L-System-based Pak Choi Growth Modelling and Visualisation in a Virtual Reality Digital Twin of a Plant Factory

Raditya Christoaji Ballandean Prabowo, Dr. Ir. Ahmad Nasikun, S.T., M.Sc.; Ir. Noor Akhmad Setiawan, S.T., M.T., Ph.D., IPM.

2026 | Skripsi | TEKNOLOGI INFORMASI

Dampak perubahan iklim terus merambah ke berbagai aspek peradaban manusia, dengan sektor ketahanan pangan yang menjadi salah satu aspek yang paling terdampak. Pendekatan inovatif dalam pertanian berkelanjutan diperlukan untuk memitigasi sebagian dari masalah tersebut dengan integrasi Digital Twin (DT) dan Virtual Reality (VR) menjadi teknologi yang menjanjikan. Namun, saat ini masih terdapat kekurangan dalam pengembangan visualisasi pertumbuhan tanaman yang merupakan aspek dasar dari DT, khususnya untuk beberapa sayuran yang populer dibudidayakan, seperti Pakcoy (Brassica rapa subsp. chinensis). Walaupun terdapat kemajuan dalam sistem pemantauan dan pengendalian lingkungan, berbeda seperti aspek pengembangan lain, pengembangan visualisasi pertumbuhan tanaman cenderung stagnan sehingga membatasi potensi aplikasi DT untuk meningkatkan efisiensi dan keberlanjutan pada sistem pertanian. Penelitian ini bertujuan untuk mengatasi kesenjangan tersebut dengan mengembangkan visualisasi pertumbuhan Pakcoy melalui pendekatan Lindenmayer System (L-System) untuk Digital Twin (DT) berbasis Virtual Reality (VR) pada sebuah Plant Factory (PF). Aplikasi ini bertujuan untuk menyediakan informasi mengenai perkembangan tanaman, mengoptimalkan penggunaan sumber daya, dan membantu pengambilan keputusan dalam Closed-Environment Agriculture (CEA), khususnya PF. Untuk mencapai tujuan tersebut, dikembangkan sebuah sistem pemodelan Pakcoy yang modular, dapat dibentuk, dapat berinteraksi secara fisik, teroptimasi (untuk mendukung penggunaan pada perangkat keras VR yang memiliki daya komputasi rendah), dan memiliki tekstur dengan detail yang cukup sehingga dapat mensimulasikan tahap pertumbuhan tanaman hingga 30 hari (atau selama periode panen). Pengembangan ini mengikuti alur kerja Agile dan menggabungkan algoritma pertumbuhan yang disederhanakan berdasarkan model berbasis Growing-Degree Days (GDD) dan pendekatan L-System yang dikembangkan secara bersamaan untuk mengendalikan perubahan secara langsung. Selanjutnya, evaluasi menggunakan System Usability Scale (SUS) dan metode Expert Review digunakan untuk menilai keintuitifan visual yang subjektif dari perspektif pengguna serta keakuratan pemodelan biologi menurut pakar di bidangnya. Selain itu, setiap implementasi fitur dinilai menggunakan metode pengujian fungsional, khususnya pengujian black box, untuk memastikan kegunaan fungsional, yang pada akhirnya menyatakan bahwa mayoritas kasus uji berhasil. Dengan skor SUS sebesar 72, visualisasi ini menunjukkan tingkat kengunaan yang "Good" (Baik) dan "Acceptable" (Dapat Diterima), dengan keintuitifan visual yang juga dapat diterima. Selain itu, umpan balik dari Expert Review menunjukkan bahwa visualisasi memiliki tingkat keakuratan yang baik, tetapi memerlukan beberapa pengembangan lebih lanjut di beberapa aspek tertentu. Perbaikan tersebut meliputi pengerjaan ulang sistem model tanaman, sistem optimasi aplikasi, implementasi model menggunakan sistem pemodelan parametrik, penyesuaian perubahan warna tangkai daun (petiole) yang prematur, penambahan bagian akar dengan pot hidroponik, serta pengerjaan ulang sistem antarmuka pengguna yang bersifat diegetik. Secara keseluruhan, penelitian ini telah mengembangkan visualisasi pertumbuhan Pakcoy yang berpotensi menjadi aspek dasar bagi sebuah DT-VR pada sebuah Plant Factory.

The effects of climate change continue to permeate through every section of human civilisation with food security being one of the most affected. Innovative approaches to sustainable farming are required to alleviate some sections of the problem with the integration of Digital Twin (DT) and Virtual Reality (VR) being a promising technology. However, currently, there is a lack of development on plant growth visualisations that is a foundational aspect of Digital Twins, particularly for some popularly-grown vegetables, such as Pak Choi (Brassica rapa subsp. chinensis). Despite advancements in environmental monitoring and control systems, plant growth visualisation development has stagnated which limits the potential for DT applications to improve efficiency and sustainability in farming systems. This research aims to address the aforementioned gap by developing a Pak Choi growth visualisation through a Lindenmayer System (L-System) approach for a Virtual Reality (VR) Digital Twin (DT) of a Plant Factory (PF). This tool aims to offer insights into crop development, optimise resource usage, and assist in decision-making for closed-environment agriculture (CEA), specifically PFs. To achieve this objective, a modular, deformable, physically-intractable, optimised (to support the low-computational power of the VR hardware), and well textured Pak Choi modelling system was developed to simulate plant growth stages up to 30 days (or during harvest period). The development followed an Agile workflow and incorporated a simplified growth algorithm based on an established GDD-based model alongside with the parallel-developed L-System approach to control real-time visual changes. Subsequently, an evaluation using the System Usability Scale (SUS) and Expert Review evaluation method was utilised to assess the subjective visual intuitiveness from the users' perspective and the biological accuracy according to a domain expert. Moreover, each feature implementation was assessed using a functional testing method, specifically the black box testing, to ensure functional usability, with a majority of the test cases being successful. With a SUS Score of 72, the visualisation has indicated that it has "Good" and "Acceptable" usability, with visual intuitiveness being acceptable. Additionally, feedback from the Expert Review indicated that the visualisation has good biological accuracy, but it requires some adjustments in certain areas to further improve it. These improvements include reworking the plant model system, reworking optimisation systems, implementing the model using a parametric modelling system, adjusting the premature petiole colour change, adding a root section with a hydroponic pot attached, and reworking the diegetic user interface (UI) system. Overall, this research developed a Pak Choi growth visualisation that has the potential to be a foundational aspect of a DT-VR of a PF.

Kata Kunci : Plant Growth Visualisation, Plant Modelling, Digital Twin, Virtual Reality, Plant Factory, L-System, Pak Choi