植物茎秆力学特性研究论文

植物在生长过程中，如果适当的添加一些科学技术，对于植物的健康成长是有一定的帮助的。下文是我为大家整理的关于植物生长的科学论文，希望能对大家有所帮助。

摘要：在长期的进化过程中，植物通过体内水分平衡即根系吸收水和叶片蒸腾水之间的平衡来适应周围的水环境。不同的水体对于水生植物的影响不尽相同，本文通过水体与水生植物的发展过程，分析了不同水体对水生植物的生长的影响。

关键词：水体;水生植物;水位;波浪;生长;影响

1水体与水生植物

概念

水体指的是液态和固态水体所覆盖的地球空间。水圈中的水上界可达大气对流层顶部，下界至深层地下水的下限。包括大气中的水汽、地表水、土壤水、地下水和生物体内的水。各种水体参加大小水循环，不断交换水量和热量。水圈中大部分水以液态形式储存于海洋、河流、湖泊、水库、沼泽及土壤中;部分水以固态形式存在于极地的广大冰原、冰川、积雪和冻土中;水汽主要存在于大气中。三者常通过热量交换而部分相互转化。

水生植物一般指能在水中生长的植物。水生植物主要分为挺水植物、浮叶植物、漂浮植物和沉水植物四大类，有时把一些水缘植物和喜湿植物也划归水生植物。水生植物具有保存生物多样性、净化水质、美化水景和固坡护岸的作用。

水体和水生植被的发展阶段

描述水生植被演替系列多通过植物群落的空间排列顺序(生态系列)来推断时间演替系列。水体沿岸带有沉水植物群落、挺水植物群落和湿生植物群落，它们代表了淡水水生植物群落演替的不同阶段。水生植被的演替以植被优势种的演替为代表。水生境中的原生演替是从藻类开始，路径是：藻类→沉水植被→浮叶植被→挺水植被→湿生植被→陆生植被，最终结局是水生植物和水体消失。逆向演替也称为退化，表现为其演替方向与原生演替相反。演替的结果是植被结构趋于简化，生物多样性下降。

任何水体一经产生就开始了在物理、化学和生物因子等方面的相互作用，早期环境因子起主导作用，到后期生物因子又占主导作用。同一生活型的不同水生植物可能是水体和水生植被不同发展阶段的代表性种类。例如，沉水植物苦草和竹叶眼子菜是水体发展早期的优势种，适宜水位波动大的环境，它们呈稀疏分布，群落生物量低。当水位逐步稳定后，水生植物的优势种可能更替为微齿眼子菜、黑藻和穗花狐尾藻等，水底密闭起来，群落生物量增加。

2水体水位对水生植物的影响

在自然生境中，水位很少保持不变，面对这种动态条件，植物通常会产生形态可塑性以及改变地下生物量和地上生物量的分配方式确保生存。对于整个群落而言，水位变动产生的影响也很显著。

植物形态的改变

以无性繁殖为主的水生植物，尤其是具有较遗传延展性的个体，能够通过改变植物本身的形态来适应水深在时空上较大的变化。如在深水里，蓖齿眼子菜的生活型从原来的毛刷型变为聚合型。这是有利的，能够增强植物的功能。各种生活型植物对于水深的变动呈现不同的形态。挺水植物对水位梯度的形态改变，主要包括生长形态、繁殖和生物量分配模式的改变。形态方面，主要包括叶柄伸长、异型叶的产生，茎长、茎数、茎直径、匍匐茎直径和匍匐茎等级的改变。如芦苇幼苗在淹没状态下其节间距会增长。这种增长有2个可能的机制，由于向周围水体释放的截短而导致乙烯浓度升高的或是由于溶氧减少导致乙烯产生增高的一种协调。在淹没期间，部分淹水植物所有的被淹没的叶子都会衰老，只有末端的叶子会偶尔幸存。繁殖的变化主要包括花期、花序长度、花瓣宽度以及繁殖器官干重等的改变。如芦苇在水位下降后其种子有很高的萌发率。浮叶根生植物改变的形态主要表现在叶和花。如水位上升，浮叶植物荇菜的叶柄迅速伸长，但是支撑叶片的叶柄和茎变得更脆弱。浮叶植物菱有相对发达的根系统，在一定范围内的水位变动下，菱仍能固定在底泥中，而且幼叶能通过叶柄的伸长维持在表面。水位的升高导致花以及芽苞被水淹，无法形成种子，水位降低并不会影响花和果实的产生。沉水植物的也很显著，如苦草在深水中具有较高的株高，叶更长更薄，因为在光强较弱的深水中合成单位干物质需要更多叶面积去获得光资源。而在水较浅时，光强太大会抑制其生长，叶子变成紫红色来调节对所需光资源的摄取。

植物数量的增加

水位对植物产生的另一个显著影响是改变其数量。对于不同生活型的植物而言，水深影响其生物量的机理是不一样的。水深直接地影响挺水植物群落的数量，通过减小光照强度间接地影响沉水植物群落数量。对于同 种植 物，水位的变动能改变地下数量和地上数量的分配比例。挺水植物随着水位的增加，茎重在整株数量中的比例上升，地下部分比例就会降低，分配到根和根状茎的数量降低，在风浪的作用下更容易被连根拔起。

植物物种的多样性

在沿岸带，通常水生植物生物多样性很高，其原因之一是水位波动使得沿岸带一直处于干扰状态。根据中度干扰法则，适度的干扰有利于物种多样性的提高。水位波动引起湿地种子库的再生也是重要原因，而且这种作用与洪涝和干旱发生的频率以及持续时间相关。水位的短期变动和长期变动，特别是水位下降，通过建立和破坏低多样性集群的外来物种入侵，从而影响物种多样性。水位下降是多种植物成功萌发和存活的先决条件，为适应浅水生活的物种建立创造了机会，也能支持新的外来物种的成功入侵。水位下降会阻止优势种控制整个群落，从而增加物种多样性。然而，在高水位条件下，很多湿地植物种的根茎萌发受抑制，降低了物种的多样性;如莱茵河畔在河流低泄量期间，夏季特大洪水会引起水生植物物种多样性减少。可见高水位和低水位对物种多样性的影响是不同的，相对于高水位，低水位的作用更显著而且有利。

3波浪形态的水体对水生植物的影响

江、河、湖岸浪蚀是这些水体顺向演替的自然过程，浪蚀淤积也是影响这些水体寿命的重要因素。在自然界随着水体的演替，岸坡趋缓并沉积土壤，为水生植物的生存繁衍创造了条件，植物的生长减缓了水岸的侵蚀，是演替的阻力，但植物体的腐烂沉积、水中有机质含量的大幅度提高，丰富了水体营养，提高了水体生物量，从这个角度说水生植物对整个水体的演替是有贡献的。

商住区和公共绿地内部的小水系一般来说范围小、禁航、水流缓慢，对岸线冲刷、侵蚀较小，对水生植物的种植生长影响不大。江河湖泊等水体由于风浪、船形波或水流急速冲刷给水生植物的种植、生存带来很大困难。如风浪和船形波将会直接或通过堤岸反射，强烈地直接拍打或摇动植物体，从而使植物叶片破碎、茎被折断，甚至植物体被连根拔起，影响植物的生长甚或导致其死亡。

4沼泽地对水生植物的影响

沼泽是指地表过湿或有薄层常年或季节性积水，土壤水分几达饱和，生长有喜湿性和喜水性沼生植物的地段。由于沼泽地土壤水多、缺氧，故沼生植物有发达的通气组织，有不定根和特殊的繁殖能力。沼泽可生长的水生植物很多，如萱草、泽泻、慈菇、海芋、花菖蒲、千屈菜、梭鱼草、小婆婆纳等。沼泽植被以挺水植物为主，多属于莎草科、禾本科及藓类和少数木本植物。

5结束语

水生植物具有观赏、净化以及生物多样性高的特点。水生植物及其环境是许多鸟类、鱼类和其他动物的栖息地和繁殖场所，在生物多样性保护方面具有重要意义。另一方面，水生植物及其环境又是一种脆弱的生态系统，易受到人类活动的影响。水体与水生植物关系也随着人类的活动影响，变得互动起来，水体的污染问题在水生植物的作用下也得到了很好的解决。

摘 要： 植物生长三维动画已经越来越广泛地应用在各个领域，如城市规划、影视娱乐、 广告 宣传等。对植物生长三维动画的研究内容、演示方式、动画特点进行归纳与概括。从软件技术的角度对植物生长三维动画的表现形式、研究现状、关键技术、制作 方法 、适用对象、优缺点进行研究、分析和比较，对该领域未来的发展趋势进行了展望。为有效推进植物数字可视化建设和提高动画创作效率提供参考。

关键词： 三维技术; 植物; 生长; 动画

0 引言

植物是大自然的重要组成部分，随着计算机三维动画技术的发展，植物生长三维动画被广泛应用于 教育 、科研、遥感、游戏、数字影视等众多领域。

1 植物生长三维动画的生长方式

经过大量的理论和实证研究， 总结 了植物生长三维动画方式，主要有以下几种。

⑴ 破土而出式

植物最初是生长在暗地里的一颗种子，慢慢破土而出，拔节而长，枝繁叶茂，开花结果。这类生长动画便于演示植物动态的生长过程，营造出生命和希望爆发的活力。

⑵ 藤蔓伸展式

不少影视作品和建筑艺术动画中都能看到藤蔓植物慢慢伸展，绝强地依附攀援，增加场景生机和活力的景象。除了绿化的作用，这类动画给人以在逆境中不屈服，顽强展示生命力和活力之意。

⑶ 层叠上升式

层叠上升式比较符合林木类植物的生长规律。植物按照一定的层次从地面节节往上拉升，叶子、花、果等则以粒子形态般急剧增长，就像地面赋予无穷无尽的生命力和活力一样，给人以强烈的视觉冲击和神奇的创意享受。

⑷ 迷幻障眼式

迷幻障眼式是植物生长中比较虚幻、神化的方式，好比变 魔术 ，往往借助于强烈光效、迷幻烟雾等效果来实现，光效、烟雾之后植物出现在面前。

图1 植物生长三维动画方式

2 植物生长三维动画关键技术

植物生长三维动画有许多方法。3ds max、MAYA等三维软件都带有植物模型，粒子系统也能实现植物生长动画效果。但是三维软件自带的植物模型种类较少，粒子系统又难以实现较为真实、自然的生长动画效果。植物插件的出现，能有效解决动画效果和创作效率上的问题，成为三维动画创作的热门工具。下面就几款主要的植物插件进行分析和比较，以助于提高应用者的动画创作效率。

Ivy Generator和Guruware Ivy插件

Ivy Generator是德国康斯坦茨大学开发的一款藤本三维软件，主要用于模拟以攀爬为主的藤本或草本植物的生长。通过对生长参数的调节，可随机生成不同形态的藤本植物模型。其特点是不需要应用复杂的植物生长机理模型，侧重于计算机图形学，迅速生成逼真的植物模型，追求基于视觉效果的真实性[1]。但Ivy Generator不能直接实现植物生长动画，只有将模型输出成OBJ和MLT材质物体，再导入3ds max等三维软件中制作动画效果。该插件的系统耗用较大，不适合表现大规模的植物场景[2]。

Guruware Ivy是Ivy Generator的改进版本。Guruware Ivy使用更方便，功能亦有增强，通过为Age(藤蔓年龄)属性设置关键帧可以轻松实现藤蔓生长、攀爬的动画效果[3]。

XFrog

XFrog是德国Greenworks公司开发的三维植物软件，可实现植物的直观交互建模和生长模拟。XFrog所有的树叶、枝干、花朵等都采用实物扫描，使得模型更加真实，开放的光年系统和层级的表现方式，使其操作性更简便，可控性更强[4]。XFrog在植物生长模拟过程中，通过关键帧动画实现，有两种方法。①起始和结束关键帧为同一关键帧。可以保证模型拥有相同的拓扑结构，生成动画较为平滑。但应尽量减少直接修改植物参数的操作，否则会大大降低动画的真实感。②起始和结束关键帧为不同关键帧。可以把起始关键帧的模型细化，缺点是XFrog插补的部分较多，不如第一种方法的动画效果平滑自然[5]。 GrowFX

GrowFX是俄罗斯Exlevel公司基于3ds max平台开发的一款植物插件，可创建参数化的树木、花草及其他植物模型，自由创建风力和生长动画效果，前提是要有GrowFX调节出来的未塌陷的文件[6]。GrowFX除了可使用官方的植物库资源，还有灵活的自由度。通过植物年龄、生长方向、风效、动画效果等随机参数的调节，快捷得到植物的其他形态。

Vue

Vue是一个专业的CG景观设计工具套组，可以制作出逼真的自然环境，还可以和3ds max等三维软件套用。Vue可以在现有植物库基础上进行再加工和改造，容易产生新的植物形态和物种，根据用户实际需要自由形成植物生长、形态变化等动画效果。Vue操作简便、场景表现逼真。云计算的建模方式、快速的渲染时间等特点，使得它特别适合表现自然空间大场景，主要用于中、远景表现[7-8]。

T-Gen插件

T-Gen是第一个完全整合进SoftImage|XSI的植物生成插件，拥有强大的灵活性和无穷的可能性。可以使用几乎所有XSI工具对其产生的植物模型、材质、层级结构做进一步修改。T-Gen各类参数几乎都可用于设置动画效果，强大的优化工具使其在植物生长动画方面有着快速、高效的优势。

SpeedTree、TreeStorm和Forest Pack Pro

SpeedTree、TreeStorm和Forest Pack Pro都是目前在建筑漫游动画和园林设计中比较常用的植物插件，拥有强大的植物库，模型真实感强，绘制效率高，支持植物动力学，可模拟风吹植物动画效果，分别适宜表现中近景和大片的远景植物[9-10]。但它们没有植物生长动画功能，凭借丰富的软件开发接口可以和3ds max等三维软件结合使用，以实现植物生长动画效果。

3 结束语

植物生长三维动画将缓慢的植物生长过程动态化、形象化展现。本文所介绍的几种植物三维生长动画关键技术，因各自不同的特点和优势，在表现一些大型的自然场景中，往往需要把多种方式相结合。

由于植物结构复杂，表面细节丰富，使其无论在三维建模、动态模拟方面都存在较大难度，以下问题有待进一步深入研究：①当前主要实现单株植物的三维模拟，缺乏对于大规模植物生长动画场景的模拟研究;②植物形态受到光照、风力、温度等自然环境因素影响，对更为复杂、逼真的植物生长交互模拟将是未来的一个重要研究方向。

参考文献：

[1] 王海，林杉，黄心渊.植物生成软件的评价和比较[J].计算机仿真，：177-180

[2] 王媛等.An ivy Generator三维藤本植物建模技术应用研究[J].安徽农业科学，(08)：3196-3197

[3] 孙楠.藤蔓可以这么“种”出来――Groupware Ivy插件牛刀小试[J].现代电视技术，：127-129

[4] 胡逊之.面向树木 科普知识 的三维游戏设计[D].北京林业大学，：27-28

[5] 王忠芝，胡逊之，伍艳莲，梁敬东.基于XFrog的树木建模及生长模拟[J].北京林业大学学报，：64-68

[6] Grow FX定制树[EB/OL].[2012-10-29

[7] 于淼，杨立新.基于Vue软件的景观场景表现技术的应用研究[J].中国园艺文摘，：94

[8] 贾勇，于淼.VUE软件在园林设计应用中的构成要素分析[J].中国园艺文摘，：116-117

[9] 赵塘滨.基于3ds max的自然场景制作技术[J].美术学刊，：57-58

[10] 刘颖，罗岱，黄心渊.基于OSG的SpeedTree植物模型绘制研究[J].计算机工程与设计，：2406-2407