摘 要

近年来，随着我国信息技术的飞速发展，计算机应用已逐渐渗透到各个领域。在植物学的研究领域，计算机应用技术已经被广泛地应用于植物建模等各个方面。树木重建技术的研究，在这样的背景下，蓬勃发展。为了达到树木重建的最终目的，首先，我们需要了解树木的基本植物学特征，作为完整的植物学意义上的树木，必须包括根、茎、叶、花和果实等部分，但是，由于时间有限，本文主要的研究对象是树木的茎和叶的部分。在了解了树木的基本特征之后，我们可以利用相应软件，对了解的树木进行重建。本文，采用了L-system作为研究树木特征和重建树木的主要技术手段，并且将这些植物特征在L-studio软件平台上，进一步调试和实现这些树木重建技术。之所以，选择这样的系统和软件来完成树木重建，主要是因为，树木的生长本身具有一些递归和迭代的基本结构，而L-system以及相应的软件中，设计的龟形编译系统非常有利于实现这样的图形结构。

当然，由于时间和技术水平有限，还有一些树木的细节建模尚未完成，比如：树木的果实和花朵等部分的建模还未完成，如果有可能，下一步可以再研究不同树木的果实和花朵特征，细化已经形成的树木模型，力求将树木重建地更加逼真、自然。

关键字： L-system；树木重建；植物建模

Abstract

With the rapid development of information technology, computer science has been used in various fields. In the field of botany, computer technology has been widely used in plant modeling, which helps us study the technology of tree reconstruction. We should first learn the basic knowledge of botany so that we can finally finish our tree model. This study lays emphasis on the branches and leaves of the tree and with help of L-system and L-studio software ,we have finish a simple tree model. The advantages of L-system is that the system can help us simulate the recursive characteristics of tree.

It is a pity that we has not finish the model of flowers and fruits ,which can make the model more vivid. To continue our study of tree reconstruction technology, we can learn more about the plant and try some functions to make the model better.

Key Words: L-system; tree reconstruction; tree model

目 录

摘　　要 I

1、研究意义及背景 1

1.1树木建模的背景 1

1.2树木重建的研究意义 2

1.3树木重建技术的研究现状 4

2、L-system的基本原理及实现 7

2.1 L-system的总体介绍 7

2.2 L-system中的龟形编译系统 9

2.2.1重写系统 9

2.2.2龟形编译的三维拓展 10

2.2.3 L-system在L-studio软件中的实现 11

3、基于L-system的树木枝干建模 14

3.1树木枝干建模 14

3.1.1树木枝干在植物中的作用 14

3.1.2树木枝干的外形特征 14

3.1.3树木枝干的分支方式和形态结构 15

3.2树木枝干建模的基本原理 15

3.3基于L-system的树木枝干的建模实现 18

3.3.1 单轴树形结构 18

3.3.2丛生分枝 21

3.3.3三元分枝 24

3.4 枝干建模技术的应用实例 26

3.3.1 枝干结构的应用 26

3.3.2 细化枝干模型 28

4、基于L-system的树木叶片建模 30

4.1树叶建模 30

4.1.1树叶的功能 30

4.1.2树叶的形态 30

4.1.3 叶序 31

4.2树叶建模的基本原理及其实现 32

4.2.1预定义曲面（Predefined surfaces） 32

4.2.2 发展形曲面建模（Developmental surface models） 34

4.2.3 复合型叶片的建模 37

4.3 树叶建模技术的实际应用 40

4.3.1树叶建模的应用 40

4.3.2 整体模型的反思 41

5、结论和展望 43

致　谢 44

参考文献： 45

L-system介绍参考文献： 45

树木枝干建模 参考文献： 46

树木叶片建模参考文献： 47

1、研究意义及背景

1.1树木建模的背景

在今天的地球上，有着大约40万种植物，虽然，它们的结构不同，形态各异，但是它们都完美地适应了各种不同的生活环境。从高达百米的参天大树，到水中的单细胞藻类，植物在自然界中都有着极其重要的作用，并且各种植物与人类生活也有着密切的联系。

谈到植物在自然界中的作用和与人类的密切联系，首先要说的就是植物的光合作用了。绿色植物利用光能，把简单的无机物，比如二氧化碳，合成为糖类物质，并放出氧气的过程，在生物学中称为光合作用。光合作用是世界上最有效、规模最大的将日光转化为化学能，并储藏能量的太阳能利用过程。光合作用的产物不仅解决了植物本身的营养和能量需要，同时，也维持了自然界中其他动物和人类的营养和能量需要。从某种意义上讲，没有光合作用就没有生物界的形成和发展。所以，绿色植物是进行能量流动和物质循环的先行者，对维持整个生物界的生存起着重要作用。一方面，动物直接或者间接食用植物而获得能量。人类生活中的食物和木材，都直接来源于植物。另一方面，植物为人类提供了丰富的煤炭等化石能源。光合作用释放出的氧气，不断补充大气中的氧，对改善生活环境也有很重要的作用。在大气中，氧气含量之所以能维持稳定，正是绿色植物的光合作用起到的作用。

其次，只有光合作用的累积还不能完成物质循环，如果没有从有机物质分解为无机物质的过程，无机物就会逐渐减少，也就没有了合成有机物的原材料。所以，在自然界的物质循环中，将有机物分解还原为无机物也是非常重要的。这样的有机物分解过程主要有两种形式，一个就是绿色植物和动物的呼吸作用，另一个是没有绿色植物参与的，由微生物分解有机物质的矿化作用。植物的呼吸作用和光合作用一起，推动了自然界中的物质循环，保持了大气中气体含量的稳定。

绿色植物对人类生活也起到了非常重要的作用，比如，植物在保护水土中有着不可替代的重要角色。我国是世界上水土流失最严重的国家之一，每年土壤的流失量在50亿吨。多年来，我国将植树造林和退耕还林作为水土保持的重要生物措施，植物能截留降水、减少地表径流及土壤渗透，增强土壤抗冲击性和抗腐蚀性，从而有效地控制水土流失。

1.2树木重建的研究意义

计算机技术的应用，迅速推广到了发育生物学，从获取、加工和分析实验数据到器官的建模都应用了计算机科学。具体来说，模型帮助我们理清那些隐藏的，局部形态发展和整体特征和形式之间的关系。我们研究的建模技术和选择的模型都是旨在用机制的方式来说明植物的生长过程，同时，将数学和一些计算方法应用于发育生物学的历史过程；研究建模的主要目标和方法；与植物建模相关的数学分支和计算方法，这些方法从几何和分子的角度研究植物的形态形成。在几何领域，我们可以深入研究细胞分裂模型，叶序模型，树叶的形式和茎脉模型以及分支模型。在分子领域，我们也可以深入关注最新最广泛的话题：在植物生长过程中植物生长激素的作用。