Design and implementation of a graph grammar based language for functional-structural plant modelling

Entwurf und Implementation einer auf Graph-Grammatiken beruhenden Sprache zur Funktions-Struktur-Modellierung von Pflanzen

  • Increasing biological knowledge requires more and more elaborate methods to translate the knowledge into executable model descriptions, and increasing computational power allows to actually execute these descriptions. Such a simulation helps to validate, extend and question the knowledge. For plant modelling, the well-established formal description language of Lindenmayer systems reaches its limits as a method to concisely represent current knowledge and to conveniently assist in current research. On one hand, it is well-suited to represent structural and geometric aspects of plant models - of which units is a plant composed, how are these connected, what is their location in 3D space -, but on the other hand, its usage to describe functional aspects - what internal processes take place in the plant structure, how does this interact with the structure - is not as convenient as desirable. This can be traced back to the underlying representation of structure as a linear chain of units, while the intrinsic nature of the structure is a trIncreasing biological knowledge requires more and more elaborate methods to translate the knowledge into executable model descriptions, and increasing computational power allows to actually execute these descriptions. Such a simulation helps to validate, extend and question the knowledge. For plant modelling, the well-established formal description language of Lindenmayer systems reaches its limits as a method to concisely represent current knowledge and to conveniently assist in current research. On one hand, it is well-suited to represent structural and geometric aspects of plant models - of which units is a plant composed, how are these connected, what is their location in 3D space -, but on the other hand, its usage to describe functional aspects - what internal processes take place in the plant structure, how does this interact with the structure - is not as convenient as desirable. This can be traced back to the underlying representation of structure as a linear chain of units, while the intrinsic nature of the structure is a tree or even a graph. Therefore, we propose to use graphs and graph grammars as a basis for plant modelling which combines structural and functional aspects. In the first part of this thesis, we develop the necessary theoretical framework. Starting with a presentation of the state of the art concerning Lindenmayer systems and graph grammars, we develop the formalism of relational growth grammars as a variant of graph grammars. We show that this formalism has a natural embedding of Lindenmayer systems which keeps all relevant properties, but represents branched structures directly as axial trees and not as linear chains with indirect encoding of branches. In the second part, we develop the main practical result, the XL programming language as an extension of the Java programming language by very general rule-based features. Short examples illustrate the application of the new language features. We describe the built-in pattern matching algorithm of the implemented run-time system for the XL programming language, and we sketch a possible implementation of an XL compiler. The third part is an application of relational growth grammars and the XL programming language. We show how the general XL interfaces can be customized for relational growth grammars. On top of this customization, several examples from a variety of disciplines demonstrate the usefulness of the developed formalism and language to describe plant growth, especially functional-structural plant models, but also artificial life, architecture or interactive games. Some examples operate on custom graphs like XML DOM trees or scene graphs of commercial 3D modellers, while the majority uses the 3D modelling platform GroIMP, a software developed in conjunction with this thesis. The appendix gives an overview of the GroIMP software. The practical usage of its plug-in for relational growth grammars is also illustrated.show moreshow less
  • Das zunehmende Wissen über biologische Prozesse verlangt nach geeigneten Methoden, es in ausführbare Modelle zu übersetzen, und die zunehmende Rechenleistung der Computer ermöglicht es, diese Modelle auch tatsächlich auszuführen. Solche Simulationen dienen zur Validierung, Erweiterung und Hinterfragung des Wissens. Speziell für die Pflanzenmodellierung wurden Lindenmayer-Systeme mit Erfolg eingesetzt, jedoch stoßen diese bei aktuellen Modellierungsproblemen und Forschungsvorhaben an ihre Grenzen. Zwar sind sie gut geeignet, Pflanzenstruktur und Geometrie abzubilden - aus welchen Einheiten setzt sich eine Pflanze zusammen, wie sind diese verbunden, wie ist ihre räumliche Lage -, aber die lineare Datenstruktur erschwert die Integration von Funktionsmodellen, welche Prozesse innerhalb der verzweigten Struktur und des beanspruchten Raumes beschreiben. Daher wird in dieser Arbeit vorgeschlagen, anstelle der linearen Stuktur Graphen und Graph-Grammatiken als Grundlage für die kombinierte Funktions-Struktur-Modellierung von Pflanzen zu verweDas zunehmende Wissen über biologische Prozesse verlangt nach geeigneten Methoden, es in ausführbare Modelle zu übersetzen, und die zunehmende Rechenleistung der Computer ermöglicht es, diese Modelle auch tatsächlich auszuführen. Solche Simulationen dienen zur Validierung, Erweiterung und Hinterfragung des Wissens. Speziell für die Pflanzenmodellierung wurden Lindenmayer-Systeme mit Erfolg eingesetzt, jedoch stoßen diese bei aktuellen Modellierungsproblemen und Forschungsvorhaben an ihre Grenzen. Zwar sind sie gut geeignet, Pflanzenstruktur und Geometrie abzubilden - aus welchen Einheiten setzt sich eine Pflanze zusammen, wie sind diese verbunden, wie ist ihre räumliche Lage -, aber die lineare Datenstruktur erschwert die Integration von Funktionsmodellen, welche Prozesse innerhalb der verzweigten Struktur und des beanspruchten Raumes beschreiben. Daher wird in dieser Arbeit vorgeschlagen, anstelle der linearen Stuktur Graphen und Graph-Grammatiken als Grundlage für die kombinierte Funktions-Struktur-Modellierung von Pflanzen zu verwenden. Im ersten Teil der Dissertation wird der theoretische Unterbau entwickelt. Nach einer Vorstellung des aktuellen Wissensstandes auf dem Gebiet der Lindenmayer-Systeme und Graph-Grammatiken werden relationale Wachstumsgrammatiken eingeführt, die auf bekannten Mechanismen für parallele Graph-Grammatiken aufbauen und Lindenmayer-Systeme als Spezialfall enthalten, dabei jedoch verzweigte Strukturen direkt als axiale Bäume darstellen. Zur praktischen Anwendung wird im zweiten Teil die Programmiersprache XL entwickelt, die Java um allgemein gehaltene Sprachkonstrukte für Graph-Grammatiken erweitert. Kurze Beispiele zeigen die Anwendung der neuen Sprachmerkmale. Der Algorithmus zur Mustersuche wird erläutert, und die Implementation des XL-Compilers wird vorgestellt. Im dritten Teil werden mögliche Anwendungen relationaler Wachstumsgrammatiken aufgezeigt. Dazu werden zunächst die allgemeinen XL-Schnittstellen für relationale Wachstumsgrammatiken konkretisiert, um dieses System dann für Modelle aus verschiedenen Bereichen zu nutzen, darunter Funktions-Struktur-Modelle von Pflanzen, Künstliches Leben, Architektur und interaktive Spiele. Einige Beispiele nutzen spezifische Graphen wie XML-DOM-Bäume oder Szenengraphen kommerzieller 3D-Modellierprogramme, aber der überwiegende Teil baut auf der 3D-Plattform GroIMP auf, die zusammen mit dieser Dissertation entwickelt wurde. Im Anhang wird die Software GroIMP kurz vorgestellt und ihre praktische Anwendung für relationale Wachstumsgrammatiken erläutert.show moreshow less

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Metadaten
Author:Kniemeyer, Ole
URN:urn:nbn:de:kobv:co1-opus-5937
Advisor:Prof. Dr. Kurth, Winfried
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Year of Completion:2008
Date of final exam:2008/11/21
Release Date:2009/02/06
Tag:Biologisches Modell; Computersimulation; Graph-Grammatik; Lindenmayer-System; Verzweigung <Biologie>
Biological model; Computer simulation; Graph grammar; Lindenmayer system; Ramification (botany)
GND Keyword:Biologisches Modell; Computersimulation; Graph-Grammatik; Lindenmayer-System; Verzweigung <Biologie>
Institutes:Fakultät 1 / FG Praktische Informatik / Graphische Systeme
Institution name at the time of publication:Fakultät für Mathematik, Naturwissenschaften und Informatik (eBTU) / LS Graphische Systeme

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