Wielopoziomowe matematyczne modelowanie roślinności, gleby i pogody
Niniejsza dysertacja przedstawia nowatorskie podejście do modelowania realistycznych ekosystemów roślinności w zmiennych warunkach klimatycznych. Poprzednie metody starały się zredukować złożoność obliczeniową poprzez przyjęcie geometrycznych uproszczeń roślin kosztem dokładności modelowania. Inne metody umożliwiały szczegółową reprezentację roślin, jednak nie były odpowiednie do symulacji dużych ekosystemów. W tej pracy proponuje się wielopoziomową reprezentację ekosystemów roślinnych, która łączy szczegółowość z wydajnością. Podejście to uwzględnia zjawiska biologiczne, takie jak wzrost, rozsiewanie, tropizm i konkurencja o zasoby, a także modeluje wzajemne oddziaływania między roślinnością, glebą i pogodą, w tym lokalną zmiennością klimatyczną. W celu symulacji cyklu hydrologicznego opracowano model dynamiki chmur, który uwzględnia parowanie roślin i gleby, formację chmur i opady atmosferyczne. Ponadto zamodelowano transport wody w glebie na podstawie właściwości gleby oraz grawitacji. Zaproponowana metoda pozwala na interaktywne symulacje setek tysięcy roślin, uwzględniając interakcje na poziomie lokalnego zróżnicowania klimatu i zachowując zgodność z biologicznymi modelami znanymi w leśnictwie, botanice i ekologii. Podsumowując, praca ta przyczynia się do rozwoju generowania realistycznych krajobrazów z roślinnością i pogodą, potencjalnie służąc jako środek do walidacji hipotez biologicznych. Przedstawiona metoda ma szerokie zastosowanie w dziedzinach takich jak ekologia, leśnictwo i architektura krajobrazu. This dissertation presents a novel approach for modeling realistic ecosystems of vegetation under variable climatic conditions. Prior methods either reduce computational complexity through coarse geometrical approximations or provide a very detailed representation that is unsuitable for large ecosystem simulations. Therefore, this research proposes a multi-scale representation of plant ecosystems that balances detail with efficiency. This approach captures biological features such as growth, seeding, tropism, and competition for resources while modeling the feedback between vegetation, soil, and weather, including local variations of climate. To simulate the hydrological cycle, the research develops a cloud dynamics model that handles evaporation of plants and soil, cloud formation, and precipitation. Additionally, the approach models water propagation in the soil based on soil properties and gravity. The proposed method can run interactive simulations of hundreds of thousands of plants, capturing interactions with local variations of climate while adhering to biological priors known in forestry, botany, and ecology research. Overall, this research contributes to the advancement of generating realistic outdoor landscapes of vegetation and weather, potentially serving as a means for validating biological hypotheses. This approach has broad applications in fields such as ecology, forestry, and landscape architecture.
symulacja, renderowanie, las, ekosystem, chmury, simulation, rendering, forest, ecosystem, clouds
Networked Digital Library of Theses and Dissertations