Einleitung zu dem Lernmodul

Dieses E-Learning-Modul befasst sich mit der Erstellung von Struktur-Funktions-Modellen von Pflanzen mit Hilfe der Modellierungsplattform GroIMP und der Programmiersprache XL (eXtended L-system language). Dabei soll dieses Lernmodul u.a. als Ergänzung zu der entsprechenden Lehrveranstaltung von Winfried Kurth an der Abteilung für Ökoinformatik, Biometrie und Waldwachstum der Universität Göttingen dienen.

Die Zielgruppe des Moduls sind hauptsächlich Studierende, die regulär an der Lehrveranstaltung teilnehmen. Aber auch für Quereinsteiger und Außenstehende kann das Modul als Lerngrundlage dienen.


Einleitung zu den Inhalten

Struktur-Funktions-Modelle stellen eine Verknüpfung zwischen der Architektur von Pflanzen (und deren Entwicklung) und prozessorientierten Komponenten dar. Einerseits ermöglichen sie das Abbilden der dreidimensionalen Strukturen der Pflanze und ihrer zeitlichen Veränderung aufgrund der morphologischen Einheiten und andererseits werden zusätzlich dazu Funktionen, wie beispielsweise die Photosynthese mit anschließendem Assimilattransport modelliert. Dabei wird das Wachstum der Strukturen in irgendeiner Weise von den modellierten Prozessen – also den Funktionen – abhängig gemacht.

In der Lehrveranstaltung und in diesem Lernmodul werden Struktur-Funktions-Modelle mit Hilfe der sogenannten relationalen Wachstumsgrammatiken, welche eine Weiterentwicklung der Lindenmayer-Systeme sind, modelliert. Lindenmayer-Systeme (L-Systeme) sind formale Grammatiken, die es erlauben, zum Beispiel die zeitliche Entwicklung der Architektur eines Baumes einfach und effizient durch Regeln zu beschreiben. Dabei wird der Baum durch eine Zeichenkette codiert.

Die relationalen Wachstumsgrammatiken sind eine Verallgemeinerung dieser Regelsysteme. Sie basieren auf der Ersetzung von Graphen (anstatt Zeichenketten) und vergrößern damit die Einsatzmöglichkeiten von L-Systemen um die Vielseitigkeit von Graphen, welche aus Knoten und Kanten bestehen. Relationale Wachstumsgrammatiken ermöglichen das Transformieren von Teilgraphen eines Graphen mit einer beliebigen Anzahl von Kantentypen (Relationen).

Die Programmiersprache XL erlaubt es, den objektorientierten und imperativen Ansatz der Programmiersprache JAVA mit dem regelbasierten Ansatz der Lindenmayer-Systeme und der relationalen Wachstumsgrammatiken zu verbinden. Die Modellierungsplattform GroIMP, welche die Sprache XL interpretieren und kompilieren kann, dient schließlich dazu, die Modelle zu entwerfen, zum Laufen zu bringen und die Ergebnisse graphisch darstellen zu lassen.

Die Abbildungen 1 und 2 (weiter unten) zeigen zwei Beispiele zur Modellierung von Pflanzen mit Hilfe von relationalen Wachstumsgrammatiken und dem Programm GroIMP. Dies sind zunächst nur reine Strukturmodelle.

Weitere zahlreiche Beispiele mitsamt dem Modellcode – auch zu anderen Themengebieten der Modellierung – finden Sie finden Sie auf der Seite www.grogra.de.

Auf der Homepage der Lehrveranstaltung unter
www.uni-forst.gwdg.de/~wkurth/sm10_home.htm findet man neben dem Skript eine ausführliche Literaturliste und weitere Links zu Webressourcen über dieses Themengebiet.