專利名稱：基于虛擬植物的冠層對(duì)光合有效輻射截獲能力分析方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及農(nóng)業(yè)信息化和現(xiàn)代農(nóng)業(yè)技術(shù)領(lǐng)域，特別是一種基于虛擬植物的冠層對(duì)光合有效輻射截獲能力分析方法。
背景技術(shù)：
植物整型修剪是生產(chǎn)栽培與經(jīng)營(yíng)管理中非常重要的操作環(huán)節(jié)。整型修剪能夠合理利用空間，提高冠層通風(fēng)透光以及抗逆能力，保證植物健康生長(zhǎng)；整型通過對(duì)植株施行相應(yīng)的修剪措施使之形成符合特定需求的植物形態(tài)結(jié)構(gòu)，構(gòu)建冠型美觀、姿態(tài)優(yōu)良的觀賞樹形，以此營(yíng)造錯(cuò)落有致、渾然天成的園林景觀；修剪能夠調(diào)節(jié)植物體內(nèi)的營(yíng)養(yǎng)元素，使之種類齊全，比例適當(dāng)，以滿足植物生長(zhǎng)需要，提高花果數(shù)量和質(zhì)量。一般來說，整型修剪貫穿于植物 的生長(zhǎng)全過程，因此，對(duì)植物整型修剪的計(jì)算機(jī)模擬也成為了數(shù)字農(nóng)業(yè)與數(shù)字林業(yè)的重要研究?jī)?nèi)容之一。植物的整型修剪不僅僅依賴于經(jīng)驗(yàn)，還具有很強(qiáng)的科學(xué)性與技巧，模擬現(xiàn)實(shí)植物的整型修剪操作，需要以相應(yīng)的科學(xué)數(shù)據(jù)為支撐。近年來，不同樹形對(duì)光合有效輻射的吸收、利用也逐漸成為了植物生理生態(tài)學(xué)、樹木學(xué)、果樹栽培等農(nóng)、林學(xué)科的研究熱點(diǎn)。光合有效福射(Photosynthetic Active Radiation, PAR)是太陽福射光譜中能夠被綠色植物的質(zhì)體色素吸收、轉(zhuǎn)化以實(shí)現(xiàn)物質(zhì)積累的那部分輻射，其輻射波長(zhǎng)介于400-700nm之間。它約占太陽總能量的40%。PAR是植物光合作用的基礎(chǔ)、最重要的資源，是影響生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)生產(chǎn)和能量轉(zhuǎn)化的重要生態(tài)因子。PAR在植物冠層分布的模擬研究有助于分析冠形整型修剪的科學(xué)性和深入理解植物與光環(huán)境之間的交互。目前，研究植物冠層光合有效輻射分布的主要方法有三種地面實(shí)測(cè)法、數(shù)學(xué)模型法、三維模擬法。其中，地面實(shí)測(cè)法主要是通過具有光電傳感器的冠層分析儀實(shí)現(xiàn)，但是由于各種實(shí)測(cè)客觀條件的限制，不能同時(shí)保證實(shí)測(cè)的空間分辨率和時(shí)間分辨率。數(shù)學(xué)模型法是以輻射在植物冠層的傳播規(guī)律以及植物冠層形態(tài)結(jié)構(gòu)等假設(shè)條件為基礎(chǔ)，建立冠層結(jié)構(gòu)參數(shù)與生態(tài)因子相結(jié)合的輻射傳輸模型，由于實(shí)際模型構(gòu)建參數(shù)實(shí)時(shí)變化且難以獲取，因此數(shù)學(xué)模型法至今多數(shù)局限于理論研究層面。近年來，隨著計(jì)算機(jī)三維建模與虛擬現(xiàn)實(shí)研究的不斷深入，三維模擬法逐漸成為了研究植物冠層光合有效輻射分布的有力工具。植物精細(xì)三維模型是冠層對(duì)光合有效輻射截獲能力分析的基礎(chǔ)。葉是植物光合作用的主要器官，葉子的位置和方向是影響光分布的主要因子，所以虛擬冠層葉的精細(xì)建模是關(guān)鍵。目前葉的三維建模方法主要有基于圖像生成三維模型、基于參數(shù)曲面生成三維模型、基于三維幾何造型系統(tǒng)建模。后兩種方法均可生成精細(xì)的三維模型，能滿足冠層輻射模擬的需要。植被或森林生長(zhǎng)的計(jì)算機(jī)建模和可視化研究可以追溯到上個(gè)世紀(jì)六十年代。自上個(gè)世紀(jì)九十年代末以來，國(guó)際上掀起了一股以數(shù)字化技術(shù)為核心的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)高技術(shù)研究與開發(fā)熱潮，特別是以農(nóng)業(yè)生物-環(huán)境信息獲取、農(nóng)業(yè)過程數(shù)字模型與虛擬仿真技術(shù)、農(nóng)業(yè)的數(shù)字化設(shè)計(jì)、管理與控制技術(shù)為主要內(nèi)容的國(guó)際數(shù)字農(nóng)業(yè)發(fā)展前沿技術(shù)，引起了各國(guó)政府、領(lǐng)域?qū)＜摇⒓夹g(shù)人員等廣泛關(guān)注，一些成果在農(nóng)業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家逐漸走向示范和推廣應(yīng)用階段。目前，有一定影響力的虛擬植物系統(tǒng)軟件有SpeedTree、Bionatics公司的虛擬植物系列產(chǎn)品、Xfrog、OnyxTree、LMS以及主要用于學(xué)術(shù)研究的AMAP系列模塊和L-Studio等。我國(guó)虛擬植物研究始于20世紀(jì)90年代，比較有代表性的有趙春江研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)的農(nóng)作物生長(zhǎng)模擬三維場(chǎng)景整合平臺(tái)，自動(dòng)化所中法聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室LIAMA的青園GreenLab、福建省空間信息工程研究中心陳崇成研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)的OntoPlant。目前具有國(guó)產(chǎn)背景虛擬植物軟件尚未形成產(chǎn)品化與商業(yè)化應(yīng)用，與國(guó)際同類研究相比還有一定差距。ParaTree交互式單樹建模工具軟件是OntoPlant系列軟件的單樹建模軟件。它是一款面向?qū)I(yè)用戶和普通用戶使用的全參數(shù)化單樹幾何建模工具。系統(tǒng)可參數(shù)化、交互式地定制不同樹種、年齡、物候階段、形態(tài)結(jié)構(gòu)的真實(shí)感單株植物三維模型，還可形象地模擬枝條修剪過程。植物冠層截獲PAR瞬時(shí)能量即為某一時(shí)刻冠層葉子截獲PAR的總和，單位為μπιο * s-1，而植物冠層獲得PAR平均能量為冠層所截獲的瞬時(shí)能量除以總?cè)~面積，單位為μ mol*m-2*s_l。植物對(duì)PAR的吸收與葉面積相關(guān),冠層頂部葉子越多，光合有效福射吸收的面積也越大，冠層截獲的太陽PAR瞬時(shí)能量也越大；但是，冠層外部的葉子將會(huì)對(duì)冠層內(nèi)部葉子形成遮擋，導(dǎo)致冠層內(nèi)部葉子的光合作用弱而呼吸作用強(qiáng)(消耗能量)，影響植物生長(zhǎng)與生產(chǎn)。因此，需采用植物冠層獲得PAR平均值與單位面積凈光合速率作為光合有效輻 射截獲能力的評(píng)價(jià)指標(biāo)。由于太陽位置實(shí)時(shí)變化，導(dǎo)致各時(shí)刻的太陽光合有效輻射強(qiáng)度值也各不相同，SP冠層在某一時(shí)刻截獲的太陽PAR平均能量并不能全面解釋冠層對(duì)PAR的截獲能力，因此，需對(duì)比分析某一時(shí)間段內(nèi)的多組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)才能說明冠層對(duì)光合有效輻射的截獲能力。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種基于虛擬植物的冠層對(duì)光合有效輻射截獲能力分析方法，該方法有利于對(duì)植物冠型的科學(xué)合理性進(jìn)行定量分析，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)科學(xué)合理地對(duì)植物進(jìn)行整型修剪或株型設(shè)計(jì)。本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的一種基于虛擬植物的冠層對(duì)光合有效輻射截獲能力分析方法，包括以下步驟
步驟10 :采用虛擬植物建模工具軟件建立自然生長(zhǎng)形的植物精細(xì)三維模型，并對(duì)自然生長(zhǎng)形的植物精細(xì)三維模型進(jìn)行整型修剪，形成不同冠型的植物精細(xì)三維模型；
步驟11:根據(jù)生長(zhǎng)區(qū)地理位置和氣候條件，采用相關(guān)天文參數(shù)計(jì)算算法，計(jì)算得出不同時(shí)刻的太陽高度角、太陽方位角和冠頂輻射強(qiáng)度；
步驟12 :分別采用光線跟蹤算法和龜殼算法模擬冠層太陽直射PAR空間分布和天空散射PAR空間分布，計(jì)算每片葉上總的PAR值，從而得到不同時(shí)刻冠層PAR空間分布和整個(gè)冠層平均PAR值；
步驟13 :結(jié)合單葉光合作用模型，計(jì)算一定時(shí)段內(nèi)不同冠層的凈光合速率；
步驟14 :反復(fù)對(duì)植物模型進(jìn)行整型修剪，從日尺度的冠層平均PAR值、PAR空間分布特征和平均凈光合速率三方面分析冠層對(duì)PAR的截獲能力，追尋一種通風(fēng)透光的科學(xué)合理的冠型。本發(fā)明的有益效果是提供了一種定量分析植物冠型的科學(xué)合理性的方法，克服了傳統(tǒng)植物整型修剪或株型設(shè)計(jì)中存在的只能通過長(zhǎng)期野外觀測(cè)、實(shí)驗(yàn)或經(jīng)驗(yàn)知識(shí)來定性說明冠型修剪合理性的問題，不僅有利于減小不合理修剪帶來的損失，而且以三維形式直觀表示修剪后的株型，可以精確預(yù)見修剪的效果。


圖I是本發(fā)明實(shí)施例的實(shí)現(xiàn)流程示意圖。圖2是本發(fā)明實(shí)施例中采用ParaTree單樹建模工具軟件建立植物精細(xì)三維模型的流程圖。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明基于虛擬植物的冠層對(duì)光合有效輻射截獲能力分析方法，如圖I所示，包括以下步驟
步驟10 :采用虛擬植物建模工具軟件建立自然生長(zhǎng)形的植物精細(xì)三維模型，其實(shí)現(xiàn)流程如圖2所示，并對(duì)自然生長(zhǎng)形的植物精細(xì)三維模型進(jìn)行整型修剪，形成不同冠型的植物精細(xì)三維模型；
步驟11 :根據(jù)生長(zhǎng)區(qū)地理位置和氣候條件，采用相關(guān)天文參數(shù)計(jì)算算法，計(jì)算得出不同時(shí)刻的太陽高度角、太陽方位角和冠頂輻射強(qiáng)度；
步驟12 :分別采用光線跟蹤算法和龜殼算法模擬冠層太陽直射PAR空間分布和天空散射PAR空間分布，計(jì)算每片葉上總的PAR值，從而得到不同時(shí)刻冠層PAR空間分布和整個(gè)冠層平均PAR值；
步驟13 :結(jié)合單葉光合作用模型，計(jì)算一定時(shí)段內(nèi)不同冠層的凈光合速率；
步驟14 :反復(fù)對(duì)植物模型進(jìn)行整型修剪，從日尺度的冠層平均PAR值、PAR空間分布特征和平均凈光合速率三方面分析冠層對(duì)PAR的截獲能力，追尋一種通風(fēng)透光的科學(xué)合理的冠型。在步驟10中，建立植物精細(xì)三維模型包括以下步驟
步驟101 :輸入待分析冠層特征參數(shù)、枝干系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)信息和葉幾何信息；
步驟102 :根據(jù)所述葉幾何信息，采用NURBS參數(shù)曲面進(jìn)行擬合或采用3ds MAX軟件建立葉精細(xì)三維模型，以多邊形形式(三角形或四邊形)表示并轉(zhuǎn)化為常用三維模型格式，如.ob j等；
步驟103 :根據(jù)所述冠層特征參數(shù)和枝干系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)信息，采用ParaTree單樹建模工具軟件，建立枝干系統(tǒng)三維模型，并把葉精細(xì)三維模型按一定的角度和分布密度掛接到枝干系統(tǒng)上，形成自然生長(zhǎng)形的植物精細(xì)三維模型；
步驟104 :采用ParaTree單樹建模工具軟件，對(duì)自然生長(zhǎng)形的植物精細(xì)三維模型進(jìn)行枝段、枝條或冠層綜合修剪，形成不同冠型的植物精細(xì)三維模型。上述冠層特征參數(shù)、枝干系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)信息和葉幾何信息包括全局參數(shù)、主干參數(shù)、枝條參數(shù)和葉片參數(shù)，所述全局參數(shù)包括樹高和冠幅，所述主干參數(shù)包括基徑、長(zhǎng)度、半徑變化、枝條分布，所述枝條參數(shù)包括分支級(jí)數(shù)、半徑、半徑變化、長(zhǎng)度、分支角度，所述葉片參數(shù)包括葉大小、形狀、位角、傾角和分布密度。在步驟11中，計(jì)算冠頂輻射強(qiáng)度包括以下步驟
步驟111 :根據(jù)生長(zhǎng)區(qū)地理位置，即經(jīng)度緯度，采用太陽天文參數(shù)計(jì)算公式得出太陽幾何參數(shù)，即太陽高度角和太陽方位角；步驟112 :根據(jù)太陽幾何參數(shù)、生長(zhǎng)區(qū)氣候條件和地形條件，采用太陽光能在大氣層頂和大氣層中的計(jì)算公式，計(jì)算冠頂太陽直射輻射強(qiáng)度和天空散射輻射強(qiáng)度；
步驟113 :求出冠頂太陽直射PAR和天空散射PAR。在步驟12中，計(jì)算冠層光合有效輻射強(qiáng)度包括以下步驟
步驟121 :以所述植物精細(xì)三維模型和冠頂太陽直射PAR為基礎(chǔ)，采用光線跟蹤算法模擬冠層太陽直射PAR空間分布，估算每片葉截獲太陽直射PAR值；
步驟122 :以所述植物精細(xì)三維模型和冠頂天空散射PAR為基礎(chǔ)，采用龜殼算法模擬冠層天空散射PAR空間分布，估算每片葉截獲天空散射PAR值；
步驟123 :將每片葉截獲太陽直射PAR值和每片葉截獲天空散射PAR值相加，得到每片葉上總的PAR值； 步驟124 :計(jì)算并分析得到不同時(shí)刻冠層PAR空間分布和整個(gè)冠層平均PAR值； 在步驟13中，計(jì)算冠層凈光合速率包括以下步驟
步驟131 :根據(jù)每片葉上總的PAR值，采用單葉光合作用模型計(jì)算每片葉總光合速率； 步驟132 :對(duì)冠層每片葉總光合速率進(jìn)行累加，得到整個(gè)冠層光合速率；
步驟133 :所述冠層光合速率減去呼吸消耗的差數(shù)，得到冠層凈光合速率；
在步驟14中，計(jì)算冠層對(duì)PAR截獲能力包括以下步驟
步驟141 :根據(jù)上述步驟10，建立一系列不同冠形的植物精細(xì)三維模型；
步驟142 :根據(jù)上述步驟12，計(jì)算各冠層各時(shí)刻每片葉截獲的PAR值，從而計(jì)算日尺度內(nèi)冠層平均PAR值；
步驟143 :在計(jì)算得到每片葉截獲的PAR值基礎(chǔ)上，將冠層按一定高度間隔進(jìn)行分層，從冠頂至冠底分成若干層，求各層內(nèi)葉對(duì)PAR截獲的平均值；然后對(duì)一天各時(shí)刻每層截獲PAR的平均值，再次進(jìn)行平均，求日尺度冠層PAR空間分布情況；
步驟144 :根據(jù)上述步驟13，計(jì)算各冠層各時(shí)刻冠層凈光合速率，然后把一天中各時(shí)刻冠層凈光合速率求平均值；
步驟145 :把各冠層日尺度冠層平均PAR、冠層平均凈光合速率進(jìn)行排序，結(jié)合冠層內(nèi)各層PAR分布的均勻性，得出冠層對(duì)PAR的截獲能力的大小。從而分析冠層對(duì)PAR的截獲能力，定量分析這些經(jīng)驗(yàn)冠型的科學(xué)合理性。步驟142中日尺度內(nèi)冠層平均PAR值計(jì)算過程為白天每隔一定時(shí)間計(jì)算一次太陽高度角、方位角、冠頂PAR值，估算一次冠層每片葉截獲的PAR值，然后把一天內(nèi)各模擬時(shí)刻的模擬值進(jìn)行平均得到日尺度冠層平均PAR。下面結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)上述一些模型的建立及分析方法作進(jìn)一步的說明。I、冠層精細(xì)三維模型構(gòu)建
植物整型修剪或株型設(shè)計(jì)是在自然生長(zhǎng)形的樹形基礎(chǔ)上進(jìn)行的。I)根據(jù)參數(shù)化建模所需的植物形態(tài)結(jié)構(gòu)參數(shù)要求，通過野外實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)、拍攝的照片和經(jīng)典文獻(xiàn)的收集，獲取自然生長(zhǎng)形冠型的形態(tài)結(jié)構(gòu)參數(shù)，主要包括樹高、冠幅、主干基徑、主干半徑變化、主干長(zhǎng)度、枝條級(jí)數(shù)，每級(jí)枝條的參數(shù)包括枝條長(zhǎng)度、半徑變化、分支角度、枝條分布，葉大小、形狀、分布位置、分布密度等；2 )器官紋理處理，采用Photoshop這類圖像處理軟件，生成具有Alpha通道的透明效果的器官紋理；3)采用3ds MAX這類幾何造系統(tǒng)建立葉三維模型，轉(zhuǎn)為通用三維模型格式；4)采用ParaTree交互式單樹建模工具軟件，首先生成一個(gè)默認(rèn)三維模型，然后根據(jù)上述各種參數(shù)，調(diào)整模型形態(tài)，掛接葉的精細(xì)三維模型，映射上器官紋理，生成自然生長(zhǎng)形植物精細(xì)的三維模型；5)在自然生長(zhǎng)形模型基礎(chǔ)上，根據(jù)整型修剪的經(jīng)驗(yàn)知識(shí)，利用ParaTree交互式單樹建模工具軟件編輯功能，對(duì)枝條、枝段進(jìn)行編輯，形成各種冠型的精細(xì)三維模型。采用ParaTree交互式單樹建模工具軟件建立植物精細(xì)三維模型流程如圖2所示。以3年生桃樹整型修剪及冠層對(duì)PAR截獲能力分析為實(shí)施例。自然生長(zhǎng)形的形態(tài)結(jié)構(gòu)參數(shù)如表I所示。先通過參數(shù)約束生成模型基本骨架，然后采用各枝干長(zhǎng)度分布曲線、半徑分布曲線、彎曲控制曲線、密度分布曲線進(jìn)一步調(diào)整，形成自然長(zhǎng)生形枝干系統(tǒng)。表I桃樹自然生長(zhǎng)形模型的枝干系統(tǒng)參數(shù)表
權(quán)利要求
1.一種基于虛擬植物的冠層對(duì)光合有效福射截獲能力分析方法，其特征在于包括以下步驟 步驟10 :采用虛擬植物建模工具軟件建立自然生長(zhǎng)形的植物精細(xì)三維模型，并對(duì)自然生長(zhǎng)形的植物精細(xì)三維模型進(jìn)行整型修剪，形成不同冠型的植物精細(xì)三維模型； 步驟11:根據(jù)生長(zhǎng)區(qū)地理位置和氣候條件，采用相關(guān)天文參數(shù)計(jì)算算法，計(jì)算得出不同時(shí)刻的太陽高度角、太陽方位角和冠頂輻射強(qiáng)度； 步驟12 :分別采用光線跟蹤算法和龜殼算法模擬冠層太陽直射PAR空間分布和天空散射PAR空間分布，計(jì)算每片葉上總的PAR值，從而得到不同時(shí)刻冠層PAR空間分布和整個(gè)冠層平均PAR值； 步驟13 :結(jié)合單葉光合作用模型，計(jì)算不同冠層的凈光合速率； 步驟14 :反復(fù)對(duì)植物模型進(jìn)行整型修剪，從日尺度的冠層平均PAR值、PAR空間分布和平均凈光合速率三方面分析冠層對(duì)PAR的截獲能力。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于虛擬植物的冠層對(duì)光合有效輻射截獲能力分析方法，其特征在于在步驟10中，建立植物精細(xì)三維模型包括以下步驟 步驟101 :輸入待分析冠層特征參數(shù)、枝干系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)信息和葉幾何信息； 步驟102 :根據(jù)所述葉幾何信息，采用NURBS參數(shù)曲面進(jìn)行擬合或采用3ds MAX軟件建立葉精細(xì)三維模型； 步驟103 :根據(jù)所述冠層特征參數(shù)和枝干系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)信息，采用ParaTree單樹建模工具軟件，建立枝干系統(tǒng)三維模型，并把葉精細(xì)三維模型按一定的角度和分布密度掛接到枝干系統(tǒng)上，形成自然生長(zhǎng)形的植物精細(xì)三維模型； 步驟104 :采用ParaTree單樹建模工具軟件，對(duì)自然生長(zhǎng)形的植物精細(xì)三維模型進(jìn)行枝段、枝條或冠層綜合修剪，形成不同冠型的植物精細(xì)三維模型。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于虛擬植物的冠層對(duì)光合有效輻射截獲能力分析方法，其特征在于所述冠層特征參數(shù)、枝干系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)信息和葉幾何信息包括全局參數(shù)、主干參數(shù)、枝條參數(shù)和葉片參數(shù)，所述全局參數(shù)包括樹高和冠幅，所述主干參數(shù)包括基徑、長(zhǎng)度、半徑變化、枝條分布，所述枝條參數(shù)包括分支級(jí)數(shù)、半徑、半徑變化、長(zhǎng)度、分支角度，所述葉片參數(shù)包括葉大小、形狀、位角、傾角和分布密度。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于虛擬植物的冠層對(duì)光合有效輻射截獲能力分析方法，其特征在于在步驟11中，計(jì)算冠頂輻射強(qiáng)度包括以下步驟 步驟111 :根據(jù)生長(zhǎng)區(qū)地理位置，采用太陽天文參數(shù)計(jì)算公式得出太陽幾何參數(shù)，即太陽高度角和太陽方位角； 步驟112 :根據(jù)太陽幾何參數(shù)、生長(zhǎng)區(qū)氣候條件和地形條件，采用太陽光能在大氣層頂和大氣層中的計(jì)算公式，計(jì)算冠頂太陽直射輻射強(qiáng)度和天空散射輻射強(qiáng)度； 步驟113 :求出冠頂太陽直射PAR和天空散射PAR。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于虛擬植物的冠層對(duì)光合有效輻射截獲能力分析方法，其特征在于在步驟12中，計(jì)算冠層光合有效輻射強(qiáng)度包括以下步驟 步驟121 :以所述植物精細(xì)三維模型和冠頂太陽直射PAR為基礎(chǔ)，采用光線跟蹤算法模擬冠層太陽直射PAR空間分布，估算每片葉截獲太陽直射PAR值； 步驟122 :以所述植物精細(xì)三維模型和冠頂天空散射PAR為基礎(chǔ)，采用龜殼算法模擬冠層天空散射PAR空間分布，估算每片葉截獲天空散射PAR值； 步驟123 :將每片葉截獲太陽直射PAR值和每片葉截獲天空散射PAR值相加，得到每片葉上總的PAR值； 步驟124 :計(jì)算并分析得到不同時(shí)刻冠層PAR空間分布和整個(gè)冠層平均PAR值。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于虛擬植物的冠層對(duì)光合有效輻射截獲能力分析方法，其特征在于在步驟13中，計(jì)算冠層凈光合速率包括以下步驟 步驟131 :根據(jù)每片葉上總的PAR值，采用單葉光合作用模型計(jì)算每片葉總光合速率； 步驟132 :對(duì)冠層每片葉總光合速率進(jìn)行累加，得到整個(gè)冠層光合速率； 步驟133 :所述冠層光合速率減去呼吸消耗的差數(shù)，得到冠層凈光合速率。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于虛擬植物的冠層對(duì)光合有效輻射截獲能力分析方法，其特征在于在步驟14中，計(jì)算冠層對(duì)PAR截獲能力包括以下步驟 步驟141 :建立一系列不同冠形的植物精細(xì)三維模型； 步驟142 :計(jì)算各冠層各時(shí)刻每片葉截獲的PAR值，從而計(jì)算日尺度內(nèi)冠層平均PAR值； 步驟143 :在計(jì)算得到每片葉截獲的PAR值基礎(chǔ)上，將冠層按一定高度間隔進(jìn)行分層，從冠頂至冠底分成若干層，求各層內(nèi)葉對(duì)PAR截獲的平均值；然后對(duì)一天各時(shí)刻每層截獲PAR的平均值，再次進(jìn)行平均，求日尺度冠層PAR空間分布情況； 步驟144 :計(jì)算各冠層各時(shí)刻冠層凈光合速率，然后把一天中各時(shí)刻冠層凈光合速率求平均值； 步驟145 :把各冠層日尺度冠層平均PAR、冠層平均凈光合速率進(jìn)行排序，結(jié)合冠層內(nèi)各層PAR分布的均勻性，得出冠層對(duì)PAR的截獲能力的大小。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的基于虛擬植物的冠層對(duì)光合有效輻射截獲能力分析方法，其特征在于步驟142中日尺度內(nèi)冠層平均PAR值計(jì)算過程為白天每隔一定時(shí)間計(jì)算一次太陽高度角、方位角、冠頂PAR值，估算一次冠層每片葉截獲的PAR值，然后把一天內(nèi)各模擬時(shí)刻的模擬值進(jìn)行平均得到日尺度冠層平均PAR。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種基于虛擬植物的冠層對(duì)光合有效輻射截獲能力分析方法，包括以下步驟建立自然生長(zhǎng)形的植物精細(xì)三維模型，并對(duì)其進(jìn)行整型修剪，形成不同冠型的植物精細(xì)三維模型；采用天文參數(shù)計(jì)算法，得出冠頂輻射強(qiáng)度；分別采用光線跟蹤算法和龜殼算法模擬冠層太陽直射PAR空間分布和天空散射PAR空間分布，計(jì)算每片葉的PAR值，得到不同時(shí)刻冠層PAR空間分布和平均PAR值；結(jié)合光合作用模型計(jì)算不同冠層的凈光合速率；反復(fù)進(jìn)行整型修剪，從日尺度的冠層平均PAR值、PAR空間分布和平均凈光合速率分析冠層對(duì)PAR的截獲能力。該方法有利于對(duì)植物冠型的科學(xué)合理性進(jìn)行定量分析，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)科學(xué)合理地對(duì)植物進(jìn)行整型修剪或株型設(shè)計(jì)。
文檔編號(hào)G06F17/50GK102708254SQ20121015493
公開日2012年10月3日 申請(qǐng)日期2012年5月18日 優(yōu)先權(quán)日2012年5月18日
發(fā)明者唐麗玉, 林定, 林榮錕, 鄒杰, 陳崇成, 黃洪宇 申請(qǐng)人:福州大學(xué)