der Stammachse
(aus Hausarbeit von
René Degenhard, 2008)
Korrelation zwischen Blattlänge und -breite
(aus Hausarbeit von
René Degenhard, 2008)
Die Durchführung der Datenanalysen wird Teil der Hausarbeit sein und wird hier
nicht weiter spezifiziert.
Vorstufen des Pappelmodells
Ausbaustufen:
sm09_b37.gsz
Module mit eigenen Methoden;
Verwendung von Transformationsmatrizen
sm09_b38.gsz
Internodienstreckung; Tageszählung
sm09_b39.gsz
Zusammenfassung der Konstanten am
Anfang
sm09_b40.gsz
Einführung von 3 Blattreifeklassen
(Vereinfachung gegenüber den 4 Klassen),
Arrays mit Wachstumsparametern
benötigt für Assimilatverteilung:
Modellierung von Transportvorgängen
Modellansatz: Substrat fließt von Elementen mit hoher
Konzentration in benachbarte Elemente mit niedriger
Konzentration (Prinzip der Diffusion)
Beispiel:
sm09_b41.rgg
(Substratkonzentration hier durch den
Durchmesser visualisiert)
module Internode(super.diameter) extends F(100, diameter);
protected void init()
[
Axiom ==> P(14) Internode(1) P(2) Internode(1)
P(4) Internode(1) P(15) Internode(60);
]
(zwei umgekehrte Nachfolgerkanten hintereinander)
public void transport()
[
i_oben:Internode < < i_unten:Internode ::>
{
float r = 0.1 * (i_unten[diameter] - i_oben[diameter]);
i_unten[diameter] :-= r;
i_oben[diameter] :+= r;
}
]
für Lichtinterzeption / Photosynthese:
Modellierung von Beschattung
Modellansatz (stark vereinfachend):
Beschattung eines Objekts liegt dann vor, wenn sich in einem
gedachten Kegel mit Spitze im Objekt, geöffnet nach oben (zRichtung), noch andere Objekte befinden.
Beispiel:
sm09_b42.rgg
Lichtkonkurrenz dreier 2-dimensionaler
Modellpflanzen
module Segment(int t, int ord) extends F0;
module TBud(int t) extends F(1, 1, 1);
module LBud extends F(0.5, 0.5, 1);
Vector3d z = new Vector3d(0, 0, 1);
protected void init()
[
Axiom ==> P(2) D(5) V(-0.15) [ TBud(-4) ] RU(90) M(600) RU(-90)
[ TBud(0) ] RU(-90) M(1200) RU(90)
[ TBud(-8) ];
]
public void run()
[
TBud(t), (t < 0) ==> TBud(t+1);
x:TBud(t), (t >= 0 && empty( (* s:Segment, (s in cone(x, z, 45)) *) ) ) ==>
L(random(80, 120)) Segment(0, 0)
[ MRel(random(0.5, 0.9)) RU(60) LBud ]
[ MRel(random(0.5, 0.9)) RU(-60) LBud ] TBud(t+1);
y:LBud,
(empty( (* s:Segment, (s in cone(y, z, 45)) *) ) ) ==>
L(random(60, 90) Segment(0, 1) RV0 LBud;
Segment(t, o), (t < 8) ==> Segment(t+1, o);
Segment(t, o), (t >= 8 && o == 1) ==>> ;
/* Entfernen des ganzen Astes */
]
Aufgabenstellung der Hausarbeit Struktur-FunktionsModelle 2009
(I)
Gründliche kritische Analyse des vorliegenden Modells
pappel.gsz (beachte: Modell ist vor kurzem noch korrigiert worden!)
- Bitte analysieren Sie das zugrundeliegende Konzept
und den Modellaufbau
- einschließlich einer Beschreibung des Photosyntheseteils
(II)
Vorschläge zur konzeptionellen Weiterentwicklung und
Verbesserung des Modells, einschließlich der Anpassung
an die Messdaten
- formulieren Sie theoretische Überlegungen zur
verbesserten Modellierung, insbes. des Wachstums
- verzichten Sie auf eine ausführliche Methodendarstellung zur statistischen
Datenanalyse der Messdaten; eine kurze Ergebnisdarstellung genügt.
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.
Ein Überblick über die Modellkomponenten wird in einer gesonderten
pdf-Datei bereitgestellt.
(III)
Verbesserung und Erweiterung des Modells. Die Liste
auf den nächsten 2 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 Schwerpunkte 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?
Mögliche Erweiterungen des Modells
(1)
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)
Mögliche Erweiterungen des Modells (Fortsetzung)
(5)
Einbeziehung des Blattabwurfs
(6)
Einbeziehung von Verzweigung
(7)
Verbesserung der Modellierung des Dickenwachstums
(z.B. mittels des Pipe-Modells)
(8)
Photosynthese und Beschattung
z.B. Reduktion der Photosynthese bei Beschattung des
Blattes; Verbesserung der Beschattungsfunktion;
Einsatz des Photontracing-Lichtmodells von GroIMP
(9)
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
3
Analyse des Modells
Einbau der Daten
Konzeptionelle Verbesserung (Ideen)
Konkrete Verbesserung des Modells
Sensitivitätsanalyse
0,6
0,6
0,6
0,6
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!