专利名称：基于虚拟植物的冠层对光合有效辐射截获能力分析方法
技术领域：
本发明涉及农业信息化和现代农业技术领域，特别是一种基于虚拟植物的冠层对光合有效辐射截获能力分析方法。
背景技术：
植物整型修剪是生产栽培与经营管理中非常重要的操作环节。整型修剪能够合理利用空间，提高冠层通风透光以及抗逆能力，保证植物健康生长；整型通过对植株施行相应的修剪措施使之形成符合特定需求的植物形态结构，构建冠型美观、姿态优良的观赏树形，以此营造错落有致、浑然天成的园林景观；修剪能够调节植物体内的营养元素，使之种类齐全，比例适当，以满足植物生长需要，提高花果数量和质量。一般来说，整型修剪贯穿于植物 的生长全过程，因此，对植物整型修剪的计算机模拟也成为了数字农业与数字林业的重要研究内容之一。植物的整型修剪不仅仅依赖于经验，还具有很强的科学性与技巧，模拟现实植物的整型修剪操作，需要以相应的科学数据为支撑。近年来，不同树形对光合有效辐射的吸收、利用也逐渐成为了植物生理生态学、树木学、果树栽培等农、林学科的研究热点。光合有效福射(Photosynthetic Active Radiation, PAR)是太阳福射光谱中能够被绿色植物的质体色素吸收、转化以实现物质积累的那部分辐射，其辐射波长介于400-700nm之间。它约占太阳总能量的40%。PAR是植物光合作用的基础、最重要的资源，是影响生态系统物质生产和能量转化的重要生态因子。PAR在植物冠层分布的模拟研究有助于分析冠形整型修剪的科学性和深入理解植物与光环境之间的交互。目前，研究植物冠层光合有效辐射分布的主要方法有三种地面实测法、数学模型法、三维模拟法。其中，地面实测法主要是通过具有光电传感器的冠层分析仪实现，但是由于各种实测客观条件的限制，不能同时保证实测的空间分辨率和时间分辨率。数学模型法是以辐射在植物冠层的传播规律以及植物冠层形态结构等假设条件为基础，建立冠层结构参数与生态因子相结合的辐射传输模型，由于实际模型构建参数实时变化且难以获取，因此数学模型法至今多数局限于理论研究层面。近年来，随着计算机三维建模与虚拟现实研究的不断深入，三维模拟法逐渐成为了研究植物冠层光合有效辐射分布的有力工具。植物精细三维模型是冠层对光合有效辐射截获能力分析的基础。叶是植物光合作用的主要器官，叶子的位置和方向是影响光分布的主要因子，所以虚拟冠层叶的精细建模是关键。目前叶的三维建模方法主要有基于图像生成三维模型、基于参数曲面生成三维模型、基于三维几何造型系统建模。后两种方法均可生成精细的三维模型，能满足冠层辐射模拟的需要。植被或森林生长的计算机建模和可视化研究可以追溯到上个世纪六十年代。自上个世纪九十年代末以来，国际上掀起了一股以数字化技术为核心的现代农业高技术研究与开发热潮，特别是以农业生物-环境信息获取、农业过程数字模型与虚拟仿真技术、农业的数字化设计、管理与控制技术为主要内容的国际数字农业发展前沿技术，引起了各国政府、领域专家、技术人员等广泛关注，一些成果在农业发达国家逐渐走向示范和推广应用阶段。目前，有一定影响力的虚拟植物系统软件有SpeedTree、Bionatics公司的虚拟植物系列产品、Xfrog、OnyxTree、LMS以及主要用于学术研究的AMAP系列模块和L-Studio等。我国虚拟植物研究始于20世纪90年代，比较有代表性的有赵春江研究团队开发的农作物生长模拟三维场景整合平台，自动化所中法联合实验室LIAMA的青园GreenLab、福建省空间信息工程研究中心陈崇成研究团队开发的OntoPlant。目前具有国产背景虚拟植物软件尚未形成产品化与商业化应用，与国际同类研究相比还有一定差距。ParaTree交互式单树建模工具软件是OntoPlant系列软件的单树建模软件。它是一款面向专业用户和普通用户使用的全参数化单树几何建模工具。系统可参数化、交互式地定制不同树种、年龄、物候阶段、形态结构的真实感单株植物三维模型，还可形象地模拟枝条修剪过程。植物冠层截获PAR瞬时能量即为某一时刻冠层叶子截获PAR的总和，单位为μπιο * s-1，而植物冠层获得PAR平均能量为冠层所截获的瞬时能量除以总叶面积，单位为μ mol*m-2*s_l。植物对PAR的吸收与叶面积相关,冠层顶部叶子越多，光合有效福射吸收的面积也越大，冠层截获的太阳PAR瞬时能量也越大；但是，冠层外部的叶子将会对冠层内部叶子形成遮挡，导致冠层内部叶子的光合作用弱而呼吸作用强(消耗能量)，影响植物生长与生产。因此，需采用植物冠层获得PAR平均值与单位面积净光合速率作为光合有效辐 射截获能力的评价指标。由于太阳位置实时变化，导致各时刻的太阳光合有效辐射强度值也各不相同，SP冠层在某一时刻截获的太阳PAR平均能量并不能全面解释冠层对PAR的截获能力，因此，需对比分析某一时间段内的多组实验数据才能说明冠层对光合有效辐射的截获能力。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于虚拟植物的冠层对光合有效辐射截获能力分析方法，该方法有利于对植物冠型的科学合理性进行定量分析，进而实现科学合理地对植物进行整型修剪或株型设计。本发明的目的是这样实现的一种基于虚拟植物的冠层对光合有效辐射截获能力分析方法，包括以下步骤
步骤10 :采用虚拟植物建模工具软件建立自然生长形的植物精细三维模型，并对自然生长形的植物精细三维模型进行整型修剪，形成不同冠型的植物精细三维模型；
步骤11:根据生长区地理位置和气候条件，采用相关天文参数计算算法，计算得出不同时刻的太阳高度角、太阳方位角和冠顶辐射强度；
步骤12 :分别采用光线跟踪算法和龟壳算法模拟冠层太阳直射PAR空间分布和天空散射PAR空间分布，计算每片叶上总的PAR值，从而得到不同时刻冠层PAR空间分布和整个冠层平均PAR值；
步骤13 :结合单叶光合作用模型，计算一定时段内不同冠层的净光合速率；
步骤14 :反复对植物模型进行整型修剪，从日尺度的冠层平均PAR值、PAR空间分布特征和平均净光合速率三方面分析冠层对PAR的截获能力，追寻一种通风透光的科学合理的冠型。本发明的有益效果是提供了一种定量分析植物冠型的科学合理性的方法，克服了传统植物整型修剪或株型设计中存在的只能通过长期野外观测、实验或经验知识来定性说明冠型修剪合理性的问题，不仅有利于减小不合理修剪带来的损失，而且以三维形式直观表示修剪后的株型，可以精确预见修剪的效果。
图I是本发明实施例的实现流程示意图。图2是本发明实施例中采用ParaTree单树建模工具软件建立植物精细三维模型的流程图。
具体实施例方式本发明基于虚拟植物的冠层对光合有效辐射截获能力分析方法，如图I所示，包括以下步骤
步骤10 :采用虚拟植物建模工具软件建立自然生长形的植物精细三维模型，其实现流程如图2所示，并对自然生长形的植物精细三维模型进行整型修剪，形成不同冠型的植物精细三维模型；
步骤11 :根据生长区地理位置和气候条件，采用相关天文参数计算算法，计算得出不同时刻的太阳高度角、太阳方位角和冠顶辐射强度；
步骤12 :分别采用光线跟踪算法和龟壳算法模拟冠层太阳直射PAR空间分布和天空散射PAR空间分布，计算每片叶上总的PAR值，从而得到不同时刻冠层PAR空间分布和整个冠层平均PAR值；
步骤13 :结合单叶光合作用模型，计算一定时段内不同冠层的净光合速率；
步骤14 :反复对植物模型进行整型修剪，从日尺度的冠层平均PAR值、PAR空间分布特征和平均净光合速率三方面分析冠层对PAR的截获能力，追寻一种通风透光的科学合理的冠型。在步骤10中，建立植物精细三维模型包括以下步骤
步骤101 :输入待分析冠层特征参数、枝干系统拓扑结构信息和叶几何信息；
步骤102 :根据所述叶几何信息，采用NURBS参数曲面进行拟合或采用3ds MAX软件建立叶精细三维模型，以多边形形式(三角形或四边形)表示并转化为常用三维模型格式，如.ob j等；
步骤103 :根据所述冠层特征参数和枝干系统拓扑结构信息，采用ParaTree单树建模工具软件，建立枝干系统三维模型，并把叶精细三维模型按一定的角度和分布密度挂接到枝干系统上，形成自然生长形的植物精细三维模型；
步骤104 :采用ParaTree单树建模工具软件，对自然生长形的植物精细三维模型进行枝段、枝条或冠层综合修剪，形成不同冠型的植物精细三维模型。上述冠层特征参数、枝干系统拓扑结构信息和叶几何信息包括全局参数、主干参数、枝条参数和叶片参数，所述全局参数包括树高和冠幅，所述主干参数包括基径、长度、半径变化、枝条分布，所述枝条参数包括分支级数、半径、半径变化、长度、分支角度，所述叶片参数包括叶大小、形状、位角、倾角和分布密度。在步骤11中，计算冠顶辐射强度包括以下步骤
步骤111 :根据生长区地理位置，即经度纬度，采用太阳天文参数计算公式得出太阳几何参数，即太阳高度角和太阳方位角；步骤112 :根据太阳几何参数、生长区气候条件和地形条件，采用太阳光能在大气层顶和大气层中的计算公式，计算冠顶太阳直射辐射强度和天空散射辐射强度；
步骤113 :求出冠顶太阳直射PAR和天空散射PAR。在步骤12中，计算冠层光合有效辐射强度包括以下步骤
步骤121 :以所述植物精细三维模型和冠顶太阳直射PAR为基础，采用光线跟踪算法模拟冠层太阳直射PAR空间分布，估算每片叶截获太阳直射PAR值；
步骤122 :以所述植物精细三维模型和冠顶天空散射PAR为基础，采用龟壳算法模拟冠层天空散射PAR空间分布，估算每片叶截获天空散射PAR值；
步骤123 :将每片叶截获太阳直射PAR值和每片叶截获天空散射PAR值相加，得到每片叶上总的PAR值； 步骤124 :计算并分析得到不同时刻冠层PAR空间分布和整个冠层平均PAR值； 在步骤13中，计算冠层净光合速率包括以下步骤
步骤131 :根据每片叶上总的PAR值，采用单叶光合作用模型计算每片叶总光合速率； 步骤132 :对冠层每片叶总光合速率进行累加，得到整个冠层光合速率；
步骤133 :所述冠层光合速率减去呼吸消耗的差数，得到冠层净光合速率；
在步骤14中，计算冠层对PAR截获能力包括以下步骤
步骤141 :根据上述步骤10，建立一系列不同冠形的植物精细三维模型；
步骤142 :根据上述步骤12，计算各冠层各时刻每片叶截获的PAR值，从而计算日尺度内冠层平均PAR值；
步骤143 :在计算得到每片叶截获的PAR值基础上，将冠层按一定高度间隔进行分层，从冠顶至冠底分成若干层，求各层内叶对PAR截获的平均值；然后对一天各时刻每层截获PAR的平均值，再次进行平均，求日尺度冠层PAR空间分布情况；
步骤144 :根据上述步骤13，计算各冠层各时刻冠层净光合速率，然后把一天中各时刻冠层净光合速率求平均值；
步骤145 :把各冠层日尺度冠层平均PAR、冠层平均净光合速率进行排序，结合冠层内各层PAR分布的均匀性，得出冠层对PAR的截获能力的大小。从而分析冠层对PAR的截获能力，定量分析这些经验冠型的科学合理性。步骤142中日尺度内冠层平均PAR值计算过程为白天每隔一定时间计算一次太阳高度角、方位角、冠顶PAR值，估算一次冠层每片叶截获的PAR值，然后把一天内各模拟时刻的模拟值进行平均得到日尺度冠层平均PAR。下面结合具体实施例对上述一些模型的建立及分析方法作进一步的说明。I、冠层精细三维模型构建
植物整型修剪或株型设计是在自然生长形的树形基础上进行的。I)根据参数化建模所需的植物形态结构参数要求，通过野外实测数据、拍摄的照片和经典文献的收集，获取自然生长形冠型的形态结构参数，主要包括树高、冠幅、主干基径、主干半径变化、主干长度、枝条级数，每级枝条的参数包括枝条长度、半径变化、分支角度、枝条分布，叶大小、形状、分布位置、分布密度等；2 )器官纹理处理，采用Photoshop这类图像处理软件，生成具有Alpha通道的透明效果的器官纹理；3)采用3ds MAX这类几何造系统建立叶三维模型，转为通用三维模型格式；4)采用ParaTree交互式单树建模工具软件，首先生成一个默认三维模型，然后根据上述各种参数，调整模型形态，挂接叶的精细三维模型，映射上器官纹理，生成自然生长形植物精细的三维模型；5)在自然生长形模型基础上，根据整型修剪的经验知识，利用ParaTree交互式单树建模工具软件编辑功能，对枝条、枝段进行编辑，形成各种冠型的精细三维模型。采用ParaTree交互式单树建模工具软件建立植物精细三维模型流程如图2所示。以3年生桃树整型修剪及冠层对PAR截获能力分析为实施例。自然生长形的形态结构参数如表I所示。先通过参数约束生成模型基本骨架，然后采用各枝干长度分布曲线、半径分布曲线、弯曲控制曲线、密度分布曲线进一步调整，形成自然长生形枝干系统。表I桃树自然生长形模型的枝干系统参数表
权利要求
1.一种基于虚拟植物的冠层对光合有效福射截获能力分析方法，其特征在于包括以下步骤 步骤10 :采用虚拟植物建模工具软件建立自然生长形的植物精细三维模型，并对自然生长形的植物精细三维模型进行整型修剪，形成不同冠型的植物精细三维模型； 步骤11:根据生长区地理位置和气候条件，采用相关天文参数计算算法，计算得出不同时刻的太阳高度角、太阳方位角和冠顶辐射强度； 步骤12 :分别采用光线跟踪算法和龟壳算法模拟冠层太阳直射PAR空间分布和天空散射PAR空间分布，计算每片叶上总的PAR值，从而得到不同时刻冠层PAR空间分布和整个冠层平均PAR值； 步骤13 :结合单叶光合作用模型，计算不同冠层的净光合速率； 步骤14 :反复对植物模型进行整型修剪，从日尺度的冠层平均PAR值、PAR空间分布和平均净光合速率三方面分析冠层对PAR的截获能力。
2.根据权利要求I所述的基于虚拟植物的冠层对光合有效辐射截获能力分析方法，其特征在于在步骤10中，建立植物精细三维模型包括以下步骤 步骤101 :输入待分析冠层特征参数、枝干系统拓扑结构信息和叶几何信息； 步骤102 :根据所述叶几何信息，采用NURBS参数曲面进行拟合或采用3ds MAX软件建立叶精细三维模型； 步骤103 :根据所述冠层特征参数和枝干系统拓扑结构信息，采用ParaTree单树建模工具软件，建立枝干系统三维模型，并把叶精细三维模型按一定的角度和分布密度挂接到枝干系统上，形成自然生长形的植物精细三维模型； 步骤104 :采用ParaTree单树建模工具软件，对自然生长形的植物精细三维模型进行枝段、枝条或冠层综合修剪，形成不同冠型的植物精细三维模型。
3.根据权利要求2所述的基于虚拟植物的冠层对光合有效辐射截获能力分析方法，其特征在于所述冠层特征参数、枝干系统拓扑结构信息和叶几何信息包括全局参数、主干参数、枝条参数和叶片参数，所述全局参数包括树高和冠幅，所述主干参数包括基径、长度、半径变化、枝条分布，所述枝条参数包括分支级数、半径、半径变化、长度、分支角度，所述叶片参数包括叶大小、形状、位角、倾角和分布密度。
4.根据权利要求I所述的基于虚拟植物的冠层对光合有效辐射截获能力分析方法，其特征在于在步骤11中，计算冠顶辐射强度包括以下步骤 步骤111 :根据生长区地理位置，采用太阳天文参数计算公式得出太阳几何参数，即太阳高度角和太阳方位角； 步骤112 :根据太阳几何参数、生长区气候条件和地形条件，采用太阳光能在大气层顶和大气层中的计算公式，计算冠顶太阳直射辐射强度和天空散射辐射强度； 步骤113 :求出冠顶太阳直射PAR和天空散射PAR。
5.根据权利要求I所述的基于虚拟植物的冠层对光合有效辐射截获能力分析方法，其特征在于在步骤12中，计算冠层光合有效辐射强度包括以下步骤 步骤121 :以所述植物精细三维模型和冠顶太阳直射PAR为基础，采用光线跟踪算法模拟冠层太阳直射PAR空间分布，估算每片叶截获太阳直射PAR值； 步骤122 :以所述植物精细三维模型和冠顶天空散射PAR为基础，采用龟壳算法模拟冠层天空散射PAR空间分布，估算每片叶截获天空散射PAR值； 步骤123 :将每片叶截获太阳直射PAR值和每片叶截获天空散射PAR值相加，得到每片叶上总的PAR值； 步骤124 :计算并分析得到不同时刻冠层PAR空间分布和整个冠层平均PAR值。
6.根据权利要求I所述的基于虚拟植物的冠层对光合有效辐射截获能力分析方法，其特征在于在步骤13中，计算冠层净光合速率包括以下步骤 步骤131 :根据每片叶上总的PAR值，采用单叶光合作用模型计算每片叶总光合速率； 步骤132 :对冠层每片叶总光合速率进行累加，得到整个冠层光合速率； 步骤133 :所述冠层光合速率减去呼吸消耗的差数，得到冠层净光合速率。
7.根据权利要求I所述的基于虚拟植物的冠层对光合有效辐射截获能力分析方法，其特征在于在步骤14中，计算冠层对PAR截获能力包括以下步骤 步骤141 :建立一系列不同冠形的植物精细三维模型； 步骤142 :计算各冠层各时刻每片叶截获的PAR值，从而计算日尺度内冠层平均PAR值； 步骤143 :在计算得到每片叶截获的PAR值基础上，将冠层按一定高度间隔进行分层，从冠顶至冠底分成若干层，求各层内叶对PAR截获的平均值；然后对一天各时刻每层截获PAR的平均值，再次进行平均，求日尺度冠层PAR空间分布情况； 步骤144 :计算各冠层各时刻冠层净光合速率，然后把一天中各时刻冠层净光合速率求平均值； 步骤145 :把各冠层日尺度冠层平均PAR、冠层平均净光合速率进行排序，结合冠层内各层PAR分布的均匀性，得出冠层对PAR的截获能力的大小。
8.根据权利要求7所述的基于虚拟植物的冠层对光合有效辐射截获能力分析方法，其特征在于步骤142中日尺度内冠层平均PAR值计算过程为白天每隔一定时间计算一次太阳高度角、方位角、冠顶PAR值，估算一次冠层每片叶截获的PAR值，然后把一天内各模拟时刻的模拟值进行平均得到日尺度冠层平均PAR。
全文摘要
本发明涉及一种基于虚拟植物的冠层对光合有效辐射截获能力分析方法，包括以下步骤建立自然生长形的植物精细三维模型，并对其进行整型修剪，形成不同冠型的植物精细三维模型；采用天文参数计算法，得出冠顶辐射强度；分别采用光线跟踪算法和龟壳算法模拟冠层太阳直射PAR空间分布和天空散射PAR空间分布，计算每片叶的PAR值，得到不同时刻冠层PAR空间分布和平均PAR值；结合光合作用模型计算不同冠层的净光合速率；反复进行整型修剪，从日尺度的冠层平均PAR值、PAR空间分布和平均净光合速率分析冠层对PAR的截获能力。该方法有利于对植物冠型的科学合理性进行定量分析，进而实现科学合理地对植物进行整型修剪或株型设计。
文档编号G06F17/50GK102708254SQ20121015493
公开日2012年10月3日 申请日期2012年5月18日 优先权日2012年5月18日
发明者唐丽玉, 林定, 林荣锟, 邹杰, 陈崇成, 黄洪宇 申请人:福州大学