Получение корня проблемы в цифровых двойниках деревьев

Исследователи разработали Rhizomorph — новую интерактивную 3D-модель, симулирующую сложное взаимодействие скоординированного развития корней дерева и его реакции на воду и питательные вещества с верхней кроной и её реакцией на свет.

Учёт почвы, света и воды

Модель Rhizomorph симулирует согласованное развитие побегов (верхней кроны) и корней. Это интерактивная компьютерная модель, которая интегрирует слоистую модель почвы, где поток воды и питательных веществ моделируется связанными дифференциальными уравнениями, учитывающими 3D-пространственную и временную область.

Модель симулирует разные структурные составы почвы, такие как глина, песок, суглинок или гумус. Корни поглощают питательные вещества и воду, протекающие через эти материалы. Верхняя крона дерева реагирует на свет. Модель интегрирует оба входа и использует сложный сигнальный механизм, который информирует корни и побеги о доступной энергии, контролирующей их развитие. Конкуренция за ресурсы формирует общую форму обеих частей.

Авторы показывают различные примеры сложных корневых систем: сердцевидные, боковые, якорные, стержневые, а также корни, реагирующие на различные питательные вещества и типы почв.

«Статья успешно интегрирует методы моделирования деревьев и почвы, существенно продвигая современное состояние моделирования деревьев в экологическом контексте», — говорит Пшемыслав Прусинькевич, заслуженный профессор информатики из Университета Калгари.

Эта реалистичная компьютерная модель, симулирующая 3D-развитие деревьев с их корнями, вероятно, продвинет приложения в моделировании сложных экосистем, где деревья подвергаются изменяющимся условиям окружающей среды. Интерактивная скорость симуляции сложных 3D-форм делает модель подходящей для приложений цифрового лесного хозяйства и генерации сценариев «что, если».

Существующие модели

В компьютерной графике были достигнуты значительные успехи в создании реалистичных представлений деревьев и растений, особенно с помощью процедурного моделирования, включающего биологические принципы.

К сожалению, многие из этих подходов упускали критический компонент: корневую систему деревьев. Игнорирование корневых систем не только снижает визуальную достоверность моделей деревьев, но и пренебрегает жизненно важной ролью корней в росте и развитии деревьев.

Точное представление

Включение корневых систем в компьютерные модели деревьев предлагает несколько преимуществ. Это способствует общей визуальной достоверности моделей, обеспечивая более точное представление реальных деревьев.

Кроме того, корни неотъемлемы для выживания и роста деревьев, поскольку выполняют такие важные функции, как поглощение питательных веществ, закрепление и поглощение воды. Игнорируя моделирование корневых систем, предыдущие подходы упрощали этот фундаментальный аспект развития дерева.

Модель Rhizomorph будет представлена на ежегодной конференции ACM Siggraph в Лос-Анджелесе в августе 2023 года.