找到树数字孪生模型问题的根源

树木具有不可估量的社会效益。它们提供木材、吸收二氧化碳、庇护动物和昆虫，同时也为人们提供休息的阴凉和空间。

尽管对森林的研究和观察已有数千年的历史，但其生长和健康仍然存在许多悬而未决的问题。其中之一是了解树木消耗资源的方式。虽然存在模拟树枝资源竞争的树木数字孪生(计算机模型)，但根部建模以及与养分的相互作用仍然缺乏。

来自普渡大学的研究人员BoshengLi和BedrichBenes，以及他们的合作者来自波兰AdamMickiewicz大学的WojtekPałubicki、来自Adob​​eResearch和德国基尔Christian-Albrechts-University的SoerenPirk，以及来自沙特阿拉伯KAUST的JonathanKlein和DominikMichels开发了一种名为Rhizomorph的新型交互式3D模型，该模型模拟树根协调发育及其对水和养分的响应以及树冠上部及其对光的响应之间的复杂相互作用。

rhizomorph模型将于2023年8月在洛杉矶举行的年度ACM会议Siggraph上发布。

考虑土壤、光照和水

根形模型模拟枝条(上部树冠)和根的协调发育。它是一个集成了分层土壤模型的交互式计算机模型，其中水和养分流通过考虑3D时空域的耦合微分方程进行模拟。

该模型模拟不同的结构成分，例如粘土砂、壤土或腐殖质。养分和水流过这些材料并被根部吸收。树的上层树冠对光有反应。该模型集成了两种输入，并使用复杂的信号机制，向根和芽通报控制其发育的可用能量。资源的竞争导致了双方的整体形态。

作者展示了复杂根系的各种例子：心根系、侧根系、沉根系、主根系、根系对不同养分的反应以及土壤。

卡尔加里大学计算机科学名誉教授、该领域专家PrzemysławPrusinkiewicz表示：“这篇论文成功地整合了树木和土壤的建模方法，大大提高了环境背景下树木建模的技术水平。”

图片来源：普渡大学

这种模拟树木及其根的3D发育的真实计算机模型可能会促进树木暴露于不同环境条件的复杂生态系统模拟中的应用。复杂3D形状模拟的交互速度使该模型适合数字林业应用，并生成出现未知或变化的环境条件的“假设”场景，如下图所示。

“我喜欢使用的一个场景是想象气候变化对3D森林模型的影响，”Benes说。他补充道：“如果没有足够的水，树木和根部的形状会受到怎样的影响?如果没有养分，或者温度发生变化，会发生什么?”

现有型号

计算机图形学在创建树木和植物的逼真表现方面取得了重大进展。在这一追求中，采用了各种技术，特别关注结合生物学原理的程序建模算法。

这些现有算法擅长为单个树生成复杂的分支结构，从而增强模型的真实性。

不幸的是，许多这些方法都忽略了一个关键组成部分：树木的根系。忽视根系的表示不仅会损害树木模型的视觉真实性，而且忽视了根在树木生长发育中所发挥的重要作用。

准确的表示

将根系统包含在计算机生成的树模型中具有多种好处。它有助于提高模型的整体视觉保真度，确保更准确地表示现实生活中的树木。

此外，根对于树木的生存和生长至关重要，因为它们提供养分吸收、固定和吸水等基本功能。由于忽略了对根系统的建模，以前的方法简化了树木发育的这一基本方面。

认识到根系统的重要性，计算机图形学研究人员现在正在探索新的方法，将根建模纳入他们的算法中。通过将真实的根结构集成到树模型中，这些进步旨在在计算机生成的图形中更全面、更忠实地表示自然生态系统。

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