Fakultät für Forstwissenschaften und Waldökologie
ARBEITSGRUPPE PFLANZENMODELLIERUNG
Veröffentlichungen der Arbeitsgruppe
MITARBEITER:
Prof. Dr. Winfried Kurth, Dipl.-Math.
Forschungsgebiet: Weiterentwicklung von formalen Sprachen und Softwaretools
für dynamische 3D-Pflanzenmodelle im Rahmen der
Ökosystemforschung (Software
GROGRA),
Methoden der Auswertung und
Formalisierung quantitativer morphologischer Daten, Entwicklung von
Beschreibungssprachen für das Pflanzenwachstum, Computergrafik
Individuelle Homepage:
http://www.uni-forst.gwdg.de/~wkurth
E-mail: wk((at)) informatik.uni-goettingen.de
Ehemalige Mitglieder der Arbeitsgruppe:
Helge Dzierzon, Dipl.-Forstw.
Forschungsgebiet: Bestandesmodellierung, statistische Datenanalyse,
Vergleiche zwischen Baummodellen, Softwaretools für die
Diskretisierung und Analyse von Bäumen und Beständen
Individuelle Homepage:
http://www.uni-forst.gwdg.de/~wkurth/memb_hd.html
E-mail: hdzierz((at)) gmail.com
Ulrike Singer, Dipl.-Forstw.
Forschungsgebiet: Dreidimensionale Visualisierung von
Forstbeständen und Landschaften, objektorientierte
Modellierung, graphische Oberflächen
Individuelle Homepage:
http://www.uni-forst.gwdg.de/~wkurth/memb_us.html
e-mail: usinger((at)) uni-forst.gwdg.de
Dr. Michael Schulte, Dipl.-Biol.
Forschungsgebiet: Hydraulische Architektur und Gaswechsel von
Bäumen, stomatäre Regelung, prozessorientierte Modellierung
und Modell-Validierung, Anwendung und Weiterentwicklung der Software
HYDRA
Individuelle Homepage:
http://www.uni-forst.gwdg.de/~wkurth/memb_ms.html
E-mail: mi-schu((at)) t-online.de
Gustavo Anzola, Dipl.-Forstw.
Forschungsgebiet: Verknüpfung verschiedener struktureller
Pflanzenmodelle und prozessorientierter Modelle (AMAP, HYDRA, HYDRO,
GROGRA), Einbeziehung von Stressfaktoren in 3-dimensionale
Wachstumsmodelle
Individuelle Homepage:
http://www.uni-forst.gwdg.de/~wkurth/memb_ga.html
E-mail: ganzola((at)) web.de
QUERVERWEISE:
Die Arbeitsgruppe ist beteiligt am Forschungszentrum Waldökosysteme Göttingen.
Kooperationspartner:
Programme Modélisation des Plantes (Arbeitsgruppe AMAP) am CIRAD (Montpellier, Frankreich)
Arbeitsgruppe LIGNUM am Forstlichen Forschungszentrum METLA (Finnland)
Abteilung Waldwachstum der Niedersächsischen Forstlichen Versuchsanstalt, Göttingen
Lehrstuhl für Waldwachstumskunde, TU München
Abteilung Ökologie und Ökosystemforschung im Albrecht-von-Haller-Institut, Universität Göttingen, Prof. Dr. Christoph Leuschner
Institut für Pflanzengenetik und Kulturpflanzenforschung Gatersleben, Dr. Gerhard Buck-Sorlin
WZ Umweltsystemforschung, Kassel
Institut für Forstökologie an der Universität Brünn (Tschechien), Prof. Dr. Jan Cermák.
Weitere Ökosystem-Forschungszentren in Deutschland:
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Informationssysteme zur Pflanzenarchitektur (PAIS)
Umwelt, Waldökologie, Global Change, Simulation usw. (von Michael Sonntag)
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Artificial Life:
Jan T. Kims Link-Seite mit AL-Links
Pflanzenmodellierung im engeren Sinne:
Arbeitsgruppe Prusinkiewicz (Calgary)
Arbeitsgruppe Room (Queensland) (dort weitere Links, Literatur und Software)
KURZBESCHREIBUNG DES FORSCHUNGSANSATZES:
Die Regelsprache der "stochastischen, sensitiven Wachstumsgrammatiken" als Erweiterung der parametrisierten L-Systeme (Prusinkiewicz & Lindenmayer 1990) wurde entwickelt, um die zeitliche Veränderung der Morphologie von Waldbäumen unter Berücksichtigung endogener und exogener Faktoren algorithmisch beschreiben und dreidimensionale Simulationen der Baumkronen systematisch erzeugen zu können. An verschiedenen Baumarten, v.a. an Fichte, wurden morphologische Erhebungen durchgeführt, um derartige Regelsysteme aufstellen und parametrisieren zu können. Die Software GROGRA (Growth Grammar Interpreter; Kurth 1994) setzt die Regeln um in Zeitreihen dreidimensionaler Kronenstrukturen, deren Grundelemente (Jahrestriebe) zusätzlich nicht-geometrisch attributiert sein können. Außerdem verfügt GROGRA über Analysetools und verschiedene Datenschnittstellen.
Die erzeugten Architekturen dienen als "ökomorphologisches Basismodell" für verschiedene prozessorientierte Simulationsmodelle. Realisiert ist bereits ein Modell des bauminternen Wasserflusses (HYDRA; Früh 1995), basierend auf den künstlichen Bäumen.
Das Projekt ist assoziiert mit dem "Forschungszentrum Waldökosysteme" der Universität Göttingen. Die Finanzierung erfolgt gegenwärtig durch die DFG (Deutsche Forschungsgemeinschaft) in Form mehrerer Teilprojekte.
ZIELSETZUNGEN:
Für die Entwicklung von Vorhersagemodellen der Walddynamik, welche - im Gegensatz zu den klassischen Ertragstafeln - auch noch unter veränderten klimatischen Randbedingungen und unter den neuartigen forstlichen Nutzungsstrategien ihre Gültigkeit behalten, ist es erforderlich, die physiologischen Mechanismen des Baumwachstums in ihrer Wechselwirkung mit Umweltfaktoren zu verstehen und modellhaft-quantifizierend zu erfassen.
Es gibt zwei Entwicklungsrichtungen von Pflanzenmodellen, die für diese Zielsetzung von Bedeutung sind:
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(1.) |
Prozessorientierte Modelle, welche die Größe und Dynamik der Pools von C, H2O, N, sowie von Energie quantifizieren (z.B. McMURTRIE & WOLF 1983, MÄKELÄ 1986, BOSSEL & SCHAEFER 1989, MOHREN & RABBINGE 1990, SLOBODA & PFREUNDT 1989). |
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(2.) |
Strukturorientierte Modelle, welche die dreidimensionale Baumarchitektur auf morphologischer Grundlage reproduzieren und damit eine gemeinsame strukturelle Matrix fuer Lichtinterzeption, Flüsse von C, H2O, N und für mechanische Vorgänge zur Verfügung stellen (DE REFFYE 1979, BELL 1986, PRUSINKIEWICZ & LINDENMAYER 1990, KURTH 1994). |
Um aber Fortschritte im Verständnis des Baumwachstums und seiner Steuerung durch Umwelteinflüsse zu erzielen, ist es notwendig, die Beziehung zwischen Verzweigungsstruktur und Prozessen abzubilden und so beide Entwicklungsrichtungen zusammenzuführen.
Die funktionale Bedeutung der verzweigten Struktur von Bäumen wurde mittlerweile vielfach bestätigt:
Verzweigungsorientierte Lichtinterzeptionsmodelle ergeben signifikante Abweichungen gegenüber Ansätzen mit einer horizontal uniformen Blattflächenverteilung (KNYAZIKHIN et al. 1996).
Morphologische Wachstumsregeln haben entscheidenden Einfluss auf den Assimilatbedarf der Krone und die Assimilatversorgung der nachgeordneten Baumkompartimente (FORD & FORD 1990, FORD & KIESTER 1990). Lichtgesteuerte morphologische Programme haben wesentlichen Einfluss auf das Verhältnis produktive / konsumptive Biomasse (NEEMANN & STICKAN 1991).
Die raum-zeitliche Dynamik des Wasserflusses im Baum (und damit die Dynamik der Atmosphäre-Boden-Kopplung) wird von dessen Struktur (hydraulisches Netzwerk) bestimmt (TYREE 1988, FRÜH 1995). In der Baumkrone ist das Schädigungsrisiko bei Trockenstress nach Verzweigungsgesetzmäßigkeiten verteilt (ZIMMERMANN 1983).
Parameter der Verzweigungsstruktur und ihrer Entwicklung bedingen in hohem Maße die Konkurrenzstärke von Baumarten in verschiedenen Habitaten (KÜPPERS 1991) und sind eng gekoppelt mit Steuergrößen der Holzproduktion (DELEUZE 1996) und der mechanischen Stabilität (FOURNIER et al. 1993).
Umgekehrt stellt die Veränderung der Bestandesstruktur die hauptsächliche Art des steuernden Eingreifens in der Forstwirtschaft dar.
Seit etwa 10 Jahren ist in der ökophysiologischen und ökosystemaren Modellierung eine Hinwendung zu Ansätzen erkennbar, welche die Prozesse mit der Bestandes- und Baumstruktur verbinden.
Modellierungsgegenstand am Anfang dieser Entwicklung sind primär physikalisch determinierte Prozesse, die zwar von der Bestandesstruktur bestimmt werden, sich aber an der Grenzfläche zwischen Baumorganismus und Umgebung bzw. außerhalb der Baumorganismen abspielen: Lichtinterzeption gekoppelt mit der Photosynthese (PFREUNDT & SLOBODA 1996), Bodenwasserhaushalt.
Bei der verzweigungsorientierten Modellierung bauminterner Prozesse werden die ersten 'whole-tree models' für den Wasserfluss entwickelt (TYREE 1988, FRÜH 1995), welcher ebenfalls vorwiegend physikalisch determiniert ist. Etwa gleichzeitig werden erste Ansätze für den komplexen biologischen Prozess der C-Allokation realisiert (FORD & FORD 1990, PERTTUNEN et al. 1996, DELEUZE 1996). Begleitet wird dies von der Entwicklung leistungsfähiger Computer-Algorithmen zur dynamischen Generierung von Verzweigungsstrukturen und zu ihrer Bearbeitung.
Trotz einzelner Fortschritte steht jedoch auf Baum- und Bestandesebene eine Integration von Strukturen und Prozessen noch aus:
Bei den Modellen der Lichtinterzeption und des Wasserflusses sind die Algorithmen zur räumlichen Diskretisierung noch unzureichend auf die Gesetzmäßigkeiten der Baumstruktur zugeschnitten.
Ober- und unterirdische Wasserflussmodellierung erfolgen noch voneinander isoliert.
Die Kopplung verschiedener Prozesse auf der Basis der Strukturinformation ist nur in allerersten Ansätzen realisiert. Dies betrifft insbesondere die Verflechtung zwischen Wasser und C-Haushalt, die Umweltsteuerung baumbezogener Prozesse und das Zusammenwirken belastender und kompensierender Mechanismen. Von BASSOW, FORD & KIESTER (1990) und von TYREE & ALEXANDER (1993) wurde bereits auf diese Forschungslücke hingewiesen.
Es besteht ein Bedarf an der Entwicklung flexibler und leistungsfähiger Algorithmen zur Struktur-Prozess-Integration.
Es sind konzeptionell tragfähige Ansätze zu entwickeln, welche eine Überparametrisierung vermeiden. Aus der Modellierung sind "fundierte Vereinfachungen" abzuleiten, die durch eine Kenntnis des komplexen Systemverhaltens gedeckt sind und anwendungsbezogene Fragen beantworten können. Aus den bisherigen Göttinger Arbeiten ergeben sich hierfür vielversprechende Ansätze: Lichtantwortkurven des Bestandes, Korrelation zwischen Parametern der Baumarchitektur und der Wasserflussdynamik im soil-plant-atmosphere continuum.
(Literaturangaben siehe englische Fassung)
ADRESSE:
Abteilung Ökoinformatik, Biometrie und Waldwachstum
Universität Göttingen
Büsgenweg 4, 37077 Göttingen
Deutschland
Tel. +49-551-39-9715, -3464
Fax +49-551-39-3465
E-mail: wk((at)) informatik.uni-goettingen.de
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Für diese Webseite gelten diese formalen Bemerkungen.
Letzte Änderungen: 10. Oktober 2008.